勵磁系統改造項目具有技術要求高、定制程度高、生產周期短等特點，對設計、生產、調試能力有較高要求。改造方案的確定需要充分研究原系統的特點及其與相關系統的聯系，分析新系統的設計、生產的可行性和運行的可靠性，這對確保改造成功具有重要意義。某大型電站原勵磁系統隨主機由國外進口，設備運行十余年，嚴重老化。本文就該項目改造方案設計、應用情況進行介紹。

系統基本情況

改造機組單機容量240MW，采用靜止自并勵勵磁方式。發電機組及勵磁參數如下：Sg=266.7MVA；Pg=240MW；Ug=15.75kV；Ig=9776A；Uf=482V；If=1906A。

改造范圍包括發電機勵磁調節器、可控硅整流裝置、滅磁及轉子過電壓保護裝置、電制動回路等，保留原勵磁變壓器及制動變壓器。

改造方案設計

本次改造不改變勵磁方式，與電廠其他系統接口友好，并結合現有成熟技術優化提高勵磁系統性能。

1主回路設計

勵磁系統原理圖如圖1所示。該勵磁系統采用自并勵勵磁方式，并具有電制動功能。

圖1 勵磁系統原理圖

圖中T1為勵磁變壓器，T2為電制動變壓器，Q1為電制動機端短路開關，FLZ為可控硅整流橋，FMK為磁場斷路器，AVR為勵磁調節器。

2 機柜布局設計

原系統與勵磁變壓器、電制動變壓器、發電機轉子的一次回路連接形式（銅排硬連接）與位置決定了新系統交、直流主回路的接口形式及位置，改造中不能改變。受接口位置和可用空間限制，新系統不能采用常用的一排式盤柜布局方式。通過比較各種布局方案，仔細核算盤柜尺寸與接口位置，確定了一種背靠背式的布局方式，如圖2所示。

圖2 盤柜布置圖（俯視）

新系統包括9面盤柜，其中AVR為具有電制動控制功能的發電機勵磁調節器，雙通道冗余配置；FLZ1、FLZ2、FLZ3為3臺并聯運行功率柜，單柜輸出電流DC 3000A；FLK為直流滅磁開關柜；FLR為滅磁電阻柜，包含起勵裝置；FLB為冷卻柜，實現功率柜發熱的空氣水熱交換，將勵磁主要發熱由水路傳遞到室外； FLJ為交流進線柜，實現正常勵磁和電制動勵磁電源的接入和切換，并設置電流互感器采集勵磁電流；FLC為變送器柜，供用戶布置發電機電量測量變送器。

通過這樣的設計，實現一次回路接口與原系統吻合，減小主回路接口改造工作量和難度；盤柜間連接可靠，所有主回路采用銅排連接，確保載流量，并充分保證安全距離；冷熱風分開在兩側，降低進口風溫，提高整流柜散熱效果。

3 熱設計

勵磁系統布置于機旁小室，運行產生的大量熱量（主要為功率柜發熱）若直接排放在小室內，將使得小室溫度升高。由于機旁小室不具備增設空調的條件，為將熱量交換到室外，最好的方法就是采用水冷設備。

該項目采用了風水聯合冷卻的方案。如圖3所示，3臺功率柜以風冷方式進行冷卻，冷卻功率柜產生的熱空氣通過柜間風道輸送到水冷柜，由空氣水熱交換器將這些熱量傳遞給冷卻水，由此實現熱量由水路帶到室外。

圖3 冷卻系統

風水聯合冷卻方案的設計，充分考慮了功率柜發熱情況。分別計算不同工況運行時的熱量值，主要計算數據見表1。

表1 整流柜熱量計算

據整流柜的最大發熱量，選擇合適的空氣水熱交換器，主要參數如下：水流量1.7m3/h，水壓0.2MPa，進出口水溫溫差5℃，散熱功率15kW。同時考慮到現場采用的導熱液不是純水，在進水口增設了過濾器和離子交換器。

4 系統控制方案設計

本次改造要求發電機監控、調速、保護系統均不做改動，為此對原系統與這些保留系統之間的接口進行分析，確定了改造接口方案。利用NES5100勵磁系統控制流程，結合現場應用特點，綜合設計了新系統的控制方案，在機組控制過程中，勵磁系統控制能自動平穩地執行下列操作：

1）開機程序

當機組轉速上升到90%額定轉速時，投入勵磁系統起勵、升壓，發電機電壓升至額定值。根據同期裝置發出的命令調整發電機電壓，以滿足與系統同期的要求。同期調整結束，發電機出口斷路器并網，勵磁轉入負載模式控制運行。

2）正常停機程序

在出口斷路器跳閘前自動卸無功負荷至零，在出口斷路器跳閘后，進行逆變滅磁。轉速下降至60%額定轉速時，投入電制動控制程序及停機滅磁控制，機組停機復歸電制動。

機組電氣制動采用柔性電氣制動，電氣制動與機組勵磁系統共用一套調節器及可控硅整流裝置，制動電源取自廠用400V。電制動的投入條件為：機組與系統解列；停機指令發出；機組無電氣事故；機端電壓低于10%額定電壓；導葉全關且機組轉速降到60%額定轉速后，合發電機短路開關并切換勵磁系統交流電源開關進行電氣制動。

3）事故停機程序

事故時采用磁場斷路器加滅磁電阻移能滅磁。

在控制方案的實現中，為確保控制、調節的準確性、可靠性，對開機令、停機令、增磁令、減磁令等數字量和PT、CT等模擬量采用了全面的冗余容錯設計。

5 可維護性設計

針對本系統盤柜背靠背布局方式，對元器件布局和連接進行優化設計。功率柜整流橋采用抽屜式組件結構，抽屜組件集成可控硅的散熱、過壓、過流保護功能，可由柜前抽出；冷卻風機可從柜頂拉出。其它各柜器件在前面板安裝，板前接線，實現了柜前檢修。柜間連接采用標準預制電纜柜前接線方式，通用性好，可靠性高。

結束語

按照以上方案設計的勵磁系統在某電廠2#機組投入運行，各項參數符合設計及機組運行的要求，與電廠其他系統配合良好，能夠確保機組的安全、可靠運行。說明本文描述的改造方案是合理的，對類似機組的改造具有指導意義。

本文編自《電氣技術》，標題為“進口240MW水輪機機組勵磁系統改造方案設計與應用”，作者為徐春建、黃衛平。