自并勵機組啟動試臉電源的選擇

白石，兀鵬越，何信林，張登寶

(1.華能大慶熱電廠，黑龍江省大慶市163159;2.西安熱工研究院有限責任公司，西安市710032)

0 引言

自并勵發電機組進行啟動試驗時，為了進行他勵狀態下的發電機短路試驗和空載試驗，需另設一路獨立的臨時他勵電源送至勵磁變壓器高壓側，該電源的容量要能夠滿足發電機短路、空載試驗時所需的勵磁電流。在發電廠內，比較合適的電源是高壓廠用配電段電源，在機組啟動時，該段電源由獨立于機組的啟動變壓器提供。由于該電源屬于臨時性質，因此不包括在設計院的設計范圍，需要試驗人員在現場進行選擇、計算。

如果臨時他勵電源未經核算，有可能在機組整套啟動進行中才發現電源無法滿足啟動試驗要求，勢必影響整個機組試驗進度，有可能為機組順利投產帶來不利影響。因此，試驗前計算他勵電源，才能保證發電機機組的整套啟動試驗安全、順利地完成。他勵電源選擇計算的主要問題是當發電廠高壓廠用電的電壓等級為6～10 kV，僅為勵磁變壓器額定電壓的1/3～1/2時，能否滿足發電機啟動試驗的要求。另外，當勵磁變壓器臨時接至高壓廠用母線后，其原有設置在發電機變壓器組保護裝置中的勵磁變壓器繼電保護功能將失去作用，還需要設置臨時的保護，并結合發電機啟動試驗這一特殊過程，整定合理的專用保護定值。如果對此考慮不周，有可能出現發電機短路、空載試驗達不到預期結果，在某些意外故障下，甚至有可能導致設備的損壞。本文結合我國首臺空冷超臨界機組的啟動調試工作，對自并勵機組啟動試驗勵磁電源的選擇及保護定值計算進行研究。

1 機組簡介

1號機組的系統接線如圖1所示，圖中虛線部分是機組勵磁電源正式接線，在啟動試驗時需斷開。機組參數如表1［1］所示。

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2 勵磁電源的選擇計算

自并勵發電機勵磁系統見圖2。計算他勵電源的步驟為:(1)根據發電機特性曲線，確定試驗所需最大勵磁電流If，乘以試驗轉子溫度70℃時的轉子電阻R70，得到試驗所需勵磁電壓Uf;(2)根據三相全控整流橋關系式求得整流橋陽極電壓Us;(3)將陽極電壓換算到勵磁變壓器高壓側，與高壓廠用電壓比較，判斷他勵電源是否滿足試驗要求［1］。

2.1 發電機試驗最大勵磁電流的確定

根據發電機出廠資料，在發電機特性曲線上，可以查找空載、短路試驗時所需最大勵磁電流。

GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》［2］規定:“發電機電壓應為定子額定電壓值的120%，對于發電機變壓器組之間無斷路器的情況，發電機電壓可以升到額定電壓值的105%”。查特性曲線(圖3)可知，發電機機端電壓為1.05Un時，空載勵磁電流約為2 017 A;發電機電流達到額定電流時，所需勵磁電流約為2 958 A。因此，最大勵磁電流為發電機額定短路試驗時的勵磁電流。

圖3 發電機特性曲線Fig.3 Characteristic curves of generator

2.2 計算試驗時的最大轉子電壓

發電機短路試驗時的轉子電壓為Uf=IfdR70，其中Ifd是勵磁電流。發電機轉子溫度無法直接測量，可以通過氫溫間接估算，轉子溫度比熱氫溫度高20～30℃。試驗時，熱氫溫度測量值為45℃，因此取發電機轉子溫度為70℃。經計算得到 Uf=244.38 V。

2.3 確定陽極電壓

三相全控整流橋的可控硅導通角最小時，輸出電壓最大。勵磁系統最小導通角αmin=30°，勵磁變壓器低壓側電壓為

式中:Kc為強勵倍數;Uf為發電機勵磁電壓;If為發電機額定勵磁電流;XΣ為勵磁變漏抗，一般取4% ～8%;ΣΔU為饋線回路電壓降之和，包括導通兩臂的硅元件的電壓降，線路電阻壓降和轉子碳刷與滑環之間的壓降，一般取2～4 V。

剛開始試驗時，XΣ無法確認，ΣΔU也取為估計值，因此，一般可以把回路總的電壓損耗估計為10%，αmin=30°，cosαmin=0.866。由于空載試驗時不考慮強勵作用，取Kc=1，則可以求得Us=232.25 V。

2.4 計算勵磁變壓器高壓側電壓

將陽極電壓折算到勵磁變壓器高壓側，得到Us=6.308 kV，該機組的高壓廠用電為6 kV等級。因此，該電壓基本與正常高壓廠用電一致，可以滿足啟動試驗要求。

2.5 提高試驗勵磁電流的措施

根據經驗，高壓廠用電壓為10 kV等級時，完全可以滿足發電機短路試驗要求。

高壓廠用電壓為6 kV等級時，還要根據發動機電壓和勵磁變壓器的變比情況，判斷高壓廠用電是否滿足試驗要求。表2統計了部分機組的啟動試驗情況，可見他勵臨時電源無法滿足啟動試驗的情況比較常見。

表2 部分機組啟動試驗情況Tab.2 Unit start-up test

如果臨時電源無法達到試驗要求，可以采取以下措施:

(1)調節啟動備用變壓器有載調壓檔位，提高廠用母線電壓，原則上母線電壓不宜超過6.5 kV。

(2)改變勵磁變壓器的分接頭，如井岡山電廠3、4號機組在調整了分接頭以后，就可以滿足額定短路電流的試驗要求。某些國外的干式變壓器不帶分接頭，如海門電廠1、2號機組采用的ABB進口干式變壓器，就無法采用調整分接頭的辦法來解決這一問題，這在設備采購時要注意。

(3)修改勵磁調節器的最小導通角。為了防止顛覆的發生，一般來說最小導通角不能小于15°。

以上措施可以同時采用，以達到盡可能大的勵磁電流。也有可能采取了以上措施以后，仍然無法達到試驗要求的情況。這是因為設計勵磁變壓器的變比時未考慮到發電機啟動試驗這一特殊工況的要求，勵磁變壓器的變比偏大。例如，華能海門電廠1號機組，在整套啟動試驗時，短路電流只能達到額定電流90%，采取以上措施后，仍舊無法滿足試驗要求。后來在3號機組的建設中，將勵磁變壓器的變比改為27 00/1 100，才滿足了啟動試驗要求。

因此，作為調試人員，在機組啟動前應該預先核算試驗電源的容量，準備好應對措施，才能保證試驗的順利進行。

3 勵磁變壓器非全壓沖擊過程分析

發電機整套啟動前，要由高壓廠用電向勵磁變壓器送電。由于這是勵磁變壓器的首次送電，有可能存在安裝、質量問題，因此必須有繼電保護裝置在發生異常時可靠跳閘。原有勵磁變壓器保護設置于機組保護中，在啟動試驗過程中尚未投運，因此臨時試驗電源需要另設保護。自并勵系統中，勵磁變壓器的額定電壓為發電機電壓，由于6 kV高壓廠用電壓遠低于此，因此，這種情況下的勵磁變壓器勵磁涌流也不同于正常情況，見下文試驗及分析。如果按照正常全壓沖擊變壓器來整定保護定值，有可能會導致事故狀況下保護拒動。

2007年9月，在銅川電廠1號機組啟動試驗中，安裝單位錯將勵磁變壓器低壓側繞組安裝短路。沖擊勵磁變壓器時，由于速斷保護定值按常規考慮躲過勵磁涌流，導致動作值過大而未動作。幸虧還有過負荷保護延時10 s跳閘設置，但已經使得勵磁變壓器在6 kV廠用電壓下短路運行10 s。所幸勵磁變壓器采用過負荷能力極強的干式變壓器，未對勵磁變壓器造成實質性損害［3］。

3.1 變壓器非全壓合閘勵磁涌流分析

本文主要分析額定電壓下變壓器空載合閘勵磁涌流。單相變壓器一次回路電壓方程為

式中:φ為變壓器磁通;R為繞組電阻;Um為變壓器電壓峰值;ω為電壓頻率;α為投入時刻初相角［4-5］。

式(1)的解析解為

式中:φr為合閘時刻鐵芯剩磁;L為繞組電感［4］;φm的表達式為

式中Im為變壓器電流峰值。

式(2)中φ1為穩態磁通;φ2為維持t=0時刻磁通不發生突變而產生的暫態磁通，其初始值大小取決于剩磁大小、極性和α。當α=0時，φ2為最大值φr+2φm，當剩磁 φr與 φm極性相同時，φr+2φm遠大于額定磁通。

φr的大小、極性取決于變壓器上次分閘的時間，這個時間是隨機的。剩磁一般為穩態運行φm的20% ～30%［5］。

在變壓器額定電壓0°時刻合閘的情況見圖4，主磁通φ不對稱于時間軸，該磁通產生的勵磁電流i'0見圖5，也是不對稱的，其峰值可能達到變壓器額定電流的6～12倍。

3.2 低電壓下變壓器空載合閘勵磁涌流

勵磁涌流衰減以后，鐵芯中剩下穩態磁通－φmcos(ωt+α)，見圖6，是一個對稱磁通，該磁通產生一個對稱的較小的勵磁電流i0.1，即變壓器正常勵磁電流，其值一般不大于額定電流的1%。

當機組啟動試驗時，勵磁變壓器接于6 kV廠用母線，電壓僅為勵磁變額定電壓22 kV的27%，那么主磁通也只有額定主磁通的27%，則剩磁僅為額定主磁通的5.4%～8.1%。

因此，額定電壓22 kV的勵磁變壓器，接于6 kV廠用電源空載合閘時，即使φr與φm極性相同，產生的合成磁通也遠遠小于額定磁通，也即遠遠小于鐵芯勵磁特性曲線的飽和值，所以其產生的勵磁電流i0.2將比正常電壓下的勵磁電流i0.1更小。

圖6 正常及低于額定電壓時勵磁電流Fig.6 Magnetizing inrush current under at normal rated voltage or below rated voltage

將勵磁變壓器安裝正確后，再次進行的送電過程中，用錄波器記錄了低電壓情況下勵磁變的勵磁涌流情況，發現勵磁涌流幾乎為0，說明了以上分析的正確性。

4 勵磁試驗電源選擇及保護整定

4.1 機組啟動試驗所需最大試驗電流的確定

發電機啟動試驗期間的勵磁變壓器和轉子繞組的繼電保護由6 kV廠用臨時電源間隔提供，需要計算最大負荷電流，也即試驗所需最大電流。由發電機空載、短路特性曲線可知，發電機短路試驗時的勵磁電流為試驗所需的最大負荷電流。再將此電流折算到勵磁變壓器高壓側，來選擇開關間隔容量以及高壓電纜規格。

根據廠家提供發電機特性曲線，查得發電機短路試驗時的勵磁電流為2 958 A，再折算為交流電流2 413.7 A，則勵磁變壓器高壓側電流為88.9 A，該電流即機組啟動試驗時的最大試驗電流。

4.2 速斷保護的整定

變壓器在額定電壓下空載合閘時，速斷需要考慮躲過變壓器空載勵磁涌流，否則有可能導致變壓器空載合閘時速斷動作［6-8］。但根據上文分析，對于啟動試驗過程中，勵磁變壓器臨時電源接于廠用電源的情況，速斷保護動作電流Iop1只要避開低壓側三相短路電流即可，而不考慮勵磁涌流影響。

式中:Kre1為可靠系數，取1.2;Ik是勵磁變低壓側三相短路電流;na為CT變比。

4.3 過流保護整定

過流保護動作電流按保證變壓器低壓側兩相短路時有足夠的靈敏度來整定，即

式中:Ksen是靈敏系數。

動作時限t2與整流柜熔斷器配合，取t2=0.3 s。

4.4 過負荷整定

過負荷按短路試驗最大勵磁電流下能可靠返回整定。

式中:Krel取1.05;Kr為返回系數，取0.9;I1是勵磁變壓器一次側額定電流。

動作時限t3=10 s，可投跳閘，因為試驗過程一般不會過負荷，出現過負荷電流，也可認為故障狀態。

4.5 接地保護整定

設置一簡單零序過流保護，定值按照高壓廠用電6 kV母線接地電流整定，經短時限跳閘。

4.6 熔斷器的保護配合

如果選擇負荷開關間隔，為了與熔斷器特性配合，不設速斷保護，而過電流時間與高壓側熔斷絲特性配合。

5 結語

(1)自并勵機組啟動試驗的臨時勵磁試驗電源需要預先核算，防止試驗過程中電源不能滿足試驗要求出現，延誤時間。

(2)啟動試驗時，勵磁變壓器臨時接于高壓廠用電源，由于該電壓遠低于額定電壓，在變壓器空載合閘時產生6～8倍額定電流的勵磁涌流，并不會出現可觀的勵磁涌流。

(3)進行自并勵機組啟動試驗臨時電源的保護整定時，速斷及過流保護不考慮勵磁涌流，這是完全符合實際情況的。

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