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发电机静止励磁系统（1） |
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| 发电机静止励磁系统（1） |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-23 16:26:46  |
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发电机静止励磁系统
0 引言
随着发电机容量的不断增大，对励磁系统的要求越来越高。传统的直流励磁机励磁因大电流下的火花问题无法使用，三机励磁系统则因系统复杂、机组轴系稳定性等问题而受到越来越多的限制；自并激静止励磁系统以其接线简单、可靠性高、工程造价低、调节响应速度快、灭磁效果好的特点而得到越来越广泛的应用。特别是随着电子技术的不断发展和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激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。自上世纪90年代后期以来，新建国产300MW机组已几乎全部采用自并激静止励磁系统。我省水电厂应用较广，如马迹塘、东江、五强溪、凌津滩等；而火电最先在益阳电厂2×300MW机组上采用，在建的鲤鱼江、株洲、耒阳等电厂300MW机组也全部采用这种励磁系统。
1 自并激静止励磁系统的特点
自并激静止励磁系统由励磁变压器、可控硅功率整流装置、自动励磁调节装置、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。其原理如图1所示。自并激静止励磁方式与旧的励磁方式相比，具有以下几方面的特点：
1.1 系统简单，可靠性高
对直流励磁机和三机励磁系统来说，旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的比例，如直流励磁机产生火花、交流励磁机线圈松动和振动等，而且旋转部分的运行和维护工作量很大。而自并激静止励磁系统由于取消了旋转部件，没有了换向器、轴承、转子等，系统结构和接线大大简化，在大幅减小运行和维护工作量的同时，也大大减少了事故隐患，可靠性明显优于直流和交流励磁机励磁系统，而且自并激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。特别是英国Rolls-Royce公司独特的“三选一”系统，大大提高了机组励磁系统的可靠性。
1.2 减少发电机组轴系扭振及工程造价
与三机励磁系统相比，自并激静止励磁系统取消了主、副励磁机，大大缩短了机组长度（单机约6-8m）,不但减少了大轴联接环节，缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性，同时还使主厂房长度大副减小，可以较大幅度地降低工程造价。
1.3 提高电力系统的稳态、暂态稳定水平
由于自并激静止励磁系统采用可控硅电子技术，系统响应速度快，电力系统静态稳定性大大提高。在小干扰时，可以保持发电机端电压恒定。自并激方式能够保持发电机端电压不变，对单机无穷大系统，发电机静态稳定极限功率为：
Pmax=VgVs/Xs (1)
式中Vg为发电机机端电压；Vs为系统电压；Xs为发电机与系统的等值电抗。
根据式(1)和(2)计算得出Pmax大于P′max，即静态稳定极限提高了。在自并激系统最不利的发电机出口三相短路工况下，机端电压即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仍需一定的时间，自并激系统的强励能力必然有所下降。为此在设计整流电源电压时按发电机额定电压的80%计算,加上大中型机组发电机出口均采用了封闭母线，机端三相短路可能性基本消除。因此，自并激系统强励倍数高，电压响应速度快，以及先进的控制模型，能够有效地提高系统暂态稳定水平。以高压出口三相短路为例，强励按2倍计算，自并激励磁系统的暂态稳定水平与实际时间常数Te=0.35s的常规励磁系统基本相同。如果一个电网全部采用自并激励磁系统，则暂态稳定水平比常规励磁更好：当发生三相短路时，除离故障点近的自并激机组受电压降落影响外，其余机组端电压数值较高，这些快速调节性能提高了系统的暂态稳定性。
2 系统的设计和选型
2.1 系统稳定核算
根据目前设计规划的要求，任何新建机组采用自并激静止励磁系统时都必须进行系统温度的计算校核。由于励磁输出受发电机端电压的制约，在某些系统严重故障导致系统电压波动较大的情况时不宜采用。它的应用通常取决于机组在系统中的地位、系统网络结构、负荷分布等因素。文献〔1〕的研究表明：位于主网震荡中心的发电机不宜采用该系统；位于负载中心或受端机组，因故障系统电压恢复慢，影响强励能力的发挥；功角振荡加大或系统电压过低导致电压崩溃，亦不宜采用，所以应考虑整个电网。设计计算时要考虑电厂在系统中位置及网络结构、负载特性等因素，根据电网稳定计算的结果确定是否可以采用自并激静止励磁系统。
2.2 励磁变压器
a.首先，励磁变压器应优先使用环氧树脂干式变压器，空气自然冷却，不配外壳，户内使用，如环境不允许则可加装外壳，配置强迫风冷系统，同时需要设置温度测量及控制装置，便于监视和控制变压器的运行状态。
b.励磁变压器必须采用三角形—星形(Δ/Y)接线，以避免3次谐波在发电机母线系统的产生，并优化直流电压波形。
c.励磁变压器的参数主要考虑其容量、二次侧电压和励磁系统的顶值电压。励磁变压器的容量必须满足发电机转子最大励磁功率的要求，国产300MW机组一般选择在3000kV·A左右，而二次电压应考虑整流桥系统的绝缘和电压耐受水平，同时应考虑到在一次电压为80%额定值时仍能保证所需的强励顶值电压值，以提高系统的稳定能力。
d.由于励磁变压器的绕组间存在寄生电容，励磁变压器的投入或切除以及大气过电压均会再产生过电压，因此必须采取相应措施来限制过电压水平，目前的解决措施一般是在一、二次绕组间加隔离屏蔽层，在二次绕组接入对地电容、安装过电压吸收装置等。
e.此外，还要考虑变压器的阻抗电压、过载能力、保护配置，尤其是过流保护，如采用快速熔断器、过流检测继电器、直流侧串入扼流电抗、配置电流反时限或定时限保护等。
2.3 可控硅整流柜
a.励磁功率整流桥的接线方式一般为6相全控桥。在设计中必须采用冗余结构，根据机组励磁电流要求选择3～4个并联支路，正常情况1～2个支路就可以满足励磁容量的要求，故障时可以在线进行更换，维护方便。一般选择大电流、高电压的可控硅元件以简化过多的串、并联元件，简化检修，方便运行维护，同时各支路间均流、均压问题变得相对容易解决。
b.可控硅励磁功率柜中必须配置交流过电压保护装置，并采取一定措施保证并联整流柜均流系数达到要求。
c.在整流桥各支路的交流侧及直流侧可考虑设置绝缘水平较高的刀闸或开关，以方便并联功率柜投入和切除，以及各支路故障切除、在线更换和检修。目前多数产品中，通常将2个甚至3个可控硅桥支路安装在同一功率柜中，使得在实际运行中，当功率柜中一支路发生故障需退出并检修时，因该柜其他支路、元件仍处于运行状态，且位于发电机转子励磁回路，运行、检验人员较难进行有关检修工作，只能将该故障支路所在的功率柜退出，一定程度上影响了机组运行。
2.4 灭磁方式
自并激励磁系统灭磁方式比较灵活，通常情况下，在发电机转子回路设置灭磁开关，配备相应的线性或非线性灭磁电阻以及转子过电压保护装置。正常停机时一般采用逆变灭磁，事故情况下采用灭磁开关灭磁或交流灭磁，以尽可能减少灭磁开关的大电流动作次数，提高其可靠性和寿命。
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