大型水轮发电机组励磁系统设计新理念
— 由三峡机组励磁系统投运引起的思考
清华大学电力系统国家重点实验室兼职研究员
三峡水电厂励磁系统高级技术顾问
李基成
内容摘要
随着三峡水电厂700MW水轮发电机组的批量投运，及时总结、吸收和推广三峡机组励磁系统在调试及运行中取得的宝贵的实践经验，并在今后几年内为即将陆续投运的近200台三峡机组容量级的水轮发电机组励磁系统的设计及选型提供有益的依据和借鉴。
?关键词：三峡机组，静止自励励磁系统，励磁变压器，灭磁
电力系统稳定器
Abstract
As The Three Gorges Power Station’s 700W Hydro-Generator’s operating, to summary the practical experience in time from excitation system regulator and
operating test is became a very important issue. It can be use for reference to choose the large-scale Hydro-Generator’s excitation system.
? This paper presents the design and the practical experience with the Three Gorges Excitation System. Analyze and testify the key technology problem about Static Excitation System. This paper provided a reliable option for the large-scale Hydro-Generator’s excitation system and connection style.
Key words: Three Gorges Power Station, Static Excitation System, Excitation transformer, De-excitation, Power System Stabilizer.
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目 录
?前言
?励磁变压器二次额定电压的选择 ?谐波对励磁变压器运行的影响 ?功率整流柜设计的新理念 ?灭磁系统设计的新理念
?水轮发电机非全相及失磁异步运行时励磁系统的保护?结论与建议
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前 言
?近年来我国的水电建设事业得到了飞跃的发展，以三峡水电厂为特征的单机容量为700MW的左岸14台水轮发电机组已全部投入运行，右岸12台700MW水轮发电机组的装机正在筹建中，预计在2008年前后将陆续投入运行。
?在第十一个五年计划期间，我国将又有一批容量在300MW～700MW之间的水轮发电机组将陆续投入运行。为此，在当前及时总结已投运的大型水电机组励磁系统，在设计及运行中取得的宝贵经验，结合国际励磁控制技术的最新进展，进一步探讨大型水电机组励磁系统在设计及选型方面存在的问题和经验，在当前已成为一项重要而迫切的课题。在本文中将从新的设计理念出发，开拓新思维，扩大新视野，重点对大型水轮机组励磁系统的设计及选型方面一些关键性技术问题进行 分析与探讨，并期望文中的结论和建议，在优化励磁系统性能及提高运行可靠性方面有所裨益。
1. 励磁变压器二次额定电压的选择
当前，在一些世界级的大型水电厂中，诸如巴西－巴拉圭的伊泰普、委内瑞拉的古里（Ⅱ）、俄罗斯的萨彦－舒申斯克等的机组中以及我国已投运的三峡水电厂容量在700MW左右的主力水轮发电机组中，均采用了自励励磁方式。在大型水轮发电机组中，采用自励励磁系统已成为主流。下面就此励磁方式选择方面存在的一些关键性课题作一简要的论述： ?（1）阻容缓冲器的选择?
众所周知，在自励励磁系统中，励磁变压器二次额定电压（以下简称阳极电压）的选择取决于强励顶值电压的倍数，顶值电压倍数越高，阳极电压值也越高。另一方面，接在励磁变压器二次绕组侧的功率整流桥中的可控硅元件，在换相中的能量经由与整流元件并联的R-C阻容缓冲器旁路并予以消耗，存储与消耗能量之间应达到平衡并有一定的吸收容量储备，否则将导致吸收换相能量的阻容元件被烧毁，进而引起整流桥相间短路等严重事故的发生，这类事故在国内水、火电厂中曾多次发生。由阻容阻尼器吸收的能量，根据美国西屋公司推荐的计算表达式为（1.1）
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（1.1）式中：c :阻尼器中电容值（F）,f-电源频率（Hz）， u -励磁变压器二次额定线电压（V） 。由式（1.1）可看出，阻容阻尼器吸收的换相磁场能量与外加电压的平方成正比，如取值为1000V及1243V（三峡机组励磁数据），此时由阻尼器吸收的能量比将为（1243）2/（1000）2＝1.545倍。
由此可见，励磁变压器二次侧的阳极电压越高，与整流元件并联的吸收换相能量阻尼器的容量也越大，而且其容量与励磁变压器二次额定电压的平方成正比，一旦换相阻尼器吸收容量小于所产生的换相能量，将引起整流柜相间短路的严重事故。在许多大型水电机组励磁系统的标书中，常常多的是片面强调强励顶值电压倍数的高参数，而很少认识到由此引起的危及到励磁系统安全运行的后果，这类教训，不乏其例。(完全同意李老师的看法，励磁阳极电压现在越来越高，其负面的影响也越来越多。现场工作人员已经都没有仪器测阳极电压及其波形。
令人欣慰的是，现在已经有700MW机组的励磁阳极电压只有800V左右的好局面，西北勘测设计院在这方面作出突破性的改变。
说到励磁阳极电压，李基成老师和我们，对于三峡右岸电厂12台机采用一个厂家的励磁设备，竟然设计三种励磁阳极电压感到大惑不解。李老师对于这个问题曾专门向有关方面置疑，并强烈建议统一三峡电厂右岸电厂的励磁阳极电压。
诚然，三峡右岸电厂12台机组，由三个主机厂家设计制造，各个厂家的励磁参数不一样，但都是700MW机组，统一成一种阳极电压没有技术难题。一个电厂3种阳极电压，会造成励磁变不一样、同步电压变不一样，备品备件更加多。如果说：三峡左岸电厂14台机由于是两家国外提供主机且提供励磁参数，难以协调造成14台机一种励磁设备两种阳极电压，那么右岸的12台主机主要由国内提供，从协调上、技术上等各个方面，就没有理由搞成3种阳极电压。
一个电厂一种励磁装置3种阳极电压，真的有必要吗？，如果有将创一种新的配置模式，但我担心会成为一个技术笑话。如果历史证明这是一个错误选择的话，管理者、设计者、制造者、使用者都有责任，但最大的责任是设计单位的不作为以及技术上的放任自流。强行统一阳极电压，各机组的励磁参数不变，只是
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强励倍数有一点小变化，各台机组的空载控制角不一样而已，决不影响安全运行。如果搞励磁设计连这么一点主张都不敢，那我们完全不需要设计院，直接由励磁厂家设计制造即可）
（2）整流桥尖峰过电压的影响?
整流阳极电压，即励磁变压器的二次额定电压取值越高，在额定状态下整流器将处于控制角α值较大的深控状态，由此引起危及整流元件安全运行的尖峰过电压也越高。从运行角度出发，期望对阳极电压的选择在满足电力系统稳定要求的同时，应兼顾到上面提及的影响和危及到励磁系统安全运行的各种因素。从目前我国引进机组的励磁设备运行来看，当整流桥阳极电压超过1000V可认为已进入高参数范围。（非常高兴看见拉西瓦励磁阳极电压只有800V左右，曾经多年呼吁降低励磁阳极电压的励磁专家深感欣慰）
当前，就大功率可控硅中整流元件应用水平来看，用于三峡机组励磁系统中的可控硅元件最高反向重复峰值电压为5200V，可认为是-高参数元件。
另按我国水电机组励磁系统标书编制准则，可控硅元件所能承受的反向重复峰值电压应该不小于2.75倍励磁变压器二次侧最大峰值电压，依次可求出在采用上述反向峰值电压为5200V元件条件下，允许的励磁变压器二次电压有效值为:U=5200/(2.75X1.414)=1337V 。对三峡右岸阿尔斯通机组而言，其励磁变压器二次额定电压已应用到极限值。
（三峡7F励磁阳极过电压波形实录，过电压的尖峰几乎同阳极电压的峰值一样，这就是实例。）
为此，在选用励磁系统强励顶值电压倍数时应兼顾考虑到功率整流元件承受
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