錦界電廠三期工程4*1000MW機(jī)組勵磁方式選擇

賈樹旺

(神華陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司 ，陜西 神木 719300)

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)的性能直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。勵磁系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，其各部件質(zhì)量的好壞，是影響整個機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、滿發(fā)的重要因素之一。同時，勵磁系統(tǒng)性能也對電力系統(tǒng)有一定的影響。自并勵勵磁系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快，發(fā)電機(jī)軸系短，經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，在國外大型發(fā)電機(jī)組中早已得到廣泛的應(yīng)用。

1 1000MW大型發(fā)電機(jī)組的幾種主要勵磁方式：

目前國內(nèi)外600MW機(jī)組及以上大型機(jī)組的勵磁系統(tǒng)主要有以下兩種方式：

1.1 自并激靜止勵磁系統(tǒng)

也稱有刷勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)勵磁電源取自發(fā)電機(jī)端，經(jīng)大容量勵磁變壓器、可控硅整流供給發(fā)電機(jī)勵磁。國際上使用自并激勵磁系統(tǒng)的公司主要有：ABB、美國GE公司、東芝、日立等。國內(nèi)東方電機(jī)廠引進(jìn)的日立技術(shù)，亦為自并激勵磁系統(tǒng)，鄒縣、綏中、靈武電廠發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)廠制造生產(chǎn)，勵磁系統(tǒng)均為自并激靜止勵磁系統(tǒng)。

1.2 無刷勵磁系統(tǒng)

它由帶旋轉(zhuǎn)整流器的交流勵磁機(jī)、永磁副勵磁機(jī)及自動電壓調(diào)節(jié)器等幾部分組成。無刷勵磁系統(tǒng)根據(jù)其主勵磁機(jī)的勵磁電源的來源，可分為兩類：一類為主勵磁機(jī)勵磁電源取自付勵磁機(jī)（永磁式）的無刷勵磁系統(tǒng)，即他勵無刷勵磁系統(tǒng)，一類為主勵磁機(jī)勵磁電源取自發(fā)電機(jī)端，有發(fā)電機(jī)機(jī)端經(jīng)小容量的勵磁變、可控硅整流，供給主勵機(jī)勵磁，即自勵無刷勵磁系統(tǒng)。

2 無刷勵磁系統(tǒng)概述

在他勵和自勵交流勵磁機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的勵磁電流全部由可控硅（或二極管）供給，而可控硅（或二極管）是靜止的故稱為靜止勵磁。在靜止勵磁系統(tǒng)中要經(jīng)過滑環(huán)才能向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流。滑環(huán)是一種轉(zhuǎn)動接觸元件。隨著發(fā)電機(jī)容量的快速增大，巨型機(jī)組的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)子電流大大增加（3000～5000安培），轉(zhuǎn)子滑環(huán)中通過如此大的電流，滑環(huán)的數(shù)量就要增加很多。為了防止機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中個別滑環(huán)過熱，每個滑環(huán)必須分擔(dān)同樣大小的電流。為了提高勵磁系統(tǒng)的可靠性取消滑環(huán)這一薄弱環(huán)節(jié)，使整個勵磁系統(tǒng)都無轉(zhuǎn)動接觸的元件，就產(chǎn)生了無刷勵磁系統(tǒng)，如圖1所示：

圖1 無刷勵磁系統(tǒng)方案之一：自勵無刷勵磁

副勵磁機(jī)FL是一個永磁式中頻發(fā)電機(jī)，其永磁部分畫在旋轉(zhuǎn)部分的虛線框內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)無刷勵磁，主勵磁機(jī)與一般的同步發(fā)電機(jī)的工作原理基本相同，只是電樞是旋轉(zhuǎn)的。其發(fā)出的三相交流電經(jīng)過二極管整流后，直接送到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路作勵磁電源，因?yàn)閯畲艡C(jī)的電樞與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)，所以它們之間不需要任何滑環(huán)與電刷等轉(zhuǎn)動接觸元件，這就實(shí)現(xiàn)了無刷勵磁。

主勵磁機(jī)的勵磁繞組JLLQ是靜止的，即主勵磁機(jī)是一個磁極靜止，電樞旋轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。靜止的勵磁機(jī)勵磁繞組便于自動勵磁調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對勵磁機(jī)輸出電流的控制，以維持發(fā)電機(jī)端電壓保持恒定。如圖2所示。

圖2 無刷勵磁系統(tǒng)方案之二：他勵無刷勵磁

在方案一中，考慮到勵磁機(jī)勵磁繞組LLQ的時間常數(shù)，其響應(yīng)速度較慢。為了提高響應(yīng)速度可以采用方案二，就是將可控硅整流橋裝設(shè)旋轉(zhuǎn)部分，代替方案一旋轉(zhuǎn)部件中的二極管整流橋。方案二中由中頻副勵磁機(jī)ZPF供電給交流主勵磁機(jī)JL的直流勵磁繞組JLLQ。可控硅的觸發(fā)脈沖由同軸旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)脈沖發(fā)生器PG供給。

3 自并勵靜止勵磁系統(tǒng)概述

勵磁機(jī)本身就是可靠性不高的元件，可以說它是勵磁系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)之一，因勵磁機(jī)故障而迫使發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行的事故并非鮮見，故相應(yīng)地出現(xiàn)了不用勵磁機(jī)的勵磁方案。自并勵系統(tǒng)中，除去轉(zhuǎn)子本體極其滑環(huán)這些屬于發(fā)電機(jī)的部件外，沒有因供應(yīng)勵磁電流而采用的機(jī)械轉(zhuǎn)動或機(jī)械接觸類元件，所以又稱為全靜止式勵磁系統(tǒng)。其中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流電源由接于發(fā)電機(jī)機(jī)端的整流變壓器ZB提供，經(jīng)可控硅整流向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，可控硅元件SCR由自動勵磁調(diào)節(jié)器控制。

4 不同勵磁方式的性能比較

4.1 強(qiáng)勵倍數(shù)及響應(yīng)比比較

強(qiáng)勵倍數(shù)，即強(qiáng)行勵磁電壓與勵磁機(jī)額定電壓Ue之比。無刷勵磁系統(tǒng)由于外特性較硬，不受機(jī)端電壓波動的影響，在系統(tǒng)擾動需要強(qiáng)勵時，能較好的強(qiáng)勵。自并激靜止勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵電壓和電流倍數(shù)均可達(dá)到2倍，但1000MW大型發(fā)電機(jī)組無刷勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵倍數(shù)一般只能做到1.8倍，而強(qiáng)勵倍數(shù)的大小對增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、短路切除后，電壓恢復(fù)速度、過流保護(hù)動作的可靠性等暫態(tài)功角穩(wěn)定影響較為明顯，且自并激勵磁系統(tǒng)勵磁響應(yīng)速度快，其強(qiáng)行勵磁時起始電壓響應(yīng)速度比較高，對于遠(yuǎn)距離輸電滿足電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定要求是非常有利的，我公司接入系統(tǒng)報告雖未完成，但從目前來看，不管是接入河北南網(wǎng)，還是接入特高壓電網(wǎng)，均處于電網(wǎng)的末端，自并激勵磁系統(tǒng)可以通過變壓器靈活地選擇強(qiáng)勵倍數(shù)，可以較好地滿足電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的要求。因此自并激勵磁系統(tǒng)在上述方面優(yōu)勢較為明顯。

4.2 對繼電保護(hù)的影響

（1）采用自并激靜止勵磁系統(tǒng)時，由于發(fā)電機(jī)的勵磁電流取自發(fā)電機(jī)端，因此發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變化將對勵磁輸出產(chǎn)生影響，若強(qiáng)勵倍數(shù)較低時，發(fā)電機(jī)機(jī)端及近端短路時，電流衰減快，后備保護(hù)有可能拒動。若強(qiáng)勵倍數(shù)達(dá)到2倍時，短路故障對電流衰減基本沒有影響。

（2）采用他勵無刷勵磁系統(tǒng)時，由于勵磁電源取自獨(dú)立的永磁勵磁機(jī)，其功率來自發(fā)電機(jī)端，因此發(fā)電機(jī)機(jī)端及近端短路時，其勵磁功率不受影響，短路電流的衰減不會影響勵磁電流，主保護(hù)及后備保護(hù)不受影響，均能動作。

（3）采用自勵無刷勵磁系統(tǒng)時，雖然其主勵磁機(jī)勵磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，但因?yàn)椴捎猛饧又绷鲃畲烹娫矗鋭畲磐馓匦暂^好，發(fā)電機(jī)機(jī)端及近端短路均不影響主保護(hù)及后備保護(hù)的動作。同時由于發(fā)電機(jī)的勵磁電源是經(jīng)主勵磁機(jī)供給的，增加了勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)，因而短路電流的衰減較慢。

（4）無刷勵磁系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)組出口附近發(fā)生短路故障時，強(qiáng)勵能力強(qiáng)，有利于提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平，自并勵可控硅勵磁系統(tǒng)的缺點(diǎn)是它的勵磁電源來自發(fā)電機(jī)端，受發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變化的影響。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降時其強(qiáng)勵能力下降，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定不利。

4.3 滅磁性能的比較

發(fā)變組回路發(fā)生電氣短路或接地故障時希望盡快切除故障，對于自并激靜止勵磁系統(tǒng)，由于斷開滅磁開關(guān)后能對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路直接滅磁，因而滅磁較快。而他勵無刷勵磁系統(tǒng)和自勵無刷勵磁系統(tǒng)，不能對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁回路直接滅磁，只能在主勵磁機(jī)磁場回路中設(shè)置滅磁裝置，發(fā)電機(jī)勵磁繞組只能靠自然衰減滅磁，因而發(fā)電機(jī)的滅磁時間較長，故障電流衰減慢，延長發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時間。同樣在主變壓器故障時，延長了主變壓器內(nèi)部故障時間。

4.4 檢測及報警問題比較

自并激靜止勵磁系統(tǒng)的靜止整流器故障信號容易發(fā)出，同時由于有備用的靜止整流器，可在不影響機(jī)組運(yùn)行條件下更換故障整流器，既方便，又不致引起機(jī)組停機(jī)。對于無刷勵磁系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)整流器在故障或保險絲熔斷時需要有一套特殊的裝置，同時旋轉(zhuǎn)整流器在故障或保護(hù)熔斷絲熔斷超過一定數(shù)量時，只能靠停機(jī)來更換處理。

無刷勵磁系統(tǒng)，無法用常規(guī)方法測量轉(zhuǎn)子電壓和電流，監(jiān)視發(fā)電機(jī)勵磁回路的絕緣。但對自并激勵磁系統(tǒng)，就不存在此問題。

4.5 運(yùn)行維護(hù)比較

無刷勵磁系統(tǒng)勵磁電源獨(dú)立，不受系統(tǒng)電壓波動干擾，強(qiáng)勵能力不受發(fā)電機(jī)短路和電網(wǎng)電壓大幅度下降的影響，可靠性高。自并勵勵磁系統(tǒng)正常運(yùn)行時由于自動電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角，從而直接調(diào)節(jié)供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流，所以調(diào)節(jié)快速；而采用無刷勵磁時，則自動電壓調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)交流主勵磁機(jī)自產(chǎn)磁場回路，其時間常數(shù)長。自并激靜止勵磁系統(tǒng)雖然在發(fā)電機(jī)變壓器組高壓母線近處發(fā)生三相短路時，機(jī)端電壓大幅下降，強(qiáng)勵倍數(shù)受到影響，對系統(tǒng)穩(wěn)定性有影響，但因電網(wǎng)都配有快速動作的繼電保護(hù)裝置及快速斷路器，能夠?qū)⒍搪饭收峡焖偾谐坏┕收锨谐l(fā)電機(jī)端電壓即迅速恢復(fù)，由于其調(diào)節(jié)速度快，轉(zhuǎn)子勵磁電壓在幾個周波內(nèi)就達(dá)到頂值。因此自并勵勵磁系統(tǒng)對改善暫態(tài)穩(wěn)定效果比無刷勵磁系統(tǒng)效果好。

4.6 安裝及維護(hù)比較

無刷勵磁系統(tǒng)整流器組件安裝要求高，由于無碳刷，旋轉(zhuǎn)部分工作在密封環(huán)境中，工作環(huán)境較好，也無碳粉問題，正常運(yùn)行時維護(hù)工作量小。但整流元件及熔斷絲故障超過一定數(shù)量時，維修及更換元件需停機(jī)，故障檢修工作量更多。

自并激靜止勵磁系統(tǒng)安裝較為簡單，由于有碳刷、封母、勵磁開關(guān)、勵磁變、大功率整流硅元件等暴露在空氣中，工作環(huán)境較差，易發(fā)生故障，必須經(jīng)常性的對集電環(huán)－碳刷系統(tǒng)進(jìn)行檢查和精心維護(hù)，因此日常運(yùn)行維護(hù)工作量相對較大，維護(hù)不當(dāng)會產(chǎn)生局部過熱、火花和燒壞，碳粉處理不當(dāng)將降低勵磁回路的絕緣可靠性，但由于其除滑環(huán)外無旋轉(zhuǎn)部件，維修一般不需要停機(jī)，元件更換方便。

4.7 經(jīng)濟(jì)性比較

無刷勵磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流元件需進(jìn)口，價格昂貴，故機(jī)組成本較高；且由于自并激勵磁系統(tǒng)無主、副勵磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流裝置在發(fā)電機(jī)的大軸上，從而縮短了發(fā)電機(jī)組的軸系，降低了發(fā)電機(jī)的造價；同時由于縮短了汽輪發(fā)電機(jī)組基座長度，也使投資減少。因此，采用自并勵勵磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組比采用無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組造價低，性能價格比高。

5 自并激靜止勵磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型中應(yīng)注意的問題

大中型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵靜止勵磁系統(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。

（1）勵磁變壓器一般應(yīng)采用環(huán)氧樹脂干式變壓器，加裝外殼，同時設(shè)置溫控及溫顯系統(tǒng)；變壓器應(yīng)采用三角形2星形接線，并考慮到在一次電壓為80%額定電壓值時仍能保證所需的頂值電壓值，提高系統(tǒng)的強(qiáng)勵能力；應(yīng)采取相應(yīng)的措施防止勵磁變壓器的電源投入或切除等過程中變壓器會產(chǎn)生過電壓。

(2)在發(fā)電機(jī)電壓建立前，勵磁變壓器不能提供勵磁電源，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須考慮起勵回路及相應(yīng)設(shè)備；并考慮發(fā)電機(jī)第一次啟動及大修結(jié)束后作發(fā)電機(jī)短路、空載試驗(yàn)時為自并激系統(tǒng)提供的試驗(yàn)電源。

(3)勵磁功率整流橋的接線方式易采用可控硅全控橋。由于機(jī)組容量較大，建議選擇大電流、高電壓元件組成的整流橋。

(4)為滿足并聯(lián)功率柜投入和切除操作需要，應(yīng)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，方便功率柜的投入、切除操作，以利運(yùn)行、檢修。

結(jié)語

自并激靜止勵磁系統(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，現(xiàn)已成為1000MW大型汽輪發(fā)電機(jī)組的主要勵磁方式之一，只要設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行、檢修人員熟悉掌握其特點(diǎn)并注意其問題所在，1000MW機(jī)組應(yīng)用自并激靜止勵磁系統(tǒng)是完全可行的。因此，我公司三期工程4*1000MW發(fā)電機(jī)組推薦采用自并激靜止勵磁方式。

【1】薛學(xué)斌.1000MW機(jī)組發(fā)電機(jī)勵磁方式的選擇[J].電工技術(shù)，2008(01).