阿海水电厂静态励磁系统的应用与设备选型分析

任小超 刘丛洲

（1.云南华电金沙江中游水电开发有限公司，昆明 650228； 2.国网镇江供电公司，江苏 镇江 212000）

阿海水电厂位于云南省丽江市玉龙县（右岸）与宁蒗县（左岸）交界的金沙江中游河段，是金沙江中游河段一库八级的第四级电站。电站装机容量2000MW（5×400MW），以500kV 一级电压接入云南电网运行，在系统中担负基荷及调频、调峰和事故备用任务。阿海水电厂发电机励磁系统采用广州电器科学研究院EXC9000 静态励磁系统，型号为FJL-7 GAI-PADE3B。

1 阿海水电厂励磁系统

1.1 阿海励磁系统的特点

EXC9000 系统的主要特点是功能软件化、系统数字化，该系统的数字化不仅体现在调节器，也体现在功率柜和灭磁柜上。励磁系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制、信息智能传输和智能测试，极大地提高了装置的可靠性。

1.2 励磁系统的组成及功能

阿海水电厂EXC9000 静态励磁系统主要由调节器、人机界面、对外接口、功率柜、灭磁及过压保护、励磁变压器等组成。

1）调节器

EXC9000 励磁调节器为双微机三通道调节器，其中A、B 通道为微机通道，其核心控制器件是32位总线工控机，C 通道为模拟通道，这三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。

2）功率柜

阿海EXC9000 励磁系统的功率柜为智能化功率柜，为3 台并联运行模式。

3）灭磁及过压保护单元

该单元的作用是当收到发电机保护或者来自内部的励磁保护跳闸命令，在断开磁场断路器的同时切断脉冲，励磁电流通过反向二极管流向灭磁电阻；在反向装有晶闸管的灭磁电路中，在断开磁场断路器的同时除切断脉冲外还触发晶闸管跨接器以接通灭磁电阻。采取该措施后，励磁变副边交流电压被叠加到磁场断路器的电弧电压上，可以保证能量可靠转移及缩短灭磁时间。

4）起励单元

励磁系统采用两种起励方式：机组残压起励和外部辅助电源起励。残压起励功能可以通过调节柜人机界面上的功能按键进行投退。在10s 内残压起励失败时，励磁系统可以自动起动外部辅助电源起励回路。在机端电压达到额定电压的10%时，起励回路将自动退出，立即开始软起励过程将机端电压建立到预置的电压值。

2 阿海励磁系统几个重要设备的选择

2.1 励磁变压器的选择

励磁变压器二次侧额定电压应能满足发电机在1.1 倍额定励磁电流下长期运行要求，并留有足够裕度；发电机机端电压下降到80%额定值时，二次侧额定电流能提供2 倍强励电流；整流桥为三相全控桥，最小控制角α= 15°。计算变压器二次电压u2N：

式中，ufN为发电机额定励磁电压，为434.1V； ΔuT为电流回路中线路压降，包含可控硅总压降及电缆压降，一般取为6V；c为倾斜系数，对于三相全控桥c=0.5；ImIn为强励时的二次电流与额定二次电流之比，为2；xT为变压器漏抗，xT=0.06；cosα为最小控制角系数，为0.966。

因变压器容量应留有一定裕量，发电机额定工况下，其阻抗压降将小于额定值，故可取u2N=890V

励磁变压器容量Sn为保证发电机组在1.1 倍额定励磁电流下长期运行的数值，选择的励磁变压器容量应比上述数值更大，由式（2）可计算励磁变压器的容量：

再考虑10%的容量裕度：

由于励磁变压器本身具有过载能力，其在2 倍过载情况下持续时间超过50s，故可以选取三个单相容量为1450kVA 的变压器，即总容量为4350kVA。

阿海水电厂励磁变压器采用3 个单相自然风冷环氧浇注干式变压器，布置在上游副厂房母线出线层内，励磁变压器为广东顺特电气DCB-1450/20/3。

2.2 可控硅及其冷却器的选择

可控硅采用 ABB Semiconductor 公司的5STP28L4200-3170A/4200V ，其反向峰值电压4200V，可控硅元件额定正向平均电流3170A，单个整流桥的负荷能力3000A。功率整流器采用强迫风冷，采用德国EBM 公司D2E 160-AB01-06 离心式风机，单个风机风量为1195m3/h，选择两组，每组两台，正常运行时一组主用，另一组备用，满足所需风量要求。

2.3 灭磁电阻的选择

受最恶劣工况下最高灭磁电压的限制，必须选择并联冗余。要满足最小冗余度的要求，方案是4并，为得到相对快的灭磁时间，取并联的非线性电阻组数NRP=5。受最恶劣工况下最高灭磁电压的限制，串联的组数不宜过高，故取串联的组数NRS=2。因此灭磁电阻采用2 串5 并的连接方式。

单组灭磁电阻容量ERS为1MJ，故工作能容：

考虑上述的冗余原则，故障时将退出一个并联支路，灭磁电阻的使用能容极限为

灭磁电阻选择英国M＆I Materials 公司的Spec.6361 SiC 非线性电阻，单组灭磁电阻电压系数ARS为29W；单组灭磁电阻非线性系数β为0.4；单组灭磁电阻通流能力为6kA；单组灭磁电阻工频耐压为5kV、60s；最高灭磁电压URmax为3069V；发电机空载过压保护启动时的励磁电流If为4283A；励磁系统在强励时，又发生发电机机端三相短路，灭磁时的初始电流IffSC为8000A。

对于同一型号电阻进行串并联而形成的整组SiC 非线性电阻，其整组特性可由式（3）表达：

代入串联数NRS=2、并联数NRP=5，ARS=29W 可得UR= 36.7× （IR）0.4。

1）发电机强励期间发生机端三相短路动作灭磁计算

灭磁电压计算，在IffSC=8000A 情况下计算灭磁开关最小弧压，IffSC全部流入非线性电阻产生的电压URSC为

灭磁能量计算，强励期间发生机端三相短路灭磁时灭磁电阻吸收能量的计算值：

2）发电机空载过压保护动作灭磁瞬间计算

（四）及时补铁 铁是造血和防止营养性贫血的营养物质，新生仔猪体内铁的贮存量一般为50 mg，每日生长代谢约需消耗7 mg，从100 ml的母乳中仅得到0.2 mg左右的铁，可见，仔猪得不到铁的补充，可于7日龄左右出现缺铁性贫血，生长发育受阻，食欲减退，抵抗力下降，易患白痢。广西西江农场对2日龄的仔猪注射培亚铁针剂（主要成分为葡聚糖铁）1 ml（含铁100 mg），10日龄再注射2 ml，与对照组相比，成活率提高7.62个百分点，增重提高37个百分点。广西农垦畜牧研究所对3～5日龄的仔猪肌注牲血素每头1 ml，增重比对照组提高10.99%，成活率提高15.78%。亦应注意铜和钴的补充。

灭磁电压计算，在If＝4283A 情况下计算灭磁开关的最小弧压，If全部流入非线性电阻产生的电压UR为

灭磁能量计算，发电机空载过压保护动作灭磁时灭磁电阻吸收能量的计算值

2.4 灭磁开关的选择

灭磁开关选用瑞士Secheron 公司的UR40M-64S磁场断路器，开断电流与最高电压为60kA/4000V。

1）灭磁开关短路开断电流校验

灭磁开关开断电流能力，是保证发电机转子滑环短路时灭磁开关能可靠分断此短路电流而不损坏。发电机转子滑环短路时的转子电流大小只考虑励磁变的短路阻抗时，应该是最大的短路电流值。其估算公式为

式中，I2N为励磁变额定二次电流；xT为励磁变短路阻抗。

2）灭磁开关灭磁弧压校验

灭磁开关弧压参数应与灭磁电阻参数配合，并满足下列关系：

式中，UDCarc为灭磁开关断口弧压，UR和UE分别为灭磁开关断开时的灭磁电阻上出现的最高灭磁电压和电源电压。对于非线性电阻，其最高灭磁电压为

考虑机端三相短路和空载误强励两种最恶劣情况。

校验情况一：发电机强励期间发生机端三相短路灭磁时灭磁开关弧压校验。

此时电源电压为0。需要的磁场断路器弧压为

UR40M-64S 灭磁开关的弧压为6000V，高于1337V。

校验情况二：发电机空载过压保护动作灭磁时灭磁开关弧压校验。

此时的电源电压UEL为

UR40M-64S 灭磁开关的弧压为6000V，满足要求。

3 结论

励磁系统是电力系统控制的重要组成部分，它直接影响着发电机的运行可靠性、经济性和电力系统运行的稳定性。经过计算分析可见，阿海水电厂励磁系统的励磁变压器、灭磁电阻和灭磁开关的选型，足够满足机组在各种工况下安全灭磁，保证机组的安全运行。静态励磁系统在阿海水电厂的成功应用，也为类似的水电项目的选型实施提供了一定的参考价值。

[1] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京: 中国电力出版社,2002.

[2] 余军,张勇.静止式励磁系统在丹江口水力发电厂的应用[J].水电站机电技术,2011,34(6): 21-26.