(广东粤电枫树坝发电有限责任公司 广东河源 517300)
摘要：本文以励磁系统为研究对象，简要介绍了励磁系统的相关概念，并且以工程视角展开励磁系统的设备选型探讨。在选型探讨中，介绍了励磁系统的功能、选择理念、励磁变压器的确定方式、灭磁方式的确定方式以及灭磁开关的应用，尝试为其他水电站选择励磁系统设备提供理论基础。
关键词：励磁系统；灭磁开关；水电站
引言：励磁系统的组成元件：调节柜、功率柜、灭磁柜。其中调节柜型号为EXC-9100，同步变压器型号为YSC-0.5/0.75，同步变熔断器型号为RS4 40A/1000V；灭磁开关规格为AAB/E2N/2000A，起励整流二极管规格为PSKD95/96，反向灭磁整流管规格为1900A/3000V，等。
1工程信息
1.1励磁系统
励磁作为一种提供磁场的设备，磁场需求方以发电机为主，供磁形式为：定子电源。在水电站工作区域中，励磁设备占据着较为关键的位置，成为水电站颇具重要性的基础设施。励磁设备的组成元素中，灭磁装置与调节器较为关键。调节器的运行时，有助于提升相关设备的运行状态，使其稳定与安全。
1.2工程概况
枫树坝水电站，位于珠江流域东江上游距县城老隆镇65 km，是一个具有发电、航运等综合效益的水利枢纽工程。水库集雨面积5150平方公里，总库容19.4亿立方米，有效库容12．5亿立方米，属不完全年调节水库。水电站中采用了水轮发电机组，装机容量=2×10MW，励磁电流不小于570A，发电量的平均值为每小时12万kW。水电站的电压等级为220kV。
2水轮发电机组励磁系统设备选型方案
2.1功能阐述
励磁系统的应用功能：励磁电流的调整，参考发电机负荷，以此维护极端电压稳定性，给予其固定值设置；保持同时运行发电机间具有的无功功率，并给予正确分配；有助于增强发电机静态稳定性与暂态稳定性，使其在运行期间具有稳定的应用状态，提升励磁应用效果；在电机内部发生故障时，灭磁措施有助于减少电机故障带来的经济损失；依据相关要求的规定，为发电机设定励磁的上下限。
2.2选择理念
（1）它励：指由同步发电机外部电源，给予其供磁，为发电机供磁的励磁系统，其中的电源装置，直流、交流均可。励磁设备与发电机处于同轴位置，由原动机给予其运行动力。
（2）自励：水电站采用的励磁系统为自励。此系统从发电机中获取能量，借助励磁变压器，为发电机组提供交流电源，经功率柜全控，将电源输入转子线圈，形成旋转磁场，定子线圈在对磁力线实施切割时，将其制成感应电压，经励磁调节器调整，良好控制励磁电流，以此实现控制机端电压的目标。旋转励磁系统，其内部的旋转部分，具有高发事故性质，在自励系统中剔除了旋转部件，减少了励磁设备运行故障的发生，具有较高的应用稳定性，此系统采取的是n+1结构，故障元件实现了在线更换，以此减少系统停止运行的可能性。自励系统在运行期间，对运维相关要求较少，为系统运行稳定与安全提供了保障[1]。
2.3励磁变压器的确定方法
（1）励磁变压器规格有：三相、分相。结合工程对励磁变压器的需求，枫树坝水电站应选择三相设计，以此促进励磁变压器配合于离相封闭母线，减少发电机出口发生短路事件，以此提升发电机组运行的稳定与安全。
（2）假设工程中所应用的励磁变压器，其二次电压为U2n、容量以Sn表示。计算依据：1.1倍额定励磁电流时，发电机具有持续性运行能力，并具有裕度；发电机所具有的极端电压，在额定值80%时，为发电机输送两倍电流；控制角的最小值为x=10度。
变压器U2n计算方式为：①U2n=（2Ufn+△Ut）/（1.35×0.8×（cosx-CXt（Im/In）））；关系式中Ufn作为发电机额定电压，固定值为655V；△Ut作为电流压降，包括可控总数、电缆等；△Ut取值为6V；C作为倾斜程度，设定C=0.5；Im/In，表示的是强励时产生的二次电流/额定电流（1190A），Im/In=2；Xt表示的是变压器漏抗，设定值为0.06；cosx设定系数为0.98。将系数代入公式①，U2n=（2×655+6）/（1.35×0.8×0.98）=1316V，取值为1320V，即U2n=1320V。
（3）Sn计算：公式为Sn=1.1×3×U2n×0.81Ifn=1.1×1.732×1320×0.81×1190=2424（kVA）。枫树坝水电站变压器的应用方式为：数量为2，容量规格为150000kVA，设计为三相油浸式，励磁变压器容量值为2424kVA，裕量[0.5，1]，%。
2.4灭磁方式的确定方式
励磁操作应在发电机运行期间。当发电机暂停运行、处于检修等状态时，应采取励磁控制措施，将其减小，保证发电机内部的磁通为0，控制励磁的过程称为灭磁。灭磁操作应以安全稳定为原则，安全性包括励磁系统与电力系统。灭磁技术依赖于三相全控电路得以发展，灭磁方式包括：灭弧栅、电阻。枫树坝水电站的灭磁方式为电阻[2]。灭磁程序：
（1）通常情况时，采取逆变灭磁方式，指远程发出指令，将调节器开关设置为“逆变”，如若手动调整，应保持“逆变”设置至少5秒，直至电压降=0，再将其调回“整流”。逆变灭磁条件：发电机处于解列状态、定子电流不大于10%。
（2）在发生故障时，借助切脉冲方式，启动灭磁开关。在灭磁柜操作平台中，F1可调出灭磁操作系统，可实施分/合闸两种操作。当灭磁开关收到关闭指令时，跳闸指令可有效控制励磁系统运行，起到灭磁效果。
2.5灭磁开关的应用
灭磁开关作为励磁系统中具有控制功能的设备，对技术要求较高，在一定程度上为励磁系统维修提供给了便利。针对直流励磁规格的发电机而言，合闸灭磁开关，即励磁系统运行，分闸灭磁开关，暂停励磁系统。在励磁系统停止运行期间，开展检修程序，励磁装置应与发电机转子采取双极隔离断开措施，相互隔离，独立运行。磁场断路器的电流计算方式为：IR＞1.2×IFN=1.2×1190=1428（A），为此工程在选择灭磁开关时，其额定电流应大于1428A，选择的规格为2000A，并设置裕量。
2.6起励回路
（1）工程中的水电站机组起励方式有两种，包括直流与残压。
（2）起励电源的供给源为：220V电站。
（3）超励单元的触发技术为快速脉冲脉冲式触发，起励方式为残压。在起励期间，硅整流器具有可控性，并在输入端供给电压至少5V，使其处于运行状态。如若电压不足5V，硅整流器极易进入二极管工作状态，试图将电压调整至5V。
（4）如若在5s内，起励发生失败，开启起励回路程序，机端电压=10%发电机电压，回路退出。
（5）如若多种起励措施同时失败，即起励指令10s内尚未成功建压，或机端电压＜10%发电机电压，此时回馈起励失败信息。在反馈失败信息前，应检查调节器开机状态。
（6）起励电源中，直流方式采用的是蓄电池，并在灭磁电阻柜内部安装起励器件。
结论：综上所述，国内大部分水电站配置了励磁系统设备，然而，在实际运行期间，存在诸多不理想的问题，究其原因在于技术水平不足、设备选型不科学等。为此，加强设备选型，使其良好应用于水电站工程中，以此保障发电机组运行安全与稳定。
参考文献：
[1]张海宏,肖金磊.大型水轮发电机组发电机转子测圆方法浅析[J].水电站机电技术,2019,42(09):1-3+70.
[2]黄小川,唐容文,何兴磊.大型水轮发电机组励磁系统设备选型探讨[J].四川水力发电,2018,37(02):36-38.
作者简介：邱竟超（1993.10-），男，广东河源人，华南理工大学广州学院本科学士，研究方向:电气工程及其自动化。