特大型机组励磁系统关键技术研究与应用

邹来勇 桂远乾 王成明

摘要：特大型机组励磁电流大、电压高，在励磁变压器和灭磁系统的选型、灭磁过程计算以及整流柜冷却设计等方面给励磁系统设计带来巨大挑战。为解决这些问题，开展了国内外调研，并进行了相关基础研究。联合中国制造单位研制出3 000 kVA大容量单相励磁变压器样机，首次提出了交直流冗余灭磁方案；研究出灭磁过程的工程计算方法，以及封闭环境下整流柜冷却系统。研究结果表明，基于以上关键技术所提出的励磁系统设计方案，满足特大型发电机安全可靠运行要求。该方案成功应用于三峡电站和国内其他特大型发电机组，并取得了一系列创新成果。

关键词：特大型机组； 励磁系统； 环氧浇注干式励磁变压器； 冗余灭磁系统； 功率柜冷却方式

中图法分类号：TM312

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.013

文章编号：1006-0081（2023）07-0076-07

0 引 言

励磁系统是发电机的重要组成部分，关系到电站及电力系统的安全可靠与稳定运行。发电机特别是大型发电机励磁系统早期故障几率相对较高［1-3］，至今仍时有发生，尤其以灭磁、功率柜事故为甚，损坏发电机设备，严重影响电站及电力系统的安全稳定运行［4］。以三峡电站为代表的单机容量为700 MW及以上特大型水电站发电机励磁电流更大、电压更高，给励磁变压器、灭磁系统、整流柜冷却等各方面带来新的挑战。因此，迫切需要研究及解决特大型发电机励磁系统技术。

在国家“九五”（第九个五年计划）计划期间，长江勘测规划设计研究有限责任公司（以下简称“设计院”）提出了特大型发电机励磁系统需要进一步研究和解决的关键技术，并列入“九五”国家重大科技项目（攻关）计划的研究课题，包括特大型发电机励磁系统控制方式、励磁系统工艺及可靠性、灭磁及过压保护、环氧浇注干式励磁变压器等研究。该研究课题以设计院为主，联合国内高等院校、科研机构、制造单位共同攻关，取得了一系列成果。

在三峡电站的设计过程中，设计院在“九五”攻关研究成果的基础上，结合工程实际，针对特大型发电机励磁系统的几个关键技术继续开展了设计研究工作，凝练并提出了特大型机组励磁系统需要进一步研究和解决的若干关键技术问题，包括：环氧浇注干式励磁变压器研究、交直流冗余灭磁系统方案、发电机误强励灭磁过程参数的实用计算方法研究、封闭环境下大型发电机励磁功率柜冷却技术研究等。其研究成果首次成功应用于三峡电站发电机励磁系统。

1 环氧浇注干式励磁变压器

针对三峡电站励磁整流变压器，设计院与顺德特种变压器厂先后开展了基础研究、设计、样机制造、试验验证等工作［5-6］，主要解决了以下几个关键技术问题。

1.1 主要参数确定

根据三峡左岸电站发电机技术交流中机组励磁参数，确定励磁变压器样机参数为频率50 Hz，高压侧20/3 kV，低压侧1.25 kV，容量3 000 kVA，温升为80 K。

1.2 电磁及结构设计分析

（1） 型式。为便于与分相封闭母线连接，利于运输安装，励磁变压器采用了单相变压器组成三相变压器组的结构形式。

（2） 磁密的选取及铁芯设计。由于励磁变压器二次电流的非正弦性，在鐵芯中将会产生各高次谐波磁通，铁芯会加快进入饱和状态。另外，励磁系统起动瞬间的频率较低，磁密相应较高。因此，必须选取合适磁密，在设计时把磁密定为1.52 T以下。

铁芯为双面绝缘晶粒优质冷轧取向硅钢片，全斜接缝，铁轭拉带拉紧，拉板结构，芯柱玻璃丝带绑扎。采用先进的五阶梯步叠铁芯工艺，降低空载损耗和空载电流及噪音。

（3） 线圈。高、低压线圈均为分段圆筒式，电磁线为H级的双玻璃丝包铜扁线，绝缘材料为Nomex纸和CY225环氧树脂，结构为玻璃纤维缠绕真空浇注。两柱线圈采用并联联结，线圈绝缘材料耐温等级采用H级，进一步加强线圈的过载能力。

（4） 屏蔽。为减少高、低压之间的高次谐波影响，高、低压线圈之间加绕了静电屏蔽网，屏蔽绕组绕制在低压线圈外侧，与低压线圈整体浇注，并且通过铜带引出接地。

（5） 结构。为了三相联结方便，低压采用左右出线方式，各相按d接引线分别错位引出，便于相与相之间的三角形连接，以降低三相连接的电阻不平衡率。低压出线为分相电缆出线。高压出线与分相封闭母线相接，带有封闭母线连接法兰。器身采用双压钉轴向压紧，垫块采用防震橡胶，提高抗短路冲击能力。

1.3 谐波分析及温升试验

基于励磁变压器二次电流的非正弦性，对全控整流回路进行了谐波分析以及计算，得出各特征谐波的电流值见表1。

根据IEC61378《工业用整流变压器》，对电阻损耗、涡流损耗、杂散损耗等进行了计算，算得在额定非正弦电流下总负载损耗为23 113 W，额定基波电流下总负载损耗为17 535 W，从而得到等效的负载损耗基波工频试验电流系数为23 113/17 535=1.15。

为了更准确验证谐波电流对变压器附加损耗和绕组温升的影响，按1.15倍的基波电流值进行了温升试验，其部分测试结果见表2。

试验结果表明其性能指标满足任务书要求，励磁变压器附加损耗计算是准确的。

1.4 应 用

采用该项科技成果研制的产品SUNTEN励磁变压器已成为目前中国励磁变著名品牌，除在三峡左、右岸电站26台特大型发电机使用外，已广泛应用于其他特大型水电机组，如广西龙滩（6×700 MW）、贵州构皮滩（5×600 MW）、溪洛渡（14×700 MW）、向家坝（8×700 MW）以及乌东德（12×850 MW）水电站工程等。该技术填补了国内大型励磁变压器空白，改变了当时300 MW以上水轮发电机励磁变压器基本采用进口设备状况。

2 交直流冗余灭磁系统

2.1 冗余灭磁系统配置方案及适用范围

由于特大型发电机励磁电流大、电压高，要求直流磁场断路器分断电压高、电流大，可供选择的直流磁场断路器灭磁分断能力已接近极限，裕度很少。利用一种新型灭磁系统——交直流冗余灭磁系统较好地解决了这个问题，即在特大型发电机传统直流灭磁系统中增加交流磁场断路器，以较少的硬件费用完成了冗余灭磁系统的构建，大幅提高了灭磁可靠性。

交直流冗余灭磁系统方案见图1，在励磁功率整流器的直流侧及交流侧分别设置直流磁场断路器（S101）和交流磁场断路器（S102），灭磁电阻可采用碳化硅（SiC）或氧化锌（ZnO）。

由于交流磁场断路器无投入灭磁电阻的常闭触头，故必须另外单独设置1套灭磁电阻投入开关S107，S107可采用电子开关或接触器，这样灭磁电阻就能在直流磁场断路器拒动时，不依赖于直流磁场断路器常闭触头而投入，实现独立的交流灭磁。

此外，交直流冗余灭磁系统还应配置切脉冲装置，以便在灭磁尤其是在误强励灭磁时能可靠地切除励磁整流器的触发脉冲。切脉冲应采用独立简单的硬布线接线，由继电保护动作信号及断路器辅助接點启动。该接线不应依赖励磁调节器，以便在励磁系统调节器故障时，灭磁系统也能进行灭磁。

交直流冗余灭磁系统灭磁分断除依靠磁场断路器的分断能力外，尚可利用励磁变压器副边负半周的负电压实现交流灭磁分断，兼具直流灭磁系统及交流灭磁系统的优点，通过选择不同分断能力的交直流磁场断路器，构成3种冗余度不同的灭磁系统，可根据电站规模和可靠性的要求进行选择。

2.1.1 方案1：安全冗余的灭磁系统

该方案的直流磁场断路器及交流磁场断路器在发电机各种灭磁工况下，均可单独承担发电机灭磁任务。发电机在交流磁场断路器或直流磁场断路器任一故障拒动情况下，或切脉冲失败时，灭磁系统在包括误强励在内的各种灭磁工况下均能可靠灭磁。该方案对发电机的各种灭磁工况均为冗余灭磁。

该方案的直流及交流磁场断路器的灭磁分断能力均按满足发电机误强励灭磁分断要求进行计算选择，交流磁场断路器尚需有足够高的灭磁分断弧压，以满足机端三相短路灭磁分断的要求。

该方案适用于对发电机灭磁可靠性要求特别高的特大型电站，或对发电机灭磁可靠性要求极高且机端三相短路、交流磁场断路器拒动几率相对较大的大型电站。

2.1.2 方案2：除机端短路灭磁工况外为冗余的灭磁系统

该方案的直流磁场断路器可单独承担发电机各种灭磁工况（包括误强励）的灭磁。交流磁场断路器可单独承担除机端或励磁变压器至交流磁场断路器间三相短路外的其他灭磁工况的灭磁。在发电机各种内部故障时，交流或直流磁场断路器均可单独承担灭磁。

故该方案的直流磁场断路器须按独立承担发电机各种灭磁工况（包括空载误强励和机端三相短路等）灭磁进行计算选择，交流磁场断路器只按误强励灭磁进行计算选择，不单独承担机端三相短路或励磁变压器至交流磁场断路器间三相短路的灭磁，这样交流磁场断路器可选择分断弧压较低的一般交流断路器（如真空断路器）。

该方案适用于发电机引出采用分相封闭母线的电站发电机，此时发电机端及励磁变压器至交流磁场断路器间三相短路的几率极低，一般认为可以不予考虑，该方案也可认为是完全冗余的灭磁系统。

2.1.3 方案3：除误强励及机端短路灭磁工况外为冗余的灭磁系统

该方案是在发电机误强励或内部故障灭磁时，如切脉冲成功则由交流磁场断路器完成误强励灭磁分断，若切脉冲不成功，则在交流断路器分断励磁整流器交流回路后，由直流磁场断路器最终分断直流磁场电流，不考虑交流磁场断路器拒动工况。

由于机端短路或励磁变压器至交流磁场断路器间三相短路工况下的灭磁由直流磁场断路器单独承担，交流磁场断路器不单独承担该工况下的灭磁，所以对交流磁场断路器无弧压要求。交流磁场断路器分闸但切脉冲不成功时，发电机处于续流灭磁状态，直流磁场断路器只需按误强励续流灭磁及机端三相短路灭磁进行计算选择，此时直流磁场断路器整流器侧无电压，分断能力要求远低于单独承担误强励灭磁工况。对于发电机各种内部故障，交流或直流磁场断路器均可单独承担灭磁任务。

该方案适用于发电机引出采用分相封闭母线，从而机端短路几率极低，但对可靠性要求较高的发电机，如不考虑交流磁场断路器拒动的极小概率，该方案也可认为是发电机的完全冗余灭磁方案。

2.1.4 小 结

3个方案中，从磁场断路器分断能力的要求来分析灭磁系统的冗余度。方案1冗余度最高，对直流磁场断路器及交流磁场断路器均有最高要求，特别是对交流磁场断路器有较高的分断弧压要求，使得交流磁场断路器的选择十分困难；方案2冗余度较好，对交流磁场断路器无分断弧压要求，交流磁场断路器可用通用交流断路器而易于选择，目前在大型发电机中已有实际使用；方案3的冗余度在3个方案中相对较低，但对直流磁场断路器的分断能力要求在3个方案中最低，对交流磁场断路器分断弧压也无要求。

2.2 交直流冗余灭磁系统操作与控制

交直流冗余灭磁系统还需对交、直流磁场断路器的操作、灭磁电阻的投入、逆变及切脉冲等进行合适的协调控制，保证科学正确的动作时序，设备代号参考图1。

机组事故后，继电保护动作，启动事故灭磁，先发出合闸S107令，同时进行逆变。经S107合闸时间，灭磁电阻投入后，发出跳闸S101及S102令，并经延时Δt，切除励磁功率整流器的触发脉冲。

灭磁电阻需在磁场断路器分闸前投入，实现断路器的移能分断，并避免灭磁过程转子开路。

灭磁启动后应立即投入逆变，并维持逆变一个短时延，其最小值应保证在逆变电压的作用下，转子电流向灭磁电阻回路转移所需的时间。

在交流断路器首相分闸前应切除功率整流器晶闸管的触发脉冲，切脈冲的投入时间应考虑到对逆变的利用。

2.3 应用及效果

交直流冗余灭磁系统是在国内外第一次提出并在三峡电站700 MW特大型机组实际应用成功的发电机灭磁系统。2003年随三峡电站机组投入运行，多年来的实际运行表明，冗余灭磁系统各项参数符合设计要求，发电机励磁系统运行稳定，并能经受发电机事故灭磁的考验。

目前，一般机组多采用直流灭磁或交流灭磁方式，对于大型及特大型机组则采用交直流冗余灭磁系统，提高灭磁可靠性，减轻直流磁场断路器负担。因此交直流冗余灭磁系统依然是大型及特大型机组励磁系统灭磁方式的首选。除在三峡电站［7-8］外，目前这种交直流冗余灭磁系统在溪洛渡［9］、向家坝［10］、乌东德以及白鹤滩［11］等特大型机组上都得以运用，对推动行业技术进步和国家重大工程建设有重大意义。文献［12-13］总结了最新的励磁系统设计理念和关键技术，就包括了三峡电站首次采用的这项交直流冗余灭磁技术。

3 误强励灭磁过程参数的实用计算方法

误强励是励磁系统失控引起的事故，此时励磁系统与发电机由负反馈变为正反馈系统，机端电压不断升高，直到机端电压升至1.3倍额定电压后，定子过电压保护延时0.3 s动作跳闸，启动灭磁，所以该工况为发电机最严重的灭磁工况，励磁设备乃至发电机烧毁事故多由误强励事故引起。所以励磁系统工程设计中，必须明确误强励灭磁过程中的参数，包括误强励灭磁开始的发电机转子电流和电压值，磁场断路器分断后误强励灭磁过程中发电机转子电流和电压值，才能正确选择灭磁设备。

发电机误强励灭磁过程参数的实用计算方法，采用了误强励灭磁非线性动态过程分段线性化计算的技术，对误强励灭磁开始的发电机转子电流、电压值，以及发电机灭磁衰减过程中的特性参数进行计算。

3.1 误强励灭磁开始及过程转子电流和电压计算

发电机误强励时，发电机与励磁系统构成正反馈闭环，由该闭环可得到发电机转子电流If随时间变化的非线性微分方程［14-15］。对非线性微分方程进行分段线性化处理，可得到发电机误强励开始后转子电流If（i）的计算公式（忽略发电机阻尼绕组）：

由灭磁开始时转子的电流、电压及闭合回路的参数，采用上述分段线性化计算法，可对灭磁过程转子电流与转子电压值进行进一步计算。再由灭磁过程转子电流与转子电压，计算灭磁时间以及灭磁过程灭磁电阻的耗能。

水轮发电机的阻尼绕组时间常数通常较小，计算发电机灭磁过程时可忽略阻尼绕组的影响。

采用这种计算方法（忽略发电机阻尼绕组）对三峡左岸电站发电机空载灭磁的灭磁过程参数进行计算，计算结果与发电机实际灭磁录波数据过程十分接近，特别是在转子电流衰减至约10％前，计算结果和录波过程数据见表3。

3.2 应用及效果

在三峡左岸电站，采用该计算方法对发电机空载灭磁过程参数进行了计算，并根据该计算结果进行交直流磁场断路器的选择，设计的灭磁系统随2003年三峡首台机组投入运行至今，运行稳定，期间经受2次实际事故灭磁的考验。

国外一般不考虑空载误强励灭磁工况，只考虑机端三相短路灭磁工况，所以不计算空载误强励过程参数。而DL/T 583-2018 《大中型水轮发电机静止整流励磁系统技术条件》明确规定励磁系统必须满足误强励灭磁要求，但也没有实用的工程计算方法，设计时多采用估算方法。

该计算方法提供了一种简单实用的准确的计算方法，除三峡电站［16］外，在向家坝、溪洛渡、以及乌东德等大型及特大型电站均获得应用，该技术2011年获得国家知识产权局颁发的国家发明专利［17］。

4 封闭环境下整流柜冷却技术

4.1 封闭环境下整流柜冷却方案

出于对设备安全和环境的考虑，大型及特大型水电站的发电机励磁功率柜与保护、控制盘往往一起布置在环境封闭的机组单元控制室内。由于大容量励磁功率整流器排放的热量很大，若将整流器产生的热空气直接排至室内，将使空间相对较小的单元控制室温度升高，且易形成热风短路，难以保证励磁功率柜内可控硅整流器的冷却进风温度及单元控制室内其他盘柜对环境温度的要求，如果将励磁功率柜排风口排出的热风排出单元控制室外，由于室外仍是一个布置有其他电气设备的封闭环境，势必导致这些部位的环境温度升高，噪音增大，影响其他电气设备的正常运行。同时，为维持单元控制室内的风量平衡，需要设进风口从周围部位取风，这将使机组单元控制室变相地开敞运行，励磁功率柜的冷却空气容易带尘，影响励磁系统的安全运行。

根据大型、特大型水电站单元控制室封闭环境的技术特点，提出了封闭环境下的新型冷却方式。利用布置励磁功率柜的机组单元控制室已有的封闭式建筑吊顶作为循环风道的一部分（热风区），在室内设置2台冗余的空调系统的冷风机作为冷却循环热风的冷源，该冷源的制冷能力能满足励磁功率柜及单元控制室内其他盘柜的冷却需求，励磁功率柜顶部排热风管及冷风机顶部的吸风管均与单独封闭式建筑吊顶相联通，吊顶上远离励磁功率柜的地方开设平衡风口。运行时，励磁功率柜柜顶的抽风机通过励磁功率柜下部的进风口抽取单元控制室内的冷风对励磁功率柜进行强制冷却，冷却后产生的热风通过柜顶的排热风管直接排至单元控制室的封闭式吊顶内，封闭式吊顶内的热空气在空调系统冷风机的抽吸作用下，通过冷风机与吊顶之间的风管被吸入到冷机内进行过滤、冷却，清洁、降温后通过冷风机下部的送风口送入单元控制室内，对单元控制室内环境进行降温，此时励磁功率柜下部的进风口获得的是经清洁、降温后的室内冷空气，可以保证励磁功率柜冷却所需的进风温度和洁净度要求，在单元控制室这种封闭环境中形成了闭环的空气过滤、冷却系统，系统方案如图3所示。

式中：L0为励磁功率柜冷却风机的循环风量，m3/h；L1为空调冷风机的循环风量，m3/h；L2为通过单元控制室封闭式吊顶上平衡风口的平衡风量，m3/h。

为确保整个冷却系统的安全运行，空调冷源采用一年四季制冷工况运行，冷风机按2台配备，制冷量按单元控制室全部最大发热量的150%考虑。单元控制室设置温度测控元件，可以根据室内环境温度自动控制冷风机的开启台数及制冷容量，保证单元控制室的室内环境温度全年控制在一定范围内。

4.2 应用及效果

这种新型功率柜冷却系统在三峡电站的实际运行证明其对励磁功率柜冷却效果显著，单元控制室设备运行环境良好，可保持单元控制室内常年温度在22～27 ℃之间。

该系统解决了封闭环境下大型发电机励磁功率柜的热风排放及冷却问题，保证励磁柜及单元控制室其他盘柜对运行环境的要求。

目前对于不设单元控制室的电站，励磁设备一般布置在发电机旁的敞开空间，强迫风冷或热管冷却方式可满足要求，如乌东德电站就只采用热管自然冷却方式［18］，但对于设置了单元控制室的巨型机组，该项技术仍是较为理想的功率柜冷却方式，该技术2010年获得国家知识产权局颁发的实用新型专利［19］。

5 结 论

特大型水轮发电机励磁系统关键技术，来源于三峡电站励磁系统的设计实践，成功应用于三峡电站，分别获得2002年和2011年湖北省科技进步二等奖。

由于三峡电站的巨大影响力和示范作用，在国内其他特大型发电机组中获得了广泛应用，取得了若干创新成果。

（1） 研制的励磁变压器是当时国内外容量最大的单相环氧浇注干式励磁变压器，在设计理论、工艺结构等方面都取得了创新成果。

（2） 首次提出了交直流冗余灭磁系统的创新理念，解决了特大型发电机组励磁系统由于励磁参数高、直流磁场断路器分断能力不够带来的灭磁可靠性问题。

（3） 发电机误强励灭磁动态过程参数计算方法，首次为灭磁系统提供了一种工程实用计算方法，计算结果为发电机灭磁系统参数设计及灭磁设备选择提供了理论依据。

（4） 密闭环境下整流柜冷却技术因地制宜，利用现有的环境和设施，创新地解决了密闭环境下特大型发电机组励磁系统发热量大、冷却困难的难题。

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（编辑：唐湘茜）