水轮发电机组励磁系统关键技术研究

刘高睿

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

随着我国水利水电事业的日趋成熟，水轮发电机呈现出高电压、大机组、多扰动等特点。励磁系统对水轮发电机稳定运行、保障电网安全起到了至关重要的作用。为保证系统稳定，提升供电质量，必须优化励磁系统。从系统组成上来看，其主要包含励磁变压器、整流柜、磁场断路器、晶闸管、通信单元等，可从这些设备着手，对关键技术进行创新和优化，使励磁系统在水轮发电机组运行过程中发挥更稳定的作用。

1 晶闸管脉冲与起励技术

励磁系统中使用的三相全控桥晶闸管，其脉冲形态有3种，其中由于360°单宽脉冲功耗较大，已逐渐被双窄脉冲代替。根据频率不同，双窄脉冲可分为60°的双窄脉冲和120°的双窄高频脉冲两种类型。从应用效果上来看，励磁调节器发出双窄脉冲后可直接作用于晶闸管，系统结构更加简单，提升了系统稳定性，成为三相全控桥晶闸管的主要脉冲形式，120°双窄高频脉冲阵列的高频脉冲频率区间为10～50 kHz，可根据励磁系统运行需要灵活调控，使其保持在较低的功耗状态，在一些大型水轮发电机中较为常见。起励技术分为有他励起励和残压起励两种，其原理是利用120°单宽高频脉冲阵列来延长晶闸管触发时间，达到降低整流柜输出侧并联起励连续电阻的目的。

2 交直流双冗余灭磁技术

大型水轮发电机组运行过程中，转子励磁绕组会产生大量的磁场储能，如果不能有效消解，当能量积累到一定程度后，将会引起发电机故障，这时就需要使用灭磁技术。常规的灭磁方法有非线性电阻灭磁、全控桥逆变灭磁，从实际应用效果来看，灭磁不够彻底，磁场储能对水轮发电机产生的危害无法彻底消除。大量实践证明，交直流双冗余灭磁技术是一种可靠性好、安全性强的灭磁技术，其原理是利用磁场断路器跳闸前闭锁晶闸管脉冲，使发电机转子侧锯齿波变为交流波，实现交流灭磁。通过人为设定延迟响应时间，使交流断路器滞后于直流断路器100 ms跳闸，实现交流-直流双冗余灭磁。

应用此灭磁技术时，需要注意保证动作时序的正确性，即控制终端发送跳闸指令，该信号到达励磁调节器，启动跨接器投灭磁电阻，完成逆变，依次完成直流磁场断路器动作、交流磁场断路器动作，最后励磁整流柜发出封闭脉冲，完成一个灭磁周期。此时检测磁场储能，如果能量超过允许范围，继续进行下一周期的灭磁，直到能量降至允许范围。

3 磁场断路器和灭磁电阻技术

电阻灭磁是励磁系统中常用的灭磁方法，根据电阻结构组成不同，可以分为线性放电电阻和非线性电阻两种类型。从材质上来看，碳化硅(SiC)是近年来大中型水轮发电机组励磁系统中较为常见的一种材料，而小型水轮发电机出于成本方面的考虑，更多的是选择氧化锌(ZnO)阀片灭磁。励磁系统中，灭磁电阻通常与放电触头串联，可以进一步提高换流和移能效果。磁场断路器根据电极数量的不同，可以分为双极(2断口)和单极(1断口)两种形式。前者主触头和弧触头相互分离，进一步提高了灭磁效果，无论是最大分断电流还是最大弧压，都比单极断路器更强。后者只有主触头，结构简单，运行稳定，后期维护和检修方便。

4 整流柜过电压抑制和吸收技术

整流柜在保证励磁系统安全方面发挥了重要作用，也是整个励磁系统的重要组成部分。励磁整流柜的过电压保护，需要根据水轮发电机的额定电压来设置。如果配置不足，对过电压的吸收能力不够，就达不到预期的过电压保护效果，反之，如果配置过剩，则会增加成本。理想状态下，配置整流柜过电压保护系统时，需要掌握被保护对象的运行参数，包括额定电压、额定功率等，根据具体参数设定励磁系统的整定值，才能以较低的成本投入，获得良好的励磁保护效果。过电压吸收电阻还可以与灭磁电阻联合使用，进一步丰富励磁系统的保护功能。

5 大型热管整流柜应用技术

传统的热管整流柜每运行一段时间，就需要维护人员进行清洁处理，将风机和滤网拆下来进行清洗，不仅增加了工作量和人工成本，每次停机检修还会对水电厂的经济效益产生影响。近年来，一种“自冷式”热管整流柜在水利水电行业中得到了广泛推广。相比于普通设备，新型热管整流柜在末端增加了冷凝装置。晶闸管散热器在运行时散发热量，在冷凝端重新凝结成液体，通过重力回流，重新到达蒸发端，循环往复，实现自冷。从运行效果上来看，这种“自冷式”热管整流柜不需要频繁启动冷却风机，维护次数显著降低，节约了人工成本和维护费用。同时，也降低了设备故障率，实现了励磁系统的不停机运行。

6 智能监测和自动保护技术

大型水轮发电机组中，由于励磁系统结构较为复杂，完全依靠技术人员做好运行监管和定期维护，不仅压力大，且潜在故障无法及时发现，会影响励磁系统功能的发挥。随着AI技术的发展，智能监测和自动保护技术在励磁系统中得到广泛应用。励磁调节器应配置发电机电压互感器(TV)断线监测，准确判断并切换通道或转换调节模式。TV慢熔监测方法非常简单，在保留已有的TV断线监测功能基础上，增加低整定值延时报警功能，即TV慢熔监测，提醒电站人员检查和处理。

7 基于光纤网络的通信技术

智能监测和自动控制逐渐成为水轮发电机组励磁系统的核心技术。虽然智能控制技术在励磁系统中已得到广泛运用，但是以往使用的通信模块主要以有线通信为主，即通过设备预留串口插入连接线，在不同设备之间完成信号传输。这种通信模式存在两个弊端：一是励磁系统电气设备多，线路复杂，维护不方便，二是不同串口之间兼容性差，影响通信质量，延时响应情况严重。基于光纤网络的通信技术，利用光纤代替金属导线完成信号传输，保证了传输速率，提高了抗干扰能力，支持大容量信息传输，在大型水轮发电机组的励磁系统运行中有着良好表现。

8 结语

励磁系统性能的好坏对水轮发电机组运行稳定性、电网安全性具有重要影响。研究和创新励磁系统关键技术，特别是智能监测和自动保护技术、大型热管整流柜应用技术、整流柜过电压抑制和吸收技术等，能够从不同角度提升励磁系统性能和系统整体功能。