大中型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中國電力大中型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型應(yīng)注意的問題楊旭，劉立瑞，莫鈺英摘要：通過介紹發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)近年來在國內(nèi)外大中型汽輪發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用，說明該勵(lì)磁方式與過去的勵(lì)磁方式相比有較大的優(yōu)越性。分析和探討大中型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、選型、調(diào)試和運(yùn)行中應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞：自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；選型；問題Considerations in design and type selection of static self and shunt excitation system for large and medium-sized steam turbine-ge

2、neratorsAbstract：By introducing the applications of static self and shunt excitation system in large and medium sized steam turbo-generators at home and abroad in recent years，the great advantages of such excitation method are demonstrated.The problems needing attention in design，type selection，comm

3、i ssioning and operation of such system are analyzed and discussed as well.Key words：tatic self and shunt excitation system；design；type selection；problem自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)在性能上具有高勵(lì)磁電壓響應(yīng)速度，易實(shí)現(xiàn)高起始響應(yīng)性能，能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能等優(yōu)點(diǎn)。目前廣東省水電機(jī)組已基本上應(yīng)用了自并勵(lì)方式，火電有沙角B廠的350 MW機(jī)組、沙角C廠660 MW機(jī)組采用了自并勵(lì)方式，即將投運(yùn)的連州電廠125 MW機(jī)組、韶關(guān)8號(hào)機(jī)300 MW機(jī)組等機(jī)組都將應(yīng)用

4、自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。對(duì)于自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)在大中型汽輪發(fā)電機(jī)組的引進(jìn)、配套和使用，應(yīng)盡可能地發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到預(yù)期的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，同時(shí)應(yīng)在某些方面加以注意，以免帶來一些負(fù)面影響。本文就大中型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型應(yīng)注意的幾個(gè)問題提出一些意見和看法。1自并勵(lì)方式 自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、功率整流裝置、發(fā)電機(jī)滅磁及過電壓保 護(hù)裝置、起勵(lì)設(shè)備及勵(lì)磁操作設(shè)備等部分組成。其原理如圖1所示。自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式與 舊有的勵(lì)磁方式相比，具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)。圖1自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式原理簡圖1.1勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性增強(qiáng) 旋轉(zhuǎn)部分發(fā)生的事故在以往勵(lì)磁系統(tǒng)事故中占相當(dāng)大的一

5、部分，但由于自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式取消了旋轉(zhuǎn)部件，大大減少了事故隱患，可靠性明顯優(yōu)于交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，而且自并勵(lì)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用冗余結(jié)構(gòu)，故障元件可在線進(jìn)行更換，有效地減少停機(jī)概率。該勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行、維護(hù)的要求相對(duì)較低。 1.2電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定水平提高 由于自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)響應(yīng)速度快，電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性大大提高。自并勵(lì)方式保持發(fā) 電機(jī)端電壓不變，對(duì)單機(jī)無窮大系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限功率為：Pmax=VgVs/Xe，(1)式中Vg-機(jī)端電壓；Vs-系統(tǒng)電壓；Ve-發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的等值電抗。而常規(guī)系統(tǒng)在故障過程中只能保持發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢Eq不變，其極限功率為：Pmax=EqVs(Xe+Xd)，(2)式

6、中Eq-發(fā)電機(jī)Q軸暫態(tài)電勢；Xd-發(fā)電機(jī)D軸暫態(tài)電抗。根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算得出Pmax大于Pmax，說明大大提高了靜態(tài)穩(wěn)定極限。對(duì)于可能引起的系統(tǒng)低頻震蕩，可采用先進(jìn)的控制規(guī)律或配置PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器加以解決。發(fā)電機(jī)出口三相短路是自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)最不利的工況，此時(shí)機(jī)端電壓及整流電源電壓嚴(yán)重下降，即使故障切除時(shí)間很短，短路期間勵(lì)磁電流衰減不大，但在故障切除后機(jī)端電壓的恢復(fù)需一定的時(shí)間，自并勵(lì)系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力有所下降。為解決這一問題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中計(jì)算強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)時(shí)，整流電源電壓按發(fā)電機(jī)額定電壓值的80%計(jì)算，即機(jī)端電壓為額定時(shí)強(qiáng)勵(lì)能力提高25%，且目前大中型機(jī)組發(fā)電機(jī)出口均采用了封閉母線，發(fā)電

7、機(jī)端三相短路可能性基本消除。因此，自并勵(lì)系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)高，電壓響應(yīng)速度快，再加上選擇先進(jìn)的控制規(guī)律，能夠有效地提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。1.3減少發(fā)電機(jī)軸系扭振及機(jī)組投資自并勵(lì)靜止系統(tǒng)與三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)相比，取消了主、副勵(lì)磁機(jī)，縮短了機(jī)組長度，減少了大軸聯(lián)接環(huán)節(jié)，因而縮短了軸系長度，提高了軸系穩(wěn)定性，同時(shí)降低廠房造價(jià)，減少機(jī)組投資。 2設(shè)計(jì)、選型中應(yīng)注意的問題 大中型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、選型、調(diào)試、運(yùn)行中需要注意以下問題，才能充分發(fā)揮其響應(yīng)快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，真正提高機(jī)組、電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行水平。2.1自并勵(lì)系統(tǒng)的應(yīng)用條件由于勵(lì)磁輸出受發(fā)電機(jī)端電壓的制約，在某些系統(tǒng)嚴(yán)重故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動(dòng)較大

8、的情況時(shí)不宜采用。它的應(yīng)用通常取決于機(jī)組在系統(tǒng)中的地位、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷分布等因素。文獻(xiàn)1的研究表明：位于主網(wǎng)震蕩中心的發(fā)電機(jī)不宜采用該系統(tǒng)；位于負(fù)載中心或受端機(jī)組，因故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓恢復(fù)慢，影響強(qiáng)勵(lì)能力的發(fā)揮，導(dǎo)致功角振蕩加大或系統(tǒng)電壓過低導(dǎo)致電壓崩潰，亦不宜采用，所以應(yīng)考慮整個(gè)電網(wǎng)，大中型機(jī)組的勵(lì)磁方式不能單一化，需多種方式并存，共同搭配。設(shè)計(jì)規(guī)劃部門應(yīng)考慮電廠在系統(tǒng)中位置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)載特性等因素，根據(jù)電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果科學(xué)地設(shè)計(jì)、選擇發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式。2.2勵(lì)磁變壓器的計(jì)算及選擇勵(lì)磁變壓器的計(jì)算和選擇應(yīng)考慮以下幾方面：a)初期的勵(lì)磁變壓器多為油冷式或普通絕緣干式變壓器，隨著技術(shù)進(jìn)步和價(jià)

9、格的變化，現(xiàn)在已逐漸使用環(huán)氧樹脂干式變壓器，一般采用空氣自然冷卻，不配外殼，戶內(nèi)使用，亦可根據(jù)實(shí)際情況加裝外殼，配置風(fēng)冷系統(tǒng)，同時(shí)需要設(shè)置溫控及溫顯系統(tǒng)，便于監(jiān)視變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。b)為改善可控硅整流橋電壓波形，變壓器多采用三角形-星形(/Y)接線，它的額定容量取決于勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)提供的直流功率值，一次電壓與發(fā)電機(jī)端電壓相同，二次電壓由勵(lì)磁系統(tǒng)的頂值電壓所決定，同時(shí)應(yīng)考慮到在一次電壓為80%額定電壓值時(shí)仍能保證所需的頂值電壓值，提高系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力。c)由于勵(lì)磁變壓器的繞組間存在寄生電容，勵(lì)磁變壓器的電源投入或切除以及大氣過電壓均會(huì)在變壓器中產(chǎn)生過電壓，所以必須采取相應(yīng)措施來限制操作過電壓，目前的解

10、決措施在一、二次繞組間加隔離屏蔽層，在二次繞組接入對(duì)地電容、安裝過電壓吸收裝置等。d)還需要考慮變壓器的阻抗電壓、過載能力、保護(hù)配置，尤其是過流保護(hù)，由于變壓器負(fù)載為可控硅整流橋及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，直流側(cè)短路等效于勵(lì)磁變壓器二次繞組短路，對(duì)此故障保護(hù)方式有很多種，如采用快速熔斷器、快速過流檢測繼電器、在直流側(cè)串入扼流電抗、配置變壓器電流反時(shí)限或定時(shí)限保護(hù)。2.3發(fā)電機(jī)起勵(lì)問題a)在發(fā)電機(jī)電壓建立前，勵(lì)磁變壓器不能提供勵(lì)磁電源，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮起勵(lì)回路及相應(yīng)設(shè)備。通常方式是首先利用起勵(lì)電源對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁，待發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到或大于10%時(shí)通過切換裝置自動(dòng)退出起勵(lì)回路，轉(zhuǎn)換為勵(lì)磁變壓器提供勵(lì)磁電源

11、，需要考慮設(shè)置起勵(lì)電源會(huì)相應(yīng)增加廠用電源容量。b)發(fā)電機(jī)第一次啟動(dòng)及大修結(jié)束后，需要作發(fā)電機(jī)短路、空載試驗(yàn)，并且需對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)做全面檢查，此時(shí)必須為自并勵(lì)系統(tǒng)提供一試驗(yàn)電源，通常做法是從380 V廠用電源直接拉電纜至可控硅整流橋以提供整流電源，亦可在發(fā)電機(jī)升壓變壓器中取抽頭至勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)以提供整流電源，但投資相對(duì)較大。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到將來試驗(yàn)時(shí)采取何種方案并做相應(yīng)準(zhǔn)備工作。2.4可控硅勵(lì)磁功率柜的選擇a)勵(lì)磁功率整流橋的接線方式一般為全控或半控整流橋，較普遍采用可控硅全控橋。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大容量、高參數(shù)的勵(lì)磁功率柜相繼問世，其特點(diǎn)是在單個(gè)可控硅元件選擇上向大電流、高電壓方向

12、發(fā)展以簡化由過多的串、并聯(lián)元件組成的整流橋，據(jù)有關(guān)資料，單個(gè)可控硅元件的參數(shù)已達(dá)2 000 A/4 000 V，使得可控硅整流橋得以簡化，方便裝置檢修、運(yùn)行，同時(shí)使各支路均流、均壓問題相對(duì)易解決。b)可控硅勵(lì)磁功率柜中應(yīng)配置有交流過電壓保護(hù)裝置，據(jù)現(xiàn)場情況采用風(fēng)冷、水冷等不同的冷卻方式，并采取一定措施保證并聯(lián)整流柜均流系數(shù)達(dá)到要求。c)為滿足并聯(lián)功率柜投入和切除操作需要，可在可控硅整流橋支路的交流側(cè)及直流側(cè)設(shè)置高絕緣水平刀閘或斷路器(空氣開關(guān)多為500 V以下的低壓電器，易發(fā)生開關(guān)、整流柜事故)?，F(xiàn)時(shí)較多的廠家產(chǎn)品中，通常將兩個(gè)甚至三個(gè)可控硅橋支路安裝在同一功率柜中，使得在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)功率柜

13、中一支路發(fā)生故障需退出并檢修時(shí)，因該柜其他支路、元件仍處于運(yùn)行狀態(tài)，且位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路，運(yùn)行、檢修人員較難進(jìn)行有關(guān)檢修工作。只能將該故障支路所在的功率柜退出，一定程度上影響了機(jī)組運(yùn)行。如果現(xiàn)場場地條件允許，應(yīng)盡量讓每個(gè)功率柜只安放一可控硅整流橋，方便功率柜的投入、切除操作，以利運(yùn)行、檢修。2.5滅磁及過壓保護(hù)裝置的配置通常在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路設(shè)置滅磁開關(guān)，配備相應(yīng)的線性或非線性滅磁電阻。轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)裝置較多采用非線性電阻(壓敏電阻)來實(shí)現(xiàn)，這種方式較普遍采用。目前國內(nèi)外對(duì)滅磁及過壓保護(hù)裝置的配置有較多的形式及產(chǎn)品，并且均有一定的運(yùn)行記錄，應(yīng)根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況選用。2.6勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的選擇隨著計(jì)算

14、機(jī)技術(shù)的發(fā)展，勵(lì)磁控制已向數(shù)字化方向發(fā)展。數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與老式的模擬調(diào)節(jié)器相比，在功能、可靠性等方面具有極大的優(yōu)勢。現(xiàn)時(shí)投運(yùn)的新機(jī)組及舊機(jī)組改造都已選用微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，并已取得很好的效果和豐富的經(jīng)驗(yàn)。而且隨著勵(lì)磁控制規(guī)律中單變量向多變量、線性向非線性發(fā)展，使得勵(lì)磁調(diào)節(jié)器能夠在改善機(jī)組、電網(wǎng)穩(wěn)定性方面起到更大的作用。國內(nèi)廠家在勵(lì)磁控制方面走在世界前面，其中較為突出的產(chǎn)品是清華大學(xué)的微機(jī)非線性勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。2.7有關(guān)的技術(shù)條件和國家標(biāo)準(zhǔn)為更好地應(yīng)用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，原電力部于1998年頒布了DL/T 650-1998大型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件，同時(shí)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)還必須滿足GB/T 7409-1997同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求，勵(lì)磁變壓器、可控硅元件等還必須滿足有關(guān)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件。這些技術(shù)條件、標(biāo)準(zhǔn)為自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型、調(diào)試驗(yàn)收及運(yùn)行改造提供了依據(jù)。3結(jié)束語同步電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)由于運(yùn)行可靠性高、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越的原因，已成為大中型汽輪發(fā)電機(jī)組