溪洛渡水电站左岸励磁系统灭磁回路工作原理及设计

1、溪洛渡水电站左岸励磁系统灭磁回路工作原理及设计刘 喜 泉 ，陈 小 明（溪洛渡水力发电厂 ，云 南 省 昭 通 市 ）摘 要 ：阐 述了溪洛渡水 电站左岸励磁系统灭磁回路的 工 作原理 ，以 及 在 正 常 停机和事故停 机 时 ，灭磁 回 路 的 工 作 流 程 。根 据 相 关 技 术 规 范 要 求 ，结 合 发 电 机 组 具 体 参 数 要 求 ，对灭磁回路的交 、直 流 磁 场 断 路 器 、灭 磁 电 阻 进 行 了 设 计 和 计 算 ，从理论上证明 了 灭 磁 回路 设备 选型的正确性 。关 键 词 ：水 电 站 ；励 磁 系 统 ；灭 磁 回 路 ；磁 场 断 路 器 ；灭

2、 磁 电 阻引 言溪 洛 渡 水 电 站 总 装 机 容 量 ，左 、右 岸 电 站 各 装 台 单 机 容 量 为 的 水 轮 发 电 机 组 ，是 世 界 第 三 大 、中 国 第 二 大 水 电 站 。 左 岸 电 站号 号 发 电 机 组 是 由 哈 尔 滨 电 机 厂 有 限 责 任 公 司（以 下 简 称 哈 电 ）生 产 的 额 定 功 率 为 的 水 轮 发 电 机 组 ，号 号 发 电 机 组 是 由 德 国 福 伊 特 公 司 （以 下 简 称 福 伊 特 ）生 产 的 额 定 功 率 为 的 水 轮 发 电 机 组 ，励 磁 系 统 选 用 南 京 南 瑞 集 团 公 司

3、 （以 下 简 称 南 瑞 ）生 产 的 自 并 励 静 止 励 磁 系 统 。在 发 电 机 变 压器 组内部发生短 路 故 障 时 ，继 电 保 护 动 作 跳 闸 ，但 是 短 路 点 并 未 切 除 ，发 电 机 转 子 电 流 在 定 子 中 产 生 的 电 动 势 将 继 续 维 持 短 路 点 的 电 流 ，短 路 的 持 续 可能导致绝缘 烧 坏 ，导 体 熔 化 ，并 可 能 使 事 故 迅 速 扩 大 。故 在 尽 可 能 短 的 时 间 内 启 动 灭 磁 回 路 ，使 发 电 机 励 磁 电 流 降 为 ，是 避 免 和 减 少 发 电 机 变 压 器 组 内 部 设

4、备 损 坏 及 限 制 事 故 扩 大 的 重 要 技 术 措 施 。本 文 对 溪 洛 渡 水 电 站 左 岸 励 磁 系 统 灭 磁 回 路 的 工 作 原 理 及 其 设 计 进 行 分 析 。图 左岸励磁系统灭磁回路电气原理 正 常 停 机 过 程 时 ，励 磁 调 节 器 采 用 逆 变 方 式 ，将转 子 能 量 反 馈 到 发电机交流系统中吸收 ，当 机 端 电 压 和 励 磁 电 流 很 小且延时后封闭脉冲 ，然 后 合 上 机械 跨 接 器 开 关 ，之 后 再 跳 开 交 流 磁 场 断 路 器 。在 发 电 机 事 故 停 机 过 程 时 ，保 护 发 出 灭 磁 信 号

5、 ，瞬时启 动 励 磁调 节器 进行逆变和跳直流磁场 断 路 器 以 及 合 ，延 时 启 动硬件封闭功率 柜 脉 冲 。在 瞬 时 启 动 过 程 中 ，逆 变 首 先 执 行 ，接 着 跳 开 ， 合 上 ，之 后 再 跳 开 。 如 果 已 经 跳 开 ， 此 时 仅 仅 起 到 隔 离 作 用 ，如 果 没 有 跳 开 ，励 磁 变 压 器 二 次 交流电压进入转子 ，反 向 的 交 流 电压可以 使 得 转子 电流 转移到灭磁电阻 。一 旦 转 子 电 流 流 经 灭 磁 电 阻 ，转 子 能 量 被 灭 磁 电 阻 吸 收 ，整 个 灭磁 过 程 完 成 。在 发 电 机 正 常

6、运 行 或 灭 磁 过 程 中 ，如 果 转 子 两 端 产 生 过 电 压 ，则 自 动 触 发 电 子 跨 接 器 ，将 灭 磁 电 阻投 入 转 子 两 端 ，吸 收 过 电 压 能 量 。 如 果 过 电 压 能 量太 大 ，则 自 动 启 动 跳 闸 灭 磁 流 程 。电 子 跨 接器 将灭 磁电阻并联接入发电机 转 子 两 端 的 开 关 电 路 ，由 控 制 器 和 晶 闸 管 静 态 开 关 组 成 ，仅起 到 过 电 压 保 护 的 作 用 。电子跨接器控制器 核 心 器件 是 转 折 二 极 管 （），当 测 量 电 压 小 于 动 作 电 压 时 阻 断 ，大 于 动作电

7、压时导通 ，从 而 发出 触 发 晶 闸 管 导 通 的 脉 冲 ，接通直流侧过电压保护 灭磁回路工作原理 溪洛 渡 左岸 电 站 所 有 机组 的 励磁设备选用了 空 气 断 路 器 和 磁 场 断 路 器 ，即 磁 场 断 路 器 的 配 置 由 交 、直 流 双磁场断路器 组 成 ，运 行 稳 定 ，维 护方 便 ，安 全 可 靠 。同 时 ，考 虑 到 励 磁 变 压 器 和 励 磁 功 率 柜 之 间 至 少 需 要 一 个 检 修 隔 离 开 关 ，因 此 ，选 用 体 积 小 、免 维 护 的 真 空 交 流 断 路 器 ，既 能 起 隔 离 开 关 的 作 用 ，又 可 以 方

8、便进行交流灭磁 。 溪洛渡水电站左 岸 励 磁 系 统 灭 磁 回 路 的 电 气 原 理 如 图 所 示 。收 稿 日 期 ：；修 回 日 期 ：。 发电控制技术及设备 刘 喜 泉 ，等溪洛渡水电站左岸励磁系统灭磁回路工作原理及设计 回 路 ，接 入 灭 磁 电 阻 ，保 护 发 电 机 转 子 。电 压，励 磁 顶 值 电 流；励 磁 变 压 器 额定 容 量 ，励 磁 变 压 器 一 次 侧 电 压，励磁变压器二次侧电压 为 。灭磁回路工作流程 正 常 停 机 时正 常 停 机 过 程 中 ，可 控 硅 触 发 角 置 逆 变 角交 流 磁 场 断 路 器 的 选 择 计 算额 定 电

9、压 的 选 取，励 磁 调 节 器 逆 变 ，转 子 能 量 反 馈 到 发 电 机 交 流系 统 吸 收 。当 机 端 电 压 小 于 的额定电压且励 磁 电 流 小 于 的 额 定 励 磁 电 流 ，延 时 后 封 闭 脉 冲 ，然 后 合 上 将 转 子 部 分 剩 余 能 量 转 移 给 非 线 性 灭 磁 电 阻 ，合 上 后 ，再 跳 开 。交 流 磁 场 断 路 器 额 定 电 压的 选 取 应 大 于 可能 出 现 的 的 最 大 值 ，即（） 式 中 ： 为 励 磁 变 压器二次侧线电压最大值 （有 效值）的 倍 数 ，槡；，是根据机端电压最高饱 和 电 压 按 （标 幺 值

10、 ）考 虑 ，励磁变压器二次 侧 电压 最 大 值 应 乘 以 。将 相 应 数 值 代 入 式 （），得 到 。事 故 停 机 时在 发 电 机 事 故 停 机 过 程 中 ，励 磁 系 统 收 到 事 故 停 机 灭 磁 信 号 ，瞬 时 启 动 励 磁 调 节 器 逆 变 ，跳 开，合 上 ，以 及延时启动硬件 封 闭功 率 柜脉 冲 。 在 瞬 时 启 动 过 程 中 ，逆 变 首 先 执 行 ，接 着 跳 开，然 后 合 上 ，之 后 再 跳 开 。如 果 已 经 跳 开 ，直 流 灭 磁 成 功 ，此 时 仅仅起到隔离作 用 ；如 果 没 有 跳 开 ，此 时 调 节 器 已 经

11、封 闭 脉 冲 ，可 控 硅 保 持 原 来 的 工 作 通 态 （类 似 二 极 管 ），励 磁 变压 器 次 交 流 电 压 正 半 波 能 通 过 可 控 硅 进 入 转 子 回路 ，当 合 上 后 ，灭 磁 电 阻 被 接 入 进 行 灭 磁 ，此 时 跳 开 进 行 交 流 灭 磁 。 交 流 电压的负半波被可 控 硅 截 止 ，转 子 会 感 应 出 反 向 电 压 ，当 合 上 后 ，相 当 于 给 转 子 大 电感并联了一个续流电阻 ，使 得 转子 电 流 转 移 到 灭 磁 电 阻 。一 旦 转 子 电 流 流 经 灭 磁 电 阻 ，转 子 能 量 被 灭 磁 电 阻 吸 收

12、 ，整 个 灭 磁 过 程 完 成 ，此 时 跳 开 ，也 仅 起 到 隔 离 作 用 。额 定 电 流 的 选 取交 流 磁 场 断 路 器 的 额 定 电 流 应 能 满 足 励 磁 变压 器 二 次 侧 额 定 电 流 的 要 求 ， 计 算 如 下 ： 槡槡（）式 中 ： 为励磁变压器 容 量 。同 时 ， 应 满 足 以 下 条 件 ： ，（）式 中 ： 为 交 流 侧 电 流 与 整 流 侧 电 流 的 比 值 ，；为 额 定 励 磁 电 流 的 倍 数 ， 根 据同 步 电 机 励 磁 系 统 大 中型 同 步 发 电 机 励 磁 系 统 技 术 要 求 ，发 电 机 应 能 在

13、倍额定励磁电流下 长 期 稳 定 运行 ，故 取 。将 相 应 数 值 代 入 式 （），得 到。因 励 磁 系 统 倍强励的最大时间为 ，是 瞬 间 动 作 ，故 不 考 虑 交流磁场断路器的额定分断电流 设 计 ，选 取。灭 磁 回 路 设 计溪 洛 渡 水 电 站 左 岸 励 磁 系 统 的 灭 磁 回 路 由 交 流 磁 场 断 路 器 、直 流 隔 离 刀 闸 （正 极）、直 流 磁 场 断 路 器（负 极）、 非线性灭磁电阻 、机 械 跨 接 器 等 构 成 。本 文 仅 对 交 流 磁 场 断 路 器 、直 流 磁 场 断 路 器 、 非 线 性 灭 磁 电 阻 的 选 型 进

14、行 阐 述 。溪 洛 渡 左 岸 电 站 发电 机 组 相 关 参 数 如 下 。）哈 电 机 组 ：额 定 功 率 ，额 定 功 率 因 数，额定电压，额定电流；额定励磁电 压，额 定 励 磁 电 流， 为 ；空 载 励磁电压，空载励 磁 电 流 ；励 磁 顶 值电压，励磁顶值电流；励磁变压 器额定容量 ，励 磁 变 压 器 一 次 侧 电 压，励磁变压器二次侧电压 为。）福 伊 特 机 组 ：额 定 功 率 ，额 定 功 率 因 数，额 定 电 压，额 定 电 流；额 定 励磁 电 压 ，额 定 励 磁 电 流，为 ；空 载励 磁 电 压 ，空 载 励 磁 电 流 ；励 磁 顶 值最 大

15、分 断 电 流 的 选 择励 磁 变 压器 副边 相间短路可能出现的短 路 电 流按 以 下 公 式 计 算 ：（） 式 中 ： 为励磁变压器的阻 抗 电 压 。根 据 以 上 计 算 结 果 ，选 用 西 门 子 型 真 空 交 流 磁 场 断 路 器 ，其 额 定 电 流 为 ，额 定电 压 为 ，最大分断电流为 ，均 满 足 上 述 设 计 计 算 要 求 。直流磁场断路器的 选 择 计算 按 照 （）标准的要求对直流磁场断路器进 行 选择 计 算 。额 定 电 压 的 选 取额 定 电 压 是 磁 场 断 路 器 运 行 所 参 照 的 电 压 ，磁，（）场 断 路 器 应 能 在 机

16、 端 三 相 短 路 、最 大 磁 场 电 压 及 空载 误 强 励 等 严 重 灭磁工况下独立 、成功地断开发电 机 磁 场 电 流 ，弧 压 应满足最严重 灭 磁 工况下 的灭磁 要 求。该 参 数 定 义了开关的介电特性 ，磁 场 断 路 器 的 正 常 工 作 电 压 应 小 于 该 值 。按 整 流 单 元 交 流 输入 额 定 电 压 的 峰 值 计 算 ，励 磁变压器副边 峰 值电压 为 ：对 于 哈 电 机 组 ： ， （）对 于 福 伊 特 机 组 ： ， （）事 实 上 ，灭 磁 电阻两端电压和整流桥输出的电 压 不 可 能 同 时 达 到 最 大 ，额 定 最 大 分 断

17、 电 压 大 于 槡 槡 （）整 流 侧 电 压 最 大 值 ，为 ：， （）因 此 ，选 用 的 直流磁场断路 器 的 额定电 压应大 于 。即 可 满 足 要 求 。额 定 连 续 电 流 和 额 定 分 断 电 流 的 选 取按 合 同 规 定 ，直 流 磁 场 断 路 器 的 额 定 电 流 应 不低 于 ，机 端 三 相 短 路 工 况 时 短 路 电 流 满 足 要 求 。依 据 上 述 设 计 计 算 ，直 流 磁 场 断 路 器 选 用 了 瑞士 公 司 的 型 单 断 口 直 流 磁 场 断 路 器 ，其 额 定 电 压 为 ，额 定 短 时 电 压 为，额 定 最 大 分

18、断 电 压 为，额 定 连 续 电 流 为 ，额 定 短 时 电 压 下 的 额 定 分 断 电 流 为，均满足设计计算要求 。 非 线 性 电 阻 的 选 择 计 算 非 线 性 电 阻 灭 磁 残 压 控 制按 照 国 家 标 准 同 步 电 机 励 磁 系 统 大 中 型 同 步 发 电 机 励磁系统技术要 求，灭 磁 残 压 一 般 不 低 于 且 不 高 于 励 磁 绕 组 工 频 耐 压 幅 值。哈 电 机 组励 磁绕 组的工频耐压为 ，则额 定 短 时 电 压 的 选 取额 定 短 时 电 压 是 磁 场 断 路 器 主 触 头 需 要 分 断 转子 短 路 电 流 的 转 子回

19、路最高直流电压 ，要 求 该 电 压 值 不 小 于 转 子 励 磁 电 源 的 顶 值 电 压 。为 了 在 机 端 三相 短 路 时 能 够 切 断短路电流的直流分量 ，要 求 断 路器 具 有 在 短 时 内 承受灭磁电阻反向电压的能力 ，按照 （）标 准 所 给 定 的 短 路 电 流 的 最 大 系 数 ，左 岸 电 站 发 电 机 组 的 最 大计 算 电 流， 及 非 线性 灭 磁电阻的反向电压 ，计 算 如 下 。对 于 哈 电 机 组 ：， ， （） 槡 槡 ， ， （ ） （） （）对 于 福 伊 特 机 组 ：即（） （）， ， 福 伊 特 机组 励磁 绕组的工频耐压 为

20、，则， ， 槡 槡 （） （）因 此 ，直 流 磁 场断路器的短 时 额 定电压 应大于 。（ ）即（） 额 定 最 大 分 断 电 压 的 选 取 非 线 性 电 阻 耗 能 灭 磁 ，目 的 是 为 了 在 发 电机 故 障 情 况 下 快 速 灭 磁 ，避 免 故 障 扩 大 。 励 磁 系 统顶 值 电 压 为 发 电 机额定励磁电压的 倍 ，当 机 端 正 序 电 压 为 额 定 电 压 的 时 ，励 磁 顶 值 电 压 倍 数 也应 予 以 保 证 。考 虑到空载失控误强励情况下 ，整 流桥 输 出 电 压 峰 值 非 常 高 ，如 果 灭 磁 电 压 选 择 过 高 ，对 于 磁

21、 场 断 路 器 的 建 压 要 求 过 高 ，不 利 于 磁 场 断 路 器分 断 磁 场 电 流 ，严 重情况下甚至造成磁场断路器损 坏 。因此，灭磁残压选取为，选择每 组 非 线性灭磁电阻 的 最 大 灭 磁 电 流 为，最 大 灭 磁 电根 据 （）标 准 ，额 定最 大 分 断 电 压 的 计 算 公 式 如 下 ：（） ， 式 中 ：为 励 磁 系 统 直 流 侧 最 高 输 出 电 压 。计 算 时 考 虑 励 磁 变 压 器 二 次 侧 电 压 达 到 最大 值 ，可 控 硅 完全失控时的整流 桥 直流侧电压 。 励磁 变 压 器 二 次 侧 电 压 最 大 值 考 虑 按 倍

22、 额 定 电 压 计 算（考 虑 到 保 护 倍机端电压延时 后 发电 机 的 机 端 电 压 继 续 上 升 ）。 发电控制技术及设备 刘 喜 泉 ，等 溪洛渡水电站左岸励磁系统灭磁回路工作原理及设计 流下的最高电压为，灭磁耗能为。 非 线 性 灭 磁 电 阻 的 能 量 计 算灭 磁 电 阻 的 能 量 通 过 计 算 机 仿 真 的 方 法 计 算 ，发 电 机 在 机 端 电 压 倍 额 定 空 载 强 励 时 能 量 最 大 ， 哈 电 机 组 灭 磁 电 组 耗 能 达 到 ，福 伊 特 机 组 灭 磁 电 组 耗 能 达 到 。 左 岸 电 站 发 电 机 组 灭 磁 能 量 计

23、 算 如 表 所 示 。结 语本 文 首 先分 析了 溪洛渡水电站左岸励磁系 统 灭 磁 回 路 的 工 作 原 理 ，随 后 对 灭 磁 回 路 中 的 交 、直 流 磁 场 断 路 器 、灭 磁 电 阻 的 设 计 进 行 了 分 析 计 算 ，从 理 论 上 证 明 了 设 备 选 型 的 正 确 性 ，但 还 有 待 年 溪 洛 渡水电 站 投 产运 行后 对设备进行实践检验 。参 考 文 献表 左岸电站发电机组灭磁能量计算 同步电机励磁系统 大 中 型 同灭 磁 总能 量灭 磁 电 阻耗 能灭 磁时 间机 组步发电机励磁系统技术要求 （） 哈 电 机 组福 伊 特 机 组梁 建 行 发电机灭磁系统的 分 析 与 计 算 北 京 ：中 国 电 力 出 版 社 ，陈 遗 志 ，许 其 品 ，刘 国 华 ，等 景洪水电厂励磁系统设计 及 应 用 水电自动化与大坝监测 ，（）：袁 亚 洲 ，许 其 品 ，刘 丽 丽 ，等 华能澜沧江小湾电站励磁 系 统 的 设 计 与 应 用 水电自动化与大坝监测 ，（）： 故 选 择 组 非 线 性 灭 磁 电 阻 （），单 组 容 量 （最 大 灭 磁 电 流 ，最 大 灭 磁 电 流下的最高电压