摘要：励磁系统是交流发电机中最重要的组成部分之一，对于电量品质有着至关重要的作用。乌江渡发电厂原用的南瑞SAVR2000型励磁调节器由于运行时间较长，缺陷日益增多。新换型的NES5100励磁调节器提高了调压精度和控制计算调节周期，整体性能具有明显的进步，操作更加人性化。
关键字：NES5100型励磁系统；优越性；应用
1 前言
励磁系统性能的好坏和运行的可靠性，直接影响同步发电机的安全稳定运行。乌江渡发电厂二号厂#5机原使用的为南瑞SAVR—2000型励磁调节器，该系统从2003年扩建时投入使用至今已达10年之久，已达到设备换型改造时间，且该设备缺陷日益增多，多次出现升压失败、同步变烧坏、阻容吸收电阻损坏、双位置继电器损坏、初励回路整流桥烧坏等故障情况，且元件损坏后因元件安装位置特殊造成元件更换困难，给机组的安全生产造成隐患。由于以上原因，通过改造换型为南瑞NES—5100型励磁调节器，该套产品已在多个厂家安全稳定运行，属于成熟产品，安全可靠性得到充分验证。
2 励磁系统
乌江渡发电厂励磁系统目前采用的是自并励式励磁系统（见图1），共配置 6台装置，包括NES调节器 1 台、FLZ可控硅整流装置 3 台、 FLK灭磁开关柜 1 台、FLR灭磁电阻柜 1 台。与SAVR-2000励磁调节器相比，NES5100励磁调节器的性能指标全面胜出（详见表1）。
图1：自并激励磁系统示意图
表1：励磁系统性能对比表
2.1 励磁调节器的的作用
NES5100励磁调节器采用微机作为硬件载体，通过比较测量反馈值与参考值的误差，计算出控制电压，经限制环节、转子电压反馈产生晶闸管的控制角，输出触发脉冲。当机端电压高于给定值时，增大晶闸管的控制角，减小励磁电流，使发电机机端电压回到设定值；当机端电压低于给定值时，减小晶闸管的控制角，增大励磁电流，维持发电机机端电压为设定值。调节器A、B通道分别从发电机出口的 2号、3号互感器接入。主要硬件包括CPU板、系统电源板、模拟量板、同步电压板、开关量板、脉冲放大板，实现模拟信号采样，并根据采样结果及开关量输入信号逻辑产生控制脉冲，经逻辑判断程序实现开关量信号输出、双套切换等核心控制功能。
励磁调节器的主要功能是精确快速地调节同步发电机的机端电压和无功功率。励磁调节器控制周期为 3.3 毫秒。它不断地将给定值与反馈值进行比较，然后进行调节计算，最终去改变可控硅整流器的触发角度。另外作为计算机类产品，NES5100 励磁调节器还具备实时故障诊断和容错、智能调节及辅助分析、信息网络化等功能。
2.2 主要功能
2.2.1 励磁调节功能
调节器配置为双控制单元数字式励磁调节器，双控制单元从电源、输入到脉冲输出各个环节均完全独立的配置。每个控制单元包含自动调节（AVR）、手动调节（FCR）两种调节方式。通道间相互备用，相互闭锁，当一个控制单元故障后，自动切换到备用的控制单元，控制单元之间相互自动跟踪且保证切换无扰动。
软起励是励磁系统升压方式之一，主要用于发电机的启动控制。当励磁调节器接收到开机令后即开始起励升压，机端电压大于10%额定值后，使调节器以一个可调整的速度逐步增加给定值，使发电机电压逐渐上升直到设定值。从试验结果看，软起励可以在 10s内完成起励磁，而其电压超调量可以小于1%，甚至更低。因此，软起励不仅可以减小发电机启动升压时的电压超调，保护绝缘，而且能有效降低转子电流的冲击。
2.2.2 限制功能
大型水轮发电机对限制及保护功能的要求更高。限制器的目的是给定限制边界，确保在未达到不稳定区域前予以干预，维护发电机的安全稳定运行。
限制功能分为以下两种：
(1)欠励限制。发电机欠励反映在各个电气参数量中，主要表现为：励磁电流低、进相深度大(容性无功功率大)和定子电流增大。为防止发电机进人不稳定运行区域或者发电机端部和压齿发热等，保证发电机安全运行，针对反映欠励的主要电气量采取相应的限制手段，用 P/Q(有功功率／无功功率)限制来实现。发电机实际运行范围比发电机安全运行 P/Q限制范围要小得多，以保持足够的安全裕度。该发电机经进相试验，综合发电机机端电压、厂用 6kV、400V母线电压及功角等边界条件，实测参数后整定的无功欠励曲线为五点折线，用五个无功功率值对应五个有功功率水平来设定限制曲线（见图2）。图中OABCDEF 围成的区域为进相允许范围，发电机正常运行到达 P／Q曲线图ABCDEF边界时，欠励限制动作过程为：装置实时检测发电机有功功率和无功功率，根据点与直线位置计算，判断实际允许点离欠励限制曲线的远近(模值)和内外 (符号)，当运行点越过欠励限制曲线，装置即以无功功率作为被调节量之一进行调节，调节偏差即为运行点至欠励曲线的距离，增加励磁使发电机运行点回到安全允许区域。
图2：欠励P/Q曲线
(2)过励磁限制。发电机过励磁主要表现为：励磁电流高、无功功率过负荷和定子过电流，为保证发电机安全运行，针对反映过励磁的主要电气量的限制手段有：励磁过电流限制、瞬时强励限制和 V/F(电压／频率) 限制。励磁过电流限制主要用来防止转子回路过热。当系统电压较低时，发电机输出无功过大，发电机励磁电流超过其最大允许长期连续运行电流，必须对励磁电流进行限制，防止长时过流导致过热损坏发电机励磁绕组。励磁过流限制动作过程为：当励磁电流超过励磁电流过流反时限启动值时，装置进行热量累积计算，当热容量超过磁场绕组允许热容量时，限制动作，将发电机励磁电流调节至长期运行允许值。
V/F限制：发电机运行时，发电机端电压与频率的比值有一个安全工作范围，当 V/F比值超过安全范围时，容易导致发电机及主变过激磁和过热现象；因此，当V/F比值超出安全范围时，必须限制发电机端电压幅值，控制发电机端电压随发电机频率变化而变化，维持 V／F比值在安全范围内。该厂V/F限制定值取1.06为安全运行范围，大于1.06时，V/F限制开始动作；空载机组频率小于45Hz时，调节器直接逆变灭磁。
2.2.3 PSS功能
电力系统稳定器（PSS）是励磁调节器的一个标准功能。PSS 的目的是通过引入一个附加的反馈信号，增加弱阻尼或负阻尼控制系统的正阻尼系数，以抑制同步发电机的低频振荡，提高发电机组（线路）最大输出能力，有助于整个电网的稳定性。PSS 的控制算法是以 IEEE Std 421.5-2005 中 PSS2B 为基础的。NES—5100 励磁系统调节器中 PSS 附加的反馈信号为机组的加速功率（由电功率信号和转子角频率信号综合而产生的）。
2.3 FLR灭磁电阻柜中的过电压保护
发电机的灭磁采用两种：逆变灭磁和跳灭磁开关灭磁。灭磁装置在发电机正常或故障情况下能可靠动作灭磁。FLR灭磁电阻柜由过电压保护、起励回路组成。
过电压产生原因：雷击、操作、换相、拉弧、失步、非全相合闸等造成，主要在励磁变二次侧和转子侧，即整流装置的交流侧和直流侧。针对交流侧可以采用阻容、非线性电阻、阻断式阻容等抑制；直流侧可以采用阻容、非线性电阻、跨接器。
抑制方法：（1）采用换相阻容吸收，抑制可控硅整流桥的交流侧、换流、反向恢复的过电压；（2）直流侧在灭磁开关转子侧放置一套过电压保护装置，过电压保护主要是抑制能量比较小的瞬间过电压，抑制非全相运行和短时异步运行过电压。
过电压保护装置包括机械跨接器、电子跨接器、非线性电阻。当灭磁开关FMK合闸状态时，机械跨接器在分，事故时采用断开灭磁开关FMK并投入非线性电阻的灭磁方式，FMK在分，机械跨接器、电子跨接器合上，整个回路中非线性电阻既作为转子过压的浪涌电压抑制装置，又作为灭磁电阻消耗能量。
乌江渡发电厂使用的非线性电阻是碳化硅电阻，同氧化锌电阻都可以作为发电机转子的灭磁电阻，并且应用都很广泛。国外励磁装置大多采用碳化硅灭磁电阻，而国内水电厂励磁装置都采用氧化锌灭磁电阻。其特点主要有以下几个方面：（1）非线性系数大，其非线性特性较之氧化锌电阻要差，更适合与灭磁。（2）碳化硅电阻氧化锌电阻较氧化锌电阻的漏电流要大，因此，非工作状态下的碳化硅电阻较氧化锌电阻所消耗的功率要大许多。（3）碳化硅电阻每片容量比高能氧化锌电阻大，再加之二者非线性特性的差异，因此，组装同样一套灭磁阀片，碳化硅电阻较高能氧化锌电阻数量少且配片要求不那么高。
2.4 可控硅整流柜的结构
FLZ-2200：三相全控桥，单桥运行，单柜输出为 2500A，冷却为双风机DRAD 279-4S,双电源供电。供电方式：通过调节器经柜间电缆供电。
可控硅的保护主要有：串联的快速熔断器，交流侧的阻容吸收电路，各桥臂的换相阻容吸收电路。采用换相阻容吸收方式，可有效抑制过电压的瞬间振荡和高频电流、使过电压的波形变缓、陡度和幅值降低。再加上电阻尼作用，使低频振荡迅速衰减。
整流装置柜采用强迫风冷方式，每个整流装置柜有两台风机，正常运行时1台风机运行，1台风机备用，整流柜温度达到50℃时启动备用风机。每个整流装置柜上的显示器可对整流柜输出电流、电压及熔断器（6个快速熔断器指示灯）进行监视。当一组整流装置柜故障时，其余两组仍能满足各种运行工况的要求；当两组整流装置柜故障时，满足正常运行的要求，限制强励。
3 操作运行注意事项
3.1 机组零起升压操作
机组第一次起动或大修之后一般需要采用零起升压方式，运行人员在操作前必须检查励磁调节器已设为电压闭环控制方式，退出软起励功能，通过就地减磁按钮将励磁调节器电压给定值设为10%Un。如不进行上述操作，一旦在调节器柜上按下“就地开机令”，AVR将自动于20秒内将发电机端电压提升到100%Un。
NES5100型励磁系统的静态励磁装置采用两种起励方式：机组残压起励和外部辅助电源起励。第一次起动机组残压不足，必须利用直流他励电源起励，直流电源来源于机组交直流馈电盘。手动零起升压，调节器于5秒内将发电机端电压提升到初始设置值10%Un，通过点击就地增磁按钮使机端电压升高至25%Un、50%Un、75%Un、100%Un，完成整个试验。
操作过程中，运行人员应密切监视发电机励磁电流、励磁电压和定子电压不超过额定值，应有专门运行人员守在灭磁开关处。若定子电压急剧上升，同时按下励磁停机按钮无反应时，灭磁开关处的监视人员应立即跳开灭磁开关，避免事故扩大，烧坏励磁绕组。
3.2 #5机无功进相监视要点
由于电网系统无功过剩现象突出，当系统有功负荷较轻（春节期间尤其更为明显）导致贵州北部电网电压较高，为避免电网无功过剩，系统电压过高现象，使得并入北部电网的运行机组大多处于进相运行工况，从系统吸收部分无功，满足系统电压质量要求。#5机组会经常进入进相运行工况，机组有功分别为0、200、250MW的工况下，对应进相无功最高能达到50、50、40Mvar，限制原因为机组厂用电压低至365V，威胁厂用电动机的安全运行。
机组进相期间，运行人员应加强监视：调节器的限制器是否动作，发电机定子电压是否过低，无功功率是否稳定，现场三台功率柜输出电流是否平衡等情况。
4 新设备的优越性及存在的不足
4.1 新设备的优越性
相对于老式的SAVR—2000型励磁系统，NES5100型励磁系统在灭磁系统中加入了跨接器的使用。励磁系统的电子跨接器与机械跨接器采用并联接入方式，在灭磁开关进行分闸灭磁之前由跨接器回路将线性灭磁电阻接入，有效释放发电机转子回路磁场能量，延时两秒灭磁开关跳开，其中跨接器回路就并联接在发电机转子两端。电子跨接器电源回路串联接入灭磁开关辅助接点形成反措，避免机组正常起励或者机组正常运行时跨接器如果发生误导通的问题。
功率柜的故障信号主要有：风机停风，主回路熔丝断，功率柜故障等。主回路熔丝断故障信号是根据功率柜主回路 6 只与 SCR 串联的任意一个熔断器熔断指示器动作情况而发出的。整流柜的柜门外侧显示屏上直接显示了6个快速熔断器指示灯和整流柜温度，能帮助运行人员更快的发现设备故障点。增、减磁接点具有的防粘连功能也避免了运行人员对调节器误操作的可能性。
4.2 NES5100型励磁系统存在的不足
励磁系统中并列运行的可控硅整流柜需要有良好的均流系数，才能保证整个励磁系统的长期可靠运行。电力行业标准DL/T583、DL/T650、DL/T843均规定功率整流装置的均流系数一般不小于0.85。目前采用可控硅参数匹配，交直流侧进出线匹配等措施来满足均流系数的要求，该厂2013年初#5机组投运后，励磁系统的均流系数为0.914，大于行业规定标准。但是在当前励磁系统普遍存在智能均流功能时，已显得NES5100励磁系统在此点的不足。而广州擎天EXC9100型励磁系统则引入了智能化均流技术，使功率柜均流系数满足标准要求。
5 结束语
自2013年投运以来，#5机励磁系统运行稳定，工作可靠，调节平稳，功能齐全，操作简单。机组多次停机时励磁调节器均成功实现了逆变灭磁，性能良好，确保了发电机转子回路免受过电压的冲击，是目前较理想的微机励磁调节装置，大大提高了机组的安全运行水平和供电可靠性。
参考文献:
[1] 《水轮发电机组值班》(上下册)，中国电力出版社，2002.
[2] 樊俊，陈忠，涂光瑜．《同步发电机半导体励磁原理及应用》[M].北京：水利电力出版社，1991.
[3] 宋志明，李洪战．《电气设备与运行》[M].北京：中国电力出版社，2008.
作者简介: 令狐娇龙（1988-2-3），男，贵州遵义人，助理工程师，从事水电站运行工作。
论文作者:令狐娇龙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/19
标签：励磁论文; 发电机论文; 调节器论文; 过电压论文; 端电压论文; 系统论文; 电阻论文; 《电力设备》2018年第17期论文;