探讨大型水电机组励磁变压器的设计特点

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摘要：大型水电机组励磁系统主要由励磁变压器及交流阳极开关、励磁调节器、晶闸管整流装置以及灭磁及过电压装置等部分组成。低压同期接线情况下，励磁变压器从主变压器低压侧即换相开关上侧引出，励磁电源相序始终与电网相序一致，不存在换相问题。由于水电机组在做发电机和电动机运行时转子旋转方向是相反的，为实现双向旋转，要求机端相序能够调换，这在电气主接线上由五极换相开关实现。

关键词：大型水电机组；励磁变压器；设计；工况

【分类号】：TV734.2

一、与常规励磁系统相似运行工况的特点分析

1.发电工况

当大型水利机组作发电机运行时，励磁调节器不需加人初励直接触发整流脉冲输出励磁电流。励磁系统根据系统要求保证电压恒定和提高系统的稳定性，采用恒电压调节模式，调整发电机的端电压和无功功率。特点分析：发电工况对于大型水利机组与常规机组都存在，运行状态基本相同。但也存在不同之处。当前常规发电机组励磁方式大多为自并励系统。而大型水利机组励磁系统接线方式与自并励系统相似，主要区别在于励磁变压器。自并励系统励磁变压器是在机侧，而大型水利机组励磁变压器是在网侧，即励磁变压器接在主变压器低压侧。抽水蓄能励磁方式可以看成他励但又区别于一般他励。另外，抽水蓄能励磁系统发电工况运行时，不需另外提供初励电源。

2.电制动工况

大型水利机组是电力系统中最具有灵活性的调节设备，为此机组启动和停机频繁。如果在停机时采用传统的机械制动的方法将加速制动部件的损坏和消耗。电气制动是水轮发电机较为理想的制动方式，其最大的优点是制动转矩大，可以有效地缩短机组减速的时间，满足工况迅速转换的要求。特点分析：大型水利机组一次接线，励磁变压器连接在主变压器低压侧，机组停机时变压器依旧带电奋当需要投电气制动时，只需要合上短路开关同时投人励磁设备，利用励磁晶闸管整流元件提供制动所需要的励磁电流。

3.黑启动工况

大型水利机组还具有一个重要功能即事故备用的功能，所以机组还存在黑启动工况。黑启动时，在系统侧失电的情况即励磁系统励磁变压器失电情况，励磁通过自并励方式启动，先通过厂用蓄电池组提供初励电源启动机组电压到达10%后，励磁投人脉冲整流柜工作通过自并励方式维持机端电压，然后逐步增加电压给定，将电压升到正常运行范围。特点分析：黑启动工况与常规机组的自并励启动相似，但其启动时是带着主变压器和线路进行升压。

另外，还需配置一路专用给励磁初励的黑启动电源。

二、大型水利机组特有工况分析

1.SFC启动工况

SFC通过控制输出到发电机定子的电流频率，逐步将发电机从静止状态拖动到同步转速并完成并网。对于励磁设备来说，只是接受变频器的一个控制信号，因此在控制流程上没有特殊的要求，直到机组启动完成并网励磁系统自动转人电压控制模式。然而在变频启动初始阶段，机端感应电压的大小由励磁电流的变化速度决定，因此要求励磁设备对励磁电流的响应速度要快，否则可能因为转子位置的不理想造成变频启动无法实现的情况。

2.背靠背启动工况

背靠背启动工况是两台机组的定子通过拖动机组的负荷开关及拖动刀闸用母线连接起来（两台机组定子的机端相序要保证不一致以确保发电机和电动机转子的旋转方向不一致），并分别投人各自的励磁系统。逐渐开启水轮机的导叶，让发电机的转速逐步升高，转动起来的发电机将产生的低频电流加到电动机的定子上，电动机在同步转矩作用下跟随发电机逐步升速。当电动机的转速到达额定值后，断开发电机的负荷断路器，闭合电动机的负荷断路器。闭锁发电机的励磁系统，大型水利机组进人电动机工作状态。作为拖动机组的运行工况称为背靠背发电工况又被称为背靠背拖动工况，即该工况机组负责拖动另一台被拖动机组。其励磁控制方式为电流闭环，其通过电流闭环将转子电流一直控制在给定值。

3.电动机工况

当监控发出抽水令后，机组蜗壳排气后，打开导叶机组进人抽水状态。电动工况运行时，一般导叶为全开，其运行抽水功率为满负荷运行，功率无法调整。在该工况时，励磁可采用电压闭环方式运行也可使用恒功率因数方式运行。该工况下，因为换相开关将机组AC相与电网的AC进行了调换。励磁定子电压及定子电流采样的Tv和TA相序也发生变化，所以如果采用交流采用方式时，采样程序内部需进行相应的相序调换。

三、励磁变压器的设计特点

1.谐波电流

对三相桥式6脉2.1.1 励磁变压器的负载为整流器，是产生谐波电流的主要原因。波整流负载而言，根据傅里叶级数分析在谐波电流分量中不含偶次谐波以及3和3 的倍数的谐波，由此，谐波电流的次数应为 5、7、9、11、13、17、19、23、25 等。

2.谐波电流的影响

1） 由谐波电流引起的附加损耗，通常使总损耗增加8% 左右。2） 由集肤效应引起的附加损耗，通常使总损耗增加6% 左右。3） 涡流损耗的不均匀分布致使励磁变压器产生局部过热并形成热点。为降低谐波电流的影响，在进行励磁变压器设计时可采用铜箔或铝箔代替实心导体，增加高低压绕组间的距离以及在设计绕组风道时作特别的考虑。根据 IEC146对谐波电流限制的规定，相应数值如表1所示。

四、结束语

大型水利机组相对于常规发电机组运行工况多，转换频繁。需要相关的励磁设备具有较高的可靠性的同时还需具备针对各种工况运用相应的控制策略。本文根据多个大型大型水利机组励磁系统的电气设计、现场试验及投运经验，分析了大型水利机组励磁系统与常规机组的区别和机组工况运行特点，并研究了励磁变压器的设计特点。

参考文献：

[1]郭自刚，陈俊，陈佳胜，严伟，沈全荣.大型水电机组保护若干问题探讨[J].电力系统保护与控制，2011，03：148-151.

[2]赵小莹，廖虹炜.发电机励磁变压器几个关键问题的分析[J].变压器，2011，06：49-52.