電廠電氣總起動試驗中勵磁系統相關問題探討

劉世富，王澤眾，陳 茜

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250002；2.華北電力大學，北京 102206）

0 引言

發電機勵磁系統是給同步發電機提供勵磁電流的電源及其附屬設備統稱，它一般由勵磁功率單元和勵磁調節器兩個主要部分組成。勵磁系統是發電機的重要組成部份，它對電力系統及發電機本身的安全穩定運行有很大的影響。電氣總起動中的發電機短路、空載等試驗均需要勵磁系統來配合完成，因此勵磁系統試驗在一定程度上直接決定著電氣總起動的成敗。

1 勵磁變壓器

目前電廠電氣總起動試驗中，90%以上機組的勵磁系統采用自并勵勵磁 （圖1）。勵磁變壓器是自并勵勵磁系統重要的組成部分，勵磁變壓器是專門為發電機勵磁系統提供三相交流電源的裝置。 電氣總啟動試驗中的發電機短路和空載試驗勵磁系統給發電機提供勵磁電流，然而試驗中，由于勵磁變高壓側連接發電機出口的電壓不能滿足試驗要求，因此需要外接臨時電源。現場一般采用勵磁變高壓側連接高壓廠用電源的方式，這種連接方式在試驗準備的過程中需要注意以下問題。

圖1 自并勵系統

1.1 勵磁變壓器臨時電纜規格

電氣總起動試驗中，自并勵勵磁系統試驗需要外接他勵電源進行。因此，現場試驗前的準備工作，需要從高壓廠用電引一路電源連接勵磁變高壓側，廠用電源與勵磁變高壓側之間的電纜選取原則是，電纜能否提供滿足勵磁系統的短路空載試驗所需要的勵磁電流。

圖2 典型的發電機短路空載特性圖

滿足勵磁系統的短路空載試驗所需要的勵磁電流的電纜規格必須符合廠用電源電壓與試驗電流兩個條件。在電壓已知的情況下，發電機的短路空載試驗決定了勵磁電流大小，進而決定了勵磁變高壓側電纜所需電流。 由典型發電機短路空載特性圖（圖2）可知，在發電機短路特性試驗中，發電機定子電流達到額定值需要0.7 Ifn，空載時發電機額定定子電壓時需要0.35 Ifn，1.05 Ugn所需要的勵磁電流0.4 Ifn。另外，試驗中需要注意電刷與集電環之間的接觸壓降是一個變數，新換的電刷接觸壓降較小，電刷越磨損接觸壓降越大，計算時候通常按照5 V考慮，這是因為確定電纜規格需要考慮一定的余量。

注意事項：將圖1的連接處斷開，安全距離應考慮發變組空載特性試驗時機端電壓達到1.05 Ugn的要求。

1.2 勵磁變壓器分接頭

按照試驗要求，勵磁變壓器高壓側外接了符合要求的廠用電源，短路試驗過程中，增加勵磁到可控硅最小觸發角，如果發電機定子電流依然未達到發電機的額定定子電流，試驗數據就不符合措施要求。這個問題需要外接電纜之前加以考慮，計算勵磁變二次側電壓即可控硅的陽極電壓是否滿足短路試驗要求。如果可控硅陽極電壓不滿足試驗要求，則需要按照勵磁變壓器說明書進行相應的調整，使之抬高勵磁變二次側電壓，進而滿足短路試驗所需要的發電機勵磁電流。

1.3 臨時電源開關柜保護定值

廠用電源開關柜綜保裝置電流需要按試驗進行臨時的修改，過流保護定值需要按照高壓開關、勵磁變、臨時電纜等設備的電流瓶頸整定。由于電纜是按照試驗的最低標準要求選擇配備，因此過流保護定值應按照電纜的電流整定。

1.4 勵磁變壓器相序及電壓

勵磁變的二次電壓重要性上文已經提到，二次側相序也同樣重要，反相序會導致勵磁系統誤強勵，后果非常嚴重。因此試驗前，需要測量可控硅的陽極電源幅值及相序，要求電壓相序為正相序，測量電壓要求大于計算電壓1.1倍。

2 發變組短路試驗

2.1 短路特性試驗

在短路特性試驗中，確定一個短路點，并滿足發電機定子額定短路電流，送上勵磁變臨時電源，緩慢增加勵磁，定子電流升至額定，然后單調的減磁到零，監視定子電流、勵磁電流，定子電流不超過額定值，勵磁電流不超過0.8 Ufn。短路曲線是線性的曲線，在短路試驗中，可以在上升過程和下降過程中，分別記錄8～10個點的模擬量。例如華潤菏澤廠600MW機組短路特性曲線，如圖3。

圖3 600MW機組短路特性曲線

2.2 電壓回路的檢查

在發變組短路試驗中，短路點在主變高壓側，發電機的極端電壓會因為主變壓器的短路阻抗隨定子電流的增加而升高，因此通過電壓回路的檢查可以提前發現電壓回路的危險點，使危險點消除在短路試驗的過程中，大大降低人身、設備的損害。可參考幾個發電廠的短路試驗數據，見表1。

表1 幾個電廠短路數據統計

從表1可以看出，目前新建機組的主變短路阻抗大多在13%～19%之間，因此在短路試驗的期間，根據定子電壓幅值完全滿足電壓回路的檢查要求，確認是否存在短路點，及早排除安全隱患。

3 發變組空載試驗

一般空載試驗都是發變組的試驗，由于發電機定子電壓達到1.3 Ugn時會使變壓器產生過激磁，措施要求發變組空載試驗將發電機定子電壓升至1.05 Ugn。當具備空載試驗條件時，緩慢增加勵磁，使定子電壓升至1.05 Ugn，然后減磁到零，監視定子電壓、勵磁電流，定子電壓不超過1.05 Ugn，勵磁電流不超過0.4 Ufn。由典型發電機特性曲線可知，定子電壓在0.75 Ugn以下為線性關系，定子電壓繼續升高時為飽和曲線。發變組空載特性曲線的線性部分和飽和曲線部分的模擬量記錄需要分別對待，定子電壓在0.75 Ugn以下，記錄6～8個點；定子電壓0.75 Ugn～1.05 Ugn之間，記錄8～9個點。例如華潤菏澤廠600MW機組空載特性曲線，如圖4。

圖4 600MW機組空載特性曲線

4 勵磁系統空載試驗

根據不同的勵磁調節器、不同的勵磁方式，試驗項目也有所不同，以Unitrol5000為例，勵磁方式為自并勵方式，試驗項目如下：

手動方式起勵升壓；

手動方式3%階躍試驗；

手動方式逆變滅磁；

自動方式起勵升壓；

自動方式10%階躍試驗，調整PID參數；

手自動方式切換；

自動方式跳滅磁開關滅磁；

EGC階躍試驗；

V/Hz限制器試驗；

PT斷線試驗；

手自動方式切換；

自動方式通道切換；

手動方式通道切換；

整流柜的均流試驗。

兩個通道分別進行上述項目試驗。

5 勵磁系統參數測試

發電機勵磁控制系統對電力系統靜態穩定性、動態穩定性和暫態穩定性的影響較大。 在電力系統穩定計算中，勵磁系統模型和參數不同，計算結果也將出現較大的差異。因此選擇能夠正確反映設備實際運行狀態的數學模型和設備參數是進行電力系統穩定計算的關鍵，也是保證電網安全運行、提高電力生產效率的有效措施之一。根據電網安全的要求，新建機組必須進行勵磁系統模型參數實測工作，勵磁系統參數測試的工況要求，基本和電氣總起動要求一致，因此將勵磁系統參數測試工作融入到電氣總啟動試驗中是非常經濟的做法。

5.1 發電機空載特性試驗

空載特性試驗項目與電氣總起動試驗項目重疊，只是參數測試的數據要求后期仿真分析，而總起動的數據可以作為現場第一手資料留下，作為以后大修試驗比對數據。因此準確嚴格的試驗數據，可以供兩個試驗使用。

5.2 發電機時間常數Td0′的測試

發電機縱軸暫態開路時間常數Td0′測試，實際是在發電機空載不飽和時，測量發電機轉子回路充電或放電的時間常數。 按照此原則，使轉子電壓發生上階躍或下階躍時，轉子電流上升或下降的時間常數即為Td0′。針對自并勵發電機組，在臨時勵磁電源下可控硅定角度階躍法測量Td0′或斷開臨時電源的方法測量Td0′。因此發電機時間常數Td0′的測試需安排在電氣總起動空載特性完成后，臨時電源還未拆除時進行。這就需要將電氣總起動與模型參數測試措施進行綜合考慮，合理安排試驗步驟。

5.3 檢查可控硅觸發角范圍的測量試驗

自并勵機組的可控硅陽極電壓隨極端電壓變化而變化的，在進行大階躍試驗時，可控硅的陽極電壓是不穩定的，這樣給后期數據處理帶來很大的麻煩，而且數據也不夠準確，因此檢查可控硅觸發角范圍的測量試驗一般在他勵的工況下進行，其優點是陽極電壓穩定、計算的觸發角范圍準確。 需要注意的是，計算時應該使用在可控硅導通的情況下的陽極電壓測量值，而不能使用可控硅未導通的情況下的陽極電壓測量值，否則計算結果誤差比較大。

5.4 階躍響應試驗

按照國家標準和行業規程要求，勵磁系統空載試驗應進行10%階躍響應試驗；按國網企業標準，參數測試試驗需要進行5%、10%、20%的階躍響應試驗。調試的勵磁系統中，10%階躍響應試驗會使調節器的某個限制器動作影響到試驗品質，因此建議按5%階躍響應試驗指標調整PID參數，然后根據試驗要求進行10%、20%階躍響應試驗并錄取波形分析。

6 結語

作者曾參加過不同容量機組三十多次電氣總起動試驗，上文勵磁系統相關問題的探討是這些試驗中總結的一些實際經驗，希望與同行交流和共同探討。