黄金坪水电站左岸大站励磁系统设计

张 春 雨，　刘 海 燕

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)



黄金坪水电站左岸大站励磁系统设计

张 春 雨，刘 海 燕

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：对黄金坪水电站励磁设备设计的某些特点进行了分析和介绍，对于今后在建的大中型电站励磁设备招标、技施设计具有一定的参考价值。

关键词：励磁变；灭磁开关；热管冷却；故障信号的输出；黄金坪水电站

黄金坪水电站位于甘孜藏族自治州康定市姑咱镇黄金坪乡境内，为大渡河干流规划调整推荐二十二级方案中的第十一级电站。黄金坪水电站坝址上距丹巴县城约100 km，距长河坝水电站约20 km，下距泸定县城约30 km，距成都约340 km。

黄金坪水电站总装机容量为850 MW，采用左、右岸两个地下厂房开发布置方式，其中左岸大厂房装机容量为4×200 MW，主要任务是发电；右岸小厂房装机容量为2×25 MW，主要任务为承担电站环保供水。发电机励磁系统设备布置在地下主厂房发电机层下游侧，高程为1 409 m；励磁变布置在地下主厂房电气夹层下游侧，高程为1 403.5 m。励磁设备厂家为能事达公司。

笔者结合黄金坪水电站励磁标书、励磁厂家投标文件、励磁厂家设计图纸，介绍了设计过程中遇到的一些问题：如励磁变的绝缘等级选择、功率柜选用热管冷却、灭磁开关选型、故障信号输出到保护的定义等，旨在对今后水电站的励磁设计有所帮助和借鉴。

1励磁参数与励磁设备

1.1励磁参数

(1) 额定励磁电流：Ifn=1 900 A

(2)空载励磁电流：Ifo=1 050 A

(3)额定励磁电压：Ufn=350 V

(4)空载励磁电压：Ufo=145 V

(5)转子绕组电阻Rf(95 ℃)= 0.159 5 Ω

1.2励磁设备(主要参数见表1)

励磁调节器选用能事达公司生产的MEC3000系统，励磁系统采用智能均流技术，每个智能桥单桥位触发均为智能均流。灭磁电阻选用SiC。 由于ZnO没有用在30万kW容量机组以上，极端过热会爆炸，且其单片容量太小，长期稳定性较差，阀片特性随环境而变(主要是湿度，体积比较大，能容量小，离散性大)。而SiC的特点是热容量大，体积小，极端过热情况下融化形成开路。黄金坪水电站虽然单机容量为20万kW机组，但考虑到安全性，最终将灭磁电阻选用SiC。

表1　励磁设备选型主要参数列表

励磁柜体共有6面，面对励磁屏正面从左到右依次为：调节柜(800 mm×1 000 mm×2 260 mm)，功率柜1(1 000 mm×1 000 mm×2 260 mm)，功率柜2(1 000 mm×1 000 mm×2 260 mm)，功率柜3(1 000 mm×1 000 mm×2 260 mm)，灭磁柜(1 000 mm×1 000 mm×2 260 mm)，转子监视保护柜(1 000 mm×1 000 mm×

2 260 mm)。

励磁系统与外部设备的接口为：到监控的通讯接口采用RS485协议，与时钟同步的通讯接口采用SNTP协议。励磁系统需要由电站提供1路AC220 V交流电源，4路DC220 V直流电源。由于无风机，不需要由电站再单独提供三相电源。

2励磁变绝缘等级选型分析

黄金坪水电站对于励磁变压器是选F级绝缘，还是H级绝缘在设计招标阶段进行了对比分析。变压器F级绝缘允许极限温度为155 ℃，允许温升为125 ℃，采用合适的树脂粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等以及其他无机材料、合适的有机材料或其组合物所组成的绝缘结构。变压器H级绝缘允许极限温度为180 ℃以上，允许温升为125 ℃。上述温升是指绕组的工作温度与环境温度之差，单位是℃。采用合适的树脂粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维以及未经浸渍处理的云母、陶瓷、石英等材料或其组合物所组成的绝缘结构。

黄金坪水电站由于海拔不太高，容量亦不太大，故经分析对比后认为励磁变选用F级绝缘即能满足电站运行要求，雷电冲击耐受电压峰值为105 kV，1 min工频耐受电压有效值为45 kV，励磁变绕组温升限值为100 K。当绕组温度上升至130 ℃时发报警信号，155 ℃时发事故信号同时跳发电机出口断路器和灭磁开关并停机。在任何情况下不出现使绕组、铁芯和其他部件受到损害的温度。对于海拔高度超过2 000 m、励磁变容量比黄金坪水电站大一些的电站励磁变可以选用H级绝缘。

3功率柜冷却方式

最早的励磁招标文件中推荐的是风机冷却方式，但最终中标的厂家为能事达公司。由于能事达公司在热管冷却技术上有成功的运行经验，故黄金坪水电站最终功率柜采用自冷型热管功率柜而无需散热风机。

热管技术是1963年由美国 LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，其充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从其被引入散热器制造行业，人们就改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好的散热效果的单一散热模式，采用热管技术使散热器既便采用低转速、低风量电机同样可以得到满意的效果，从而使困扰风冷散热的噪音问题得到了很好的解决。风机在功率柜中运行，噪音大、容易吸灰，而且运行维护成本高。

热管就是利用蒸发制冷、使得热管两端温度差很大将热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端并释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环往复，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导。

能事达出品的STR-2500RG热管整理器实验时在无风状态下额定输出电流为2 500 A，超出力电流不小于3 000 A，输入电压不小于1 000 V,噪音小于60 Db, 功率柜内的温升满足工业运行要求。

4灭磁开关

黄金坪水电站左岸大机励磁系统投标时，灭磁开关型号为ABB EMAX系列 E3H/E MS3200型开关，额定电压1 000 V，额定电流3 200 A。该开关是由ABB EMAX交流断路器改进而成的，主要应用于直流系统中母联开关或隔离开关，而并非专用的直流灭磁开关。该开关的弧压低，根据灭弧栅片的数量估算，4个断口串联使用弧压只有2 000 V，而中科院等离子所对该开关的测试结果认为该开关弧压只有1 200～1 400 V。将该开关用于发电机灭磁回路必须在其外部配套逆变和封脉冲措施辅助开关建压，如配套措施失灵，该开关将有烧毁的风险。国内励磁厂家大量采用该开关的主要原因是该开关价格远低于其他进口的专用直流灭磁开关。考虑到价格因素, 厂家投标开关选用ABB EMAX系列 E3H/E MS3200型开关。

表2　灭磁开关性能对比表

在设联会中业主要求将灭磁开关更换为法国LENOIR公司生产的CEX系列CEX06-3200型灭磁开关，其额定电压为1 000 V，额 定 电 流 为

3 200 A。CEX系列开关是专用直流灭磁开关，弧压高，2个断口串联使用弧压2 380 V，无需配套任何辅助措施就能够独立可靠灭磁，而且此开关配有投入灭磁电阻专用的常闭断口，能保证灭磁的可靠性。CEX灭磁开关为双断口灭磁开关，各方面参数都很好，其缺点是价格贵，体积较大，有连杆，黄金坪水电站的一个灭磁屏装不下该开关，该开关的一小部分将延伸到转子监测保护屏。灭磁开关性能对比情况见表2。

5重要信号输出的选择

黄金坪水电站输出励磁故障的信号到保护设备，保护设备出口作用于跳GCB。对于励磁故障信号的定义经与厂家反复讨论且因规范无统一规定，最终决定励磁故障定义为双套励磁PLC全部故障，由于未设置风机，故无风机故障信号输出。

黄金坪水电站为双调节器失电时输出励磁系统严重故障到发电机保护屏，由发电机保护停机跳FMK和GCB。

6结语

笔者就黄金坪水电站励磁设备选型中的一些重点内容、设备更换以及在技施设计中遇到的问题进行了分析，希望能对类似水电站励磁设备的选型、评标和二次设计有一定的参考价值。

参考文献：

[1]DL/T 583-2006，大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件 [S].

[2]GB/T 7409.3-2007,大中型同步发电机励磁系统技术要求[S].

[3]GB/T 10228-2008,干式电力变压器技术参数和要求[S].

[4]GB4208-2008,外壳防护等级的分类[S〗.

(责任编辑：李燕辉)

张春雨(1976-)，女，四川成都人，高级工程师，学士，从事水电站电气二次设计工作；

刘海燕(1980-)，女，河北故城人，高级工程师，学士，从事水电站电气二次设计工作.

作者简介:

文章编号:1001-2184(2016)02-0038-03

文献标识码:B

中图分类号:TV7;TV22;TV735

收稿日期:2015-12-31