进口240MW水轮机机组励磁系统改造方案的设计与应用

作者介绍了某水电站240MW机组励磁系统进口设备国产化改造方案及其特点。新设计的励磁系统采用背靠背的盘柜布局方式，综合风冷、水冷方式实现励磁系统冷却，并以柔性电制动方式实现电气制动，实现了预期的改造效果。

励磁系统改造项目具有技术要求高、定制程度高、生产周期短等特点，对设计、生产、调试能力有较高要求。改造方案的确定需要充分研究原系统的特点及其与相关系统的联系，分析新系统的设计、生产的可行性和运行的可靠性，这对确保改造成功具有重要意义。某大型电站原励磁系统随主机由国外进口，设备运行十余年，严重老化。本文就该项目改造方案设计、应用情况进行介绍。

改造机组单机容量240MW，采用静止自并励励磁方式。发电机组及励磁参数如下：Sg=266.7MVA；Pg=240MW；Ug=15.75kV；Ig=9776A；Uf=482V；If=1906A。

改造范围包括发电机励磁调节器、可控硅整流装置、灭磁及转子过电压保护装置、电制动回路等，保留原励磁变压器及制动变压器。

本次改造不改变励磁方式，与电厂其他系统接口友好，并结合现有成熟技术优化提高励磁系统性能。

1主回路设计

励磁系统原理图如图1所示。该励磁系统采用自并励励磁方式，并具有电制动功能。

图1 励磁系统原理图

图中T1为励磁变压器，T2为电制动变压器，Q1为电制动机端短路开关，FLZ为可控硅整流桥，FMK为磁场断路器，R为励磁调节器。

2 机柜布局设计

原系统与励磁变压器、电制动变压器、发电机转子的一次回路连接形式（铜排硬连接）与位置决定了新系统交、直流主回路的接口形式及位置，改造中不能改变。受接口位置和可用空间限制，新系统不能采用常用的一排式盘柜布局方式。通过比较各种布局方案，仔细核算盘柜尺寸与接口位置，确定了一种背靠背式的布局方式，如图2所示。

图2 盘柜布置图（俯视）

新系统包括9面盘柜，其中R为具有电制动控制功能的发电机励磁调节器，双通道冗余配置；FLZ1、FLZ2、FLZ3为3台并联运行功率柜，单柜输出电流DC 3000A；FLK为直流灭磁开关柜；FLR为灭磁电阻柜，包含起励装置；FLB为冷却柜，实现功率柜发热的空气水热交换，将励磁主要发热由水路传递到室外； FLJ为交流进线柜，实现正常励磁和电制动励磁电源的接入和切换，并设置电流互感器采集励磁电流；FLC为变送器柜，供用户布置发电机电量测量变送器。

通过这样的设计，实现一次回路接口与原系统吻合，减小主回路接口改造工作量和难度；盘柜间连接可靠，所有主回路采用铜排连接，确保载流量，并充分保证安全距离；冷热风分开在两侧，降低进口风温，提高整流柜散热效果。

3 热设计

励磁系统布置于机旁小室，运行产生的大量热量（主要为功率柜发热）若直接排放在小室内，将使得小室温度升高。由于机旁小室不具备增设空调的条件，为将热量交换到室外，最好的方法就是采用水冷设备。

该项目采用了风水联合冷却的方案。如图3所示，3台功率柜以风冷方式进行冷却，冷却功率柜产生的热空气通过柜间风道输送到水冷柜，由空气水热交换器将这些热量传递给冷却水，由此实现热量由水路带到室外。

图3 冷却系统

风水联合冷却方案的设计，充分考虑了功率柜发热情况。分别计算不同工况运行时的热量值，主要计算数据见表1。

表1 整流柜热量计算

据整流柜的最大发热量，选择合适的空气水热交换器，主要参数如下：水流量1.7m3/h，水压0.2MPa，进出口水温温差5℃，散热功率15kW。同时考虑到现场采用的导热液不是纯水，在进水口增设了过滤器和离子交换器。

4 系统控制方案设计

本次改造要求发电机监控、调速、保护系统均不做改动，为此对原系统与这些保留系统之间的接口进行分析，确定了改造接口方案。利用NES5100励磁系统控制流程，结合现场应用特点，综合设计了新系统的控制方案，在机组控制过程中，励磁系统控制能自动平稳地执行下列操作：

1）开机程序

当机组转速上升到90%额定转速时，投入励磁系统起励、升压，发电机电压升至额定值。根据同期装置发出的命令调整发电机电压，以满足与系统同期的要求。同期调整结束，发电机出口断路器并网，励磁转入负载模式控制运行。

2）正常停机程序

在出口断路器跳闸前自动卸无功负荷至零，在出口断路器跳闸后，进行逆变灭磁。转速下降至60%额定转速时，投入电制动控制程序及停机灭磁控制，机组停机复归电制动。

机组电气制动采用柔性电气制动，电气制动与机组励磁系统共用一套调节器及可控硅整流装置，制动电源取自厂用400V。电制动的投入条件为：机组与系统解列；停机指令发出；机组无电气事故；机端电压低于10%额定电压；导叶全关且机组转速降到60%额定转速后，合发电机短路开关并切换励磁系统交流电源开关进行电气制动。

3）事故停机程序

事故时采用磁场断路器加灭磁电阻移能灭磁。

在控制方案的实现中，为确保控制、调节的准确性、可靠性，对开机令、停机令、增磁令、减磁令等数字量和PT、CT等模拟量采用了全面的冗余容错设计。

5 可维护性设计

针对本系统盘柜背靠背布局方式，对元器件布局和连接进行优化设计。功率柜整流桥采用抽屉式组件结构，抽屉组件集成可控硅的散热、过压、过流保护功能，可由柜前抽出；冷却风机可从柜顶拉出。其它各柜器件在前面板安装，板前接线，实现了柜前检修。柜间连接采用标准预制电缆柜前接线方式，通用性好，可靠性高。

按照以上方案设计的励磁系统在某电厂2#机组投入运行，各项参数符合设计及机组运行的要求，与电厂其他系统配合良好，能够确保机组的安全、可靠运行。说明本文描述的改造方案是合理的，对类似机组的改造具有指导意义。

本文编自《电气技术》，标题为“进口240MW水轮机机组励磁系统改造方案设计与应用”，作者为徐春建、黄卫平。