张少虹

摘要：发电机励磁系统是水力发电厂两大核心辅助设备之一，是控制发电机无功及电压的核心设备，其可靠性还涉及电网安全。为提高功率单元的可靠性，一般均采用多组功率单元并联运行的方案，多组功率柜同时工作，在发电机额定工况时，整流桥的均流系数不应低于0.9;在空载额定时，并联整流桥的均流系数不应低于0.85。随着励磁系统运行年限的增加，各种因素的叠加影响，部分水电站励磁系统均流系数出现降低情况，严重影响机组可靠运行。本文结合生产实际经验，简要论述影响均流系数的因素，提出一种物理均流的解决方案，在不更换可挂硅等重要部件的情况下，将励磁系统均流系数恢复至规范要求范围内。

关键词：励磁系统、均流系数、物理均流

一、影响均流系数的因素分析

一般情况下，并列运行的功率柜受可控硅本身的特性、装置结构的排布、运行环境、控制环节等方面的影响。

（一）通态压降对均流的影响。稳态条件下，单个晶闸管输出特性之间的差异直接影响电流分配均衡，首先应选择通态电压相同的元件并联，保证静态均流。

（二）元器件温度对动态均流的影响。晶闸管正向导通压降是指在规定条件下晶闸管导通后，通态电流在器件阳极--阴极间所产生的电压降。晶闸管正向导通压降由结压降，体压降和接触压降组成。接触压降主要由工艺过程及装配所决定，与半导体和金属间的接触质量，材料性质和组装质量等有关。

（三）元件开关时间对动态均流的影响。动态电流不均匀是由元器件的开关时间不同步引起的。并联晶闸管开通时间不一致不紧会造成并联支路在开通过程中的瞬态不均流，而且对各并联支路中平均电流的均衡也有较大的影响。

（四）母线配置对静态均流的影响。对于通态电阻相同的一组并联元器件，母线的接入方式也会造成电流分配的不平衡。这是因为母线存在电阻，自感以及互感等。另外，在工作电流较大的场合，母线的配置直接影响磁场及回路阻抗分布，导致连接在不同位置上晶闸管流过的电流不同。

综上所述，影响晶闸管并联均流的因数有较多，在设计并联电路时，应尽可能选用参数匹配的器件，对称的并联电路布局，并使各种寄生电感最小化，以利于器件并联运行时达到理想的均流效果。实际运行中，由于受到各种客观因数限制，往往需要折衷考虑各种影响因数。

二、对发电机组的危害

在多功率整流单元并联运行的励磁系统中，由于可控硅或整流二极管特性参数差异，并联的功率整流元件阻抗有偏差，功率桥结构布局不同，并联元件交、直流侧铜排或电缆阻抗不一致等，导致并联功率整流桥（或同一相的并联元件）的输出电流不相等。当输出电流严重不均衡时，可能造成输出电流小的整流元件利用率低，输出电流大的整流元件因过负荷而损坏，对发电机组的安全运行带来重大隐患。

三、解决方案探索研究

（一）智能物理均流控制原理

采用智能物理均流控制器，原理如下示意图。Ea、Eb、Ec、为三相励磁电源，La、Lb、Lc、为励磁电源各相漏抗及各相联接电缆电抗之和，1QS、2QS 分别为三相整流桥 1、整流桥 2 的交流输入开关。三相励磁电源与整流桥交流输入开关之间的虚框部分为串接的物理均流控制器。将电抗器与控制部件集中封装成一个整体，一个进线端 A，两个 出线端 A1、A2，进线端子 A 与励磁电源 A 相进线连接，出线端子 A1、A2 分别 接#1、#2 整流桥交流输入开关进线侧。B、C 相与 A 相完全相同，A、B、C 三 相，每相串接一只。

以 B 相為例，L1、L2 为均流电抗器的等值电感。 由电感的定义，L1、L2 的电感量分别为：

控制电抗器副边电流 I12、I22，改变了上式中分子的大小，副边电流的改变，同时改变了电抗器铁芯磁路的磁阻 Rm，最终改变了电抗器 L1、L2 的大小，达到均流的目的。设导通时 I1>I2，控制器根据实测数据，实时调整控制器内部逻辑，使 I12 减小，I22 增大，则电抗器 L1 的铁芯磁路磁阻减小，磁通量增大，电感量增大;电抗器 L2 的铁芯磁路磁阻增大，磁通量减小，电感量减小。电感量的变化使 I1 减小，I2 增大，最终使 I1、I2 趋于相等，反之，I1<I2 时，调节过程相反。

由整流桥的换相过程进一步分析可知，通过上述调整，I1= I2，即能保证#1、#2 整流桥+B 相桥臂电流相等，-B 相桥臂电流相等，A 相、C 相的原理与 B 相相 同。三相都接入 控制器后，即能保证两桥各相桥臂电流都相等，达到两桥均流目的。

（二）智能物理均流的优点

1、均流系数高，实测安装后均流系数达 99%，能有效解决功率柜输出不平衡。

2、对整流桥交直流侧铜排（或电缆）布置无严格要求，现场适应性强。

3、调节过程智能化，无须人为干预。

4、智能物理均流采用纯物理方式，不在可控硅的脉冲回路串接调整电路，可靠性高。

5、智能物理均流失效时，相当于在电路中不起作用，对主回路无影响，安全性高。

6、智能物理均流方式对可控硅或二极管整流桥均适用。

（三）案例应用

内蒙古大唐国际海勃湾水利枢纽开发有限公司安装四台灯泡贯流式水轮发电机组，2014年4台机组投产发电，励磁系统采用静止可控硅自并励方式，双功率柜并列运行，2021年以来励磁系统均流系数降至0.85以下，影响机组安全稳定运行。2021年10月实施技术改造，采用智能物理均流方式，将电抗器与控制部件集中封装成一个整体，一个进线端，两个出线端，进线端子与励磁电源进线连接，出线端子分别接#1、#2 整流桥交流输入开关进线侧，见以下示意图。A、B、C 三相，每相串接一只。改造后，均流系数均达到0.95以上。

结束语：

大中型水轮发电机静止整流励磁系统对均流系数有严格要求，采用智能物理均流具有精度高、智能化、纯物理等特点节，无需更换可控硅及励磁调节器等重要设备，具有较好的经济性，为水电站解决励磁系统均流系数不合格问题提供了新方案。

参考文献：

[1]DLT 5038-2012 灯泡贯流式水轮发电机组安装工艺规程、DLT 489-2018 大中型水轮发电机静止整流励磁系统试验规程