自并励励磁装置

自并励励磁装置

[摘要] 结合上海南市发电厂60MW自并励汽轮发电机组的运行情况，对自并励接线方式，励磁变的选择，自并励的起励、试验电源，保护可靠性等分别予以讨论。

[关键词] 自并励励磁装置探讨

在发电机的各种励磁方式中，自并励方式以其接线简单，可靠性高，造价低，电压响应速度快，灭磁效果好的特点而被广泛应用。随着电子技术的不断发展，大容量可控硅制造水平的逐步成熟，大型汽轮发电机采用自并励励磁方式已成为一种趋势。国外某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。近二十年来，美国、加拿大对新建电站几乎一律采用自并励励磁系统，加拿大还拟将火电厂原交流励磁机励磁系统改为自并励励磁系统。在国内，虽然国产大中型机组大都采用三机励磁方式，但近年来进口的大中型机组大都装备的是自并励励磁系统，对于600MW以上汽轮发电机组，自并励励磁已基本成为定型方式。随着电网的不断扩大，对于大型机组业界人士也越来越倾向于采用自并励方式。因为从国内外运行情况来看，采用自并励励磁和附加励磁控制，已成为改善电力系统稳定性的有效措施。

南市电厂#10发电机(60MW)自基建投运即使用自励半导体励磁系统，具体接线型式为一台励磁变压器并联在发电机机端(主变压器的低压侧)，属自并励型式(简称机端励磁)。由于种种原因，该装置自1999年6月19日至2000年2月间，多次发生故障，并经历了一次小系统运行。

本文就对该发电机励磁装置运行、维护谈谈自并励汽轮发电机励磁电源的几个问题: 自并励接线方式，励磁变的选择，自并励的起励、试验电源，保护可靠性等。

1 自并励装置特点

自并励静止励磁系统由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、发电机灭磁及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。

以南市电厂#10发电机的WKKL型微机型自并激励磁系统为例，整套装置由两台调节柜(一台运行，一台备用)，三台整流柜(正常时单柜运行)，一台灭磁电阻柜及一台转子开关柜组成。

自并励静止励磁方式与旧有的励磁方式相比，具有以下几方面的优点。

1.1 励磁系统可靠性增强

旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的一部分，但由于自并励静止励磁方式取消了旋转部件，大大减少了事故隐患，可靠性明显优于交流励磁机励磁系统，而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。该励磁系统对运行、维护的要求相对较低。

1.2 电力系统的稳态、暂态稳定水平提高

由于自并励静止励磁系统响应速度快，电力系统静态稳定性大大提高。自并励方式保持发电机端电压不变，对单机无穷大系统静态稳定极限功率为:

Pmax=VgVs/Xe，(1)

式中Vg--机端电压;

Vs--系统电压;

Ve--发电机与系统的等值电抗。

而常规系统在故障过程中只能保持发电机暂态电势Eq′不变，其极限功率为:

Pmax'=Eq'Vs／(Xe+Xd')，(2)

式中Eq'--发电机Q轴暂态电势;

Xd'--发电机D轴暂态电抗。

根据公式(1)和(2)计算得出Pmax大于Pmax'，说明大大提高了静态稳定极限。对于可能引起的系统低频震荡，可采用先进的控制规律或配置PSS电力系统稳定器加以解决。发电机出口三相短路是自并励静止励磁系统最不利的工况，此时机端电压及整流电源电压严重下降，即使故障切除时间很短，短路期间励磁电流衰减不大，但在故障切除后机端电压的恢复需一定的时间，自并励系统的强励能力有所下降。为解决这一问题，在系统设计中计算强励倍数时，整流电源电压按发电机额定电压值的80%计算，即机端电压为额定时强励能力提高25%，且目前大中型机组发电机出口均采用了封闭母线，发电机端三相短路可能性基本消除。因此，自并励系统强励倍数高，电压响应速度快，再加上选择先进的控制规律，能够有效地提高系统暂态稳定水平。

1.3 减少发电机轴系扭振及机组投资

自并励静止系统与三机励磁系统相比，取消了主、副励磁机，缩短了机组长度，减少了大轴联接环节，因而缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性，同时降低厂房造价，减少机组投资。2 自并励接线方式

2.1 接于发电机出口母线

这是自并励的典型接线方式，励磁电源取自发电机机端并联变压器。接线方式比较简单，只要发电机在运行，就有励磁电源。该接线方式可靠性高，当外部短路切除后，强励能力便迅速发挥出来。缺点是励磁电源受机端电压影响，当线路首端发生三相短路故障时，由于机端电压下降，会使强励作用有所减弱，对暂态稳定不利，在负荷中心的发电机则可能对系统的电压稳定产生影响，如果较长时间短路未被切除，则不能保证励磁。目前现代大型机组大都采用单元接线方式，发电机经封闭母线接到变压器后直接接至高压电网，发电机出口三相短路的可能性很小，其产生的不利影响可按升压变高压侧故障考虑。对于机端单相接地故障(占短路故障总数的80％左右)，机端电压可达

0.7P.U以上，仍可有效进行强励。而且对于这种接线方式，机端故障后应切除发电机，自并励的缺点并不影响发电机。对于发电厂高压母线出口近端三相短路，虽然母线电压大幅度下降会影响强励倍数，但现代电网大都配有快速动作的继电保护装置及快速断路器，能够将短路迅速切除(0.1-0.2s)，短路故障一旦切除，发电机电压迅速恢复，强励能力也就跟着恢复。可以说采用现代技术的继电保护及快速断路器，不但弥补了自并励

励磁系统在这方面的缺点，而且对保持暂态稳定来说，快速切除故障比提高励磁系统性能更为重要。如果不能迅速地将近端三相短路故障切除，即使采用其它励磁方式，也不能维持发电机的暂态稳定。

由于采用机端励磁电源，靠发电机剩磁无法建立电压，需要外加起励电源，另外，在机组调试阶段及机组大修后进行发电机特性试验时，还需要一大容量的试验电源。2.2 接于厂用母线

这种接线方式不需要起励及试验电源装置。但当外部短路切除后，厂用电动机在转速恢复过程中吸收大量无功电流，在厂用变压器上造成较大的电压降落，影响厂用母线电压及时恢复正常，从而影响励磁装置的强励能力。另外，励磁变通过厂用变这个中间环节供电，不但增加了厂用变压器的容量，而且受厂用电运行情况的影响，供电可靠性差。因此，这种接线方式要求所在厂用母线具有相对独立性，并有可靠自投的备用电源，而且最好投入之后母线电压能保证额定值的85％以上。

2.3 接于系统侧

励磁电源直接取自发电厂升压站高压母线，可以解决起励电源及试验电源问题。但是对于这种接线方式，当系统发生事故发电机跳闸后，由于系统电压低，励磁装置不能主动地恢复正常; 在系统电压极低的情况下，往往可能失去励磁。另外从投资经济角度上来说，励磁变接于升压站母线，升压站就需增加一间隔，需加装断路器、隔离刀闸、接地刀闸等一次设备，增加了设备投资及设备维护量，并且这种接线方式受运行方式影响较大，可靠性不是很好。

比较三种接线方式，接于机端发电机出口母线是一种简单、优先的方案。南市电厂#10发电机励磁电源接线方式为主变低压侧接线(见图1)。下面问题的讨论仅限于第一种接线方式，即励磁变接于发电机出口母线。

3 励磁变的选择

励磁变绕组的联接组别，通常为Y，yo，对于副方电流大的情况下，采用Y，dll

组别。励磁变就设计和结构来说，与普通配电变压器一样，短路电压4％－8％。考虑到励磁变必须可靠，强励时要有一定的过载能力，且励磁电源一般不设计备用电源，因此宜选用维护简单、过载能力强的干式变压器。从目前国内干式变压器制造工艺水平来说，已能生产容量达16000kVA、电压等级35KV的干式变压器，以满足大型机组的需要。若从降低励磁系统造价来说，采用油浸变压器也是可行的。当励磁变压器安装在户外时，由变压器副方到整流桥之间的馈线，由于有电抗压降，不宜太长，特别是在励磁电流很大的情况下，这一点必须考虑。还有不宜用单芯铠装电缆，而应选用橡皮电缆。因为单芯铠装电缆通以交流电时，在钢甲中需要感应较高的电压以及不能忽略的电流，并对通信电缆造成干扰。

三相励磁变的选择计算如下;

计算变压器的变比和容量用到以下参数: (南市发电厂实际值)

发电机额定励磁电流Ifn＝1310A

发电机额定励磁电压Ufn＝225V

强励倍数Kc＝2

可控硅最小控制角αmin＝10。

变压器漏抗Xk一般取4％一8％

馈电回路电压降之和ΣΔU: 一般为2-4V

按照可控硅全控桥整流计算方法计算励磁变低压侧Us:

1.35 Us COSαmin = Kc Ufn + 3Kc Ifn Xk /π + ΣΔU