文：缘一说

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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，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。

由此针对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

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环氧浇注干式励磁变压器

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

。

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，在铁芯中将会产生各高次谐波磁通，铁芯会加快进入饱和状态。

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

1.52T

以下。

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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。

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CY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。

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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。

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。

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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。

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1：1.5倍的基波电流值进行了温升试验，其部分测试结果见表２。

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表1：副边电流谐波频谱

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。

该技术填补了国内大型励磁变压器空白，改变了当时MW以上水轮发电机励磁变压器基本采用进口设备状况。

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表2：励磁变压器损耗及温升试验结果

交直流冗余灭磁系统

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。

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交直流冗余灭磁系统方案见图10，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（S）和交流磁场断路器（S），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。

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图10：交直流冗余灭磁系统方案

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点启动，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。

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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。

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。

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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。

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。

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。

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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）。

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。

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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。

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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。

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。

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，切脉冲的投入时间应考虑到对逆变的利用。

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应用及效果

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，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0.3s动作跳闸，启动灭磁。

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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。

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。

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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。

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图18：发电机空载特性

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，表３的数据表明这种计算方法是准确和有效的，满足工程计算的要求。

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表3：空载灭磁过程计算与真机灭磁录波过程数据

封闭环境下整流柜冷却技术

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。

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图20：封闭环境下冷却方案示意

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。

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。

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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。

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。

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结语

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。

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。

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。

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。

参考文献

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[2]大型机组低负荷运行对末级叶片损害的主要原因和改善措施.许奕敏.青海师专学报.教育科学,

[3]在大型机组上应用分散型控制系统的探讨.施用昉.电力建设,

[4]大型机组20Hz定子接地保护动作分析.熊章学;徐立明;燕刚;张红跃;耿继伟;左晓宁;王世鹏.电工文摘,

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