罗远旺，郭文峰，罗泽文，张铁平

(中国长江电力股份有限公司白鹤滩水力发电厂，四川 宁南 615400)

某大型水电站位于中国西南地带金沙江下游峡谷河段，该电站的水轮发电机组均配置一套由国电南瑞公司生产的第四代NES6100静止晶闸管三相全控桥式整流的发电机自并励励磁系统。

励磁系统作为水轮发电机组控制系统不可或缺的组成之一，对保障发电机以及电力系统安全稳定运行起到了非常重要的作用[1]。而目前水轮发电机组单机额定容量在不断突破，也导致励磁系统电压、电流的增大，所以对发电机的灭磁技术及可靠性有了更加严格的要求，因此灭磁系统控制技术显得愈发重要[2]。目前大多数电站采用的灭磁控制技术为励磁调节器逆变及机械跨接器投入灭磁电阻来实现，在电站实际运行过程中，曾多次出现灭磁失败导致重大事故的发生[3]。本文探讨的该大型水电站励磁系统采用辅助逆变器及电子跨接器为组合的灭磁控制新技术，能极大提升灭磁的可靠性。

1 灭磁设备与灭磁回路

灭磁装置应保证包括发电机空载灭磁、发电机甩额定负荷灭磁、发电机空载误强励以及机端三相短路等事故工况下快速、可靠灭磁[4]。该电站发电机采用的NES6100励磁系统的灭磁方式包括逆变灭磁和事故灭磁。

该大型电站发电机励磁系统的灭磁设备主要包含直流灭磁开关S101、交流灭磁开关S102、灭磁电阻、过压跨接器U103以及电子跨接器CRB，其灭磁回路原理如图1所示。

图1 灭磁回路构成图

其中励磁系统直流灭磁开关S101为采用法国雷诺(LENOIR)的CEX06-7500 4.2 TS2000VDC型双断口直流磁场断路器。该断路器具有两个跳闸线圈，额定最大分断电压为3 000 V，额定短路分断能力80 kA，具有良好灭弧性能，能确保发电机在各种工况下灭磁时，能独立、成功的开断发电机转子绕组磁场电流，且不会导致发电机绕组、灭磁电阻、灭磁开关等设备产生损坏。

交流灭磁开关S102采用德国西门子公司3AH3(3AH3078)交流磁场断路器，具有两个跳闸线圈，额定电压17.5 kV，额定电流5 000 A，额定短路分断电流63 kA，能切断励磁变低压侧最大短路电流，可独立于直流灭磁开关S101成功灭磁。

灭磁电阻使用英国M&I公司生产的SiC(碳化硅)非线性灭磁电阻，其最高允许电压2 250 V，容量为22 MJ，该容量有20%的冗余度，即80%非线性电阻投入就能满足发电机出现严重事故时的灭磁要求。

2 灭磁工作原理

发电机正常停机采用逆变灭磁[5]。当机组解列后，电站监控系统或现地控制柜向励磁系统发励磁退出令，随后励磁调节器将触发角转为逆变角，把转子绕组中储存的磁场能量通过逆变桥转移至发电机交流电源侧进行吸收。当发电机的机端电压降低至20%额定电压并且励磁电流降低至5%额定电流时，延时6 s闭锁脉冲，然后断开交流灭磁开关S102，完成逆变灭磁，逆变灭磁流程如图2所示。

图2 逆变灭磁流程图

当发电机故障或电网异常引起机组事故导致保护装置动作时，采用跳直流灭磁开关S101，投辅助逆变器封脉冲，接入灭磁电阻方式进行灭磁。即当发生事故时，励磁系统接收保护装置开出的跳闸令，瞬间启动调节器逆变、跳直流灭磁开关S101、投辅助逆变器封调节器脉冲和投入电子跨接器，将灭磁电阻投入，发电机转子绕组与灭磁电阻形成回路。当机端电压降低至20%额定电压并且励磁电流降低至5%额定电流时，延时6 s闭锁脉冲，若S102已断开，事故灭磁结束，事故灭磁流程如图3所示[6]。

图3 事故灭磁流程图

在机组处于正常运行或者灭磁工况时，若转子绕组两侧出现过电压，则过压跨接器U103就会动作，接入灭磁电阻进行消除。若持续出现过电压或过电压较大，电流继电器就会动作，跳开直流灭磁开关及向保护发跳闸信号，执行事故灭磁流程。

3 灭磁回路及控制

3.1 辅助逆变器回路及控制

辅助逆变器作为励磁调节器的备用脉冲发生器，在机组正常停运时，不参与控制；当发生事故时，用来切除励磁调节器的控制脉冲，可靠地实现逆变灭磁功能，大大挺高了事故时发电机灭磁的安全和可靠性。

辅助逆变器的组成包含电源模块、信号模块、脉冲模块及FPGA处理器模块。电源模块既为辅助逆变器供电，同时作为功率柜的脉冲电源，区别于励磁调节器脉冲电源，达到脉冲回路互相独立的目的。

辅助逆变器的投入由两路跳直流灭磁开关S101分闸信号开入，使得K532、K542继电器投入实现逆变器脉冲控制，辅助逆变器信号回路如图4所示。与此同时继电器K532、K542线圈励磁后，其另一对常开节点闭合使得封脉冲继电器K671、K672线圈励磁，K671、K672继电器常闭节点断开，切除来自励磁调节器的脉冲，常开节点闭合投入来自辅助逆变器的脉冲，此时励磁功率柜的状态由辅助逆变器进行控制，封脉冲控制如图5所示。从跳闸令开出至辅助逆变器脉冲投入的时长大约是30 ms，而一般大磁场断路器分闸动作时间有40～110 ms，也就是说辅助逆变器能够实现在磁场断路器分闸前逆变灭磁，保障事故停机时发电机灭磁的安全。

图4 辅助逆变器信号回路图

图5 辅助逆变器封脉冲控制图

由辅助逆变器回路分析可知，辅助逆变器由灭磁开关的分闸信号控制投入，独立的脉冲回路及冗余控制回路确保辅助逆变器的投入及封脉冲，实现功率柜的逆变不依赖励磁调节器的正常与否，大大提高了逆变可靠性。

3.2 电子跨接器回路及控制

在励磁系统中，电子跨接器是利用电力电子元件来实现灭磁电阻的投入与退出过程控制的一种装置。当发电机正常运行时，励磁系统一次回路处于导通状态，而电子跨接器处于断开状态，灭磁电阻不会接入与转子绕组形成通路[7]。当发电机出现事故时，需要断开灭磁开关及接入灭磁电阻进行故障灭磁，此时电子跨接器控制可控硅导通，将灭磁电阻接入灭磁回路，灭磁开始[7]。

该电站励磁系统灭磁回路采用带冗余触发电路的电子跨接器，电子跨接器回路原理如图6，励磁回路原理如图7所示。电子跨接器的控制板包括CRB1、CRB2，触发电路分成有源触发和无源触发两种方式。

图6 电子跨接器回路图

图7 励磁回路原理图

两套控制板的内部电路结构一致，第一路为经一路直流经电源模块后由继电器节点控制投入的DC24 V有源控制电源，第二路为经另一路直流经继电器节点投入的DC 220 V无源自控电源。

有源触发电路采用有源多谐振荡器触发方式。在发电机励磁系统接收到直流灭磁开关S101分闸令时，两路投跨接器继电器K531、K541线圈励磁，其中一对常开节点闭合，将电子跨接器控制板DC24 V有源控制回路通电，同时另一对常开节点闭合，电子跨接器有源控制开入，控制板产生脉冲信号控制外部可控硅V109、V110导通，投入灭磁电阻与转子绕组形成回路进行灭磁。

无源触发电路主要有隔离继电器模块和触发信号模块，当发电机励磁系统接收到直流灭磁开关S101分闸令时，两路投跨接器继电器K531、K541线圈励磁，其常开节点闭合直接将主回路接入触发回路使控制板得电，且无源控制开入，控制板产生脉冲信号控制外部可控硅V109、V110导通，投入灭磁电阻与转子绕组形成回路进行灭磁。

由电子跨接器的控制回路分析可知，跨接器是由灭磁开关的分合闸信号来控制导通和关断的，与传统的机械跨接器相比具有动作时间短且无机械磨损的优点。2个外部可控硅V109/V110与2套控制板及2套触发电路组成了灭磁电阻的多重冗余投入灭磁回路的方式及电子跨接器动作迅速的特点不仅能实现发电机快速灭磁，而且增加了灭磁回路的稳定性和可靠性。

4 结 语

本文简要阐述该大型水电站励磁系统的灭磁配置及灭磁流程，然后对灭磁系统的辅助逆变器及电子跨接器的控制流程进行说明。该水电站灭磁回路设计与其他水电站传统灭磁回路相比，增加了辅助逆变器的新技术应用，同时对跨接器回路进行了改进，采用多重冗余触发电路电子跨接器，其设计优势，一是辅助逆变器的应用使得励磁系统进行事故灭磁时，逆变工作状态不再依赖励磁调节器，提升了灭磁的可靠性；二是电子跨接器回路多重冗余配置极大地提升了灭磁电阻投入的可靠性。从该大型水电站灭磁回路进行分析发现，其灭磁可靠性非常高，因该大型水电站目前尚未投运，其灭磁性能还需要经过现场试验及运行验证，但可供行业内其他大型水电站灭磁回路设计参考借鉴。