大型汽輪發電機制造中的勵磁方式選型

馮旭

摘要：勵磁系統是近年來應用于大型發電機組的新型技術，并且勵磁技術在方式上存在很多種類，其種類不同對于電力系統整個運行的穩定狀況以及繼電保護和發電機的軸系安全的影響也就不同，從而在經濟上也會產生差別。文章通過對不同的勵磁系統進行比較，提出自并勵式的勵磁系統。

關鍵詞：發電機；勵磁系統；制造；選型

同步發電機中的核心部位便是勵磁系統，其性能對于發電機整體的運行特性會產生直接性的影響。機械最重要的就是質量，尤其是大型機械，而機械整體質量的好壞就取決于各個零部件的質量好壞，其影響的是整個機組的經濟性。并且勵磁系統通過對于發電機的影響從而影響整個電力系統。

自并勵式的勵磁系統在國外已經早在上世紀就開始普遍的被應用于大型的發電機組，其自身所具有的高速的影響速度以及較短的發電機軸和較為經濟適用的特點，是成為其被廣泛推廣的重要原因。但是我國由于整個電網的建設都相對落后，因此使用自并勵式的勵磁系統容易造成設備故障，比如有可能引發發電機的出口處的三相短路等，從而威脅系統，故而很少對其進行應用。隨著我國在電力方面的投入加大，城鄉建設進程不斷的推進。電網在容量上也隨之不斷的發展擴大，勵磁系統開始廣泛的在國內的一些大型的發電機設備中采用，并展現出應有的優越性。本文就是通過對多種歷次方式進行相互的比較以及分析，希望可以通過比較對自并勵式的勵磁系統進行推廣。

1 勵磁系統種類

以下就目前所使用的600MW以及600MW以上的大型機組中所使用到的勵磁系統做出簡要的分析。目前應用比較多的幾種有：無刷式的勵磁系統、自并勵式的勵磁系統以及P棒式的勵磁系統。

1.1 無刷式的勵磁系統。無刷式的勵磁系統主要的組成部件包括了交流勵磁機，并且帶有旋轉整流，包括了用磁副勵磁機還有自動的電壓調節裝置等。國際上很多大型的品牌汽輪發電機都采用了這種無刷式的勵磁系統。諸如：西門子、三菱、阿爾斯通和西屋等知名品牌，并且這些公司往往不是只是用一種勵磁方式而是多種同時采用。另外在國內阿爾濱的電機廠以及上海的電機廠在600MW的汽輪發電機中均都使用了西屋公司提供的起始響應高的這種勵磁系統，并取得了一定的經驗。

1.2 自并勵式的勵磁系統。這種勵磁系統是利用發電機的端電壓作用于勵磁變壓器，通過可控硅對發電機進行勵磁電源的提供，需要注意的是對于可控硅應當采用靜態的。國際上采用了這種自并勵式的勵磁系統的主要包括：ABB公司、羅羅公司、美國的GE公司還有日立和東芝公司。而國內采用此種勵磁方式的機電廠是東方機電廠，其引進了日立的技術。東方機電廠設計的第一臺600MW的汽輪式發電機是同日立公司合作并以日立作為主導產生的，供給給了鄒縣電廠的五號機，第二臺則是東方機電廠為主導生產的，供給給了鄒縣電廠的六號機。這兩臺均是采用了自并勵式的勵磁系統。此外，哈爾濱以及上海的電機廠也計劃開始使用這種勵磁方式進行600MW的發電機組生產。

1.3 P棒式的勵磁系統。美國的GE公司在發電機的定子槽中專門埋設了線棒以供勵磁電源使用。這種方式便是P棒式的勵磁系統。

2 可行性分析

從國內到國外，自并勵式的勵磁系統在大型的發電機組中的應用狀況可以看出，很多國家在對于機械的制造中，開始優先對自并勵的勵磁方式進行選擇。在日本，自并勵的勵磁方式已經成為了公認的可以提高整個電力系統在運行上的穩定性基本方式。并且在英國，近些年的機組都是安裝的自并勵式的發電機組。而對于早期使用的交流勵磁機也逐步的搞成了自并勵式的勵磁機，這也是由于此種勵磁方式對于系統穩定性具有的提高作用。

從國內的情況來看，主要進口大機組多采用自并勵勵磁方式，如石洞口2×600MW機組，鄒縣電廠三期2×600MW機組等，所有機組并網運行后其自并勵勵磁系統的優越性受到用戶的好評。

通過大機組并網運行的實踐以及對大型汽輪發電機采用自并勵勵磁系統的可行性分析，目前已普遍得出一個共性的結論，即隨著電力網規模的不斷擴大，大型汽輪發電機采用自并勵勵磁系統是可行的。

2.1 對系統暫態功角穩定的影響

從暫態功角穩定要求考慮，大型汽輪發電機推廣采用自并勵勵磁系統是可行的。在電網中，個別發電機采用自并勵勵磁系統時，當高壓出口三相短路，在較低強勵倍數下（在80%額定機端電壓時，強勵倍數為1.6倍），暫態功角穩定水平與常規勵磁系統相比，基本相同，而全網均采用自并勵勵磁系統時，在低強勵倍數下，暫態功角穩定水平優于全網機組均采用常規勵磁系統。強勵倍數提高后，自并勵系統的優勢明顯。

2.2 對系統暫態電壓穩定的影響從暫態電壓穩定要求出發，大型汽輪發電機推廣采用自并勵勵磁系統也是可行的，它不會降低系統的暫態電壓穩定水平，而且可以提高系統的暫態電壓穩定水平，甚至可以使某些條件下暫態電壓不穩定的系統變為穩定。

2.3 對繼電保護的影響

自并勵勵磁方式對繼電保護是有影響的，特別是對發電機的后備保護，但是實際上，對于600MW機組經封閉母線接到主變壓器后直接接入電網的接線方式，雖然由于采用了自并勵勵磁方式在發電機機端多了一個故障元件（勵磁變壓器），但由于發電機出口三相短路的幾率很小，一般是不考慮真正的機端故障（若真是機端故障，那么差動保護會在幾十毫秒切除發電機），考慮到最嚴重的故障形式應是主變壓器高壓側三相短路.對于這樣的短路形式，也很少出現，而且一旦出現，機組的快速差動保護能正確動作，短路電流不會影響繼電保護動作。

2.4 對發電機軸系安全的影響

隨著汽輪發電機組單機容量增大和電網容量不斷擴大，運行中不斷出現新的問題，其中之一是機組軸系扭振問題，到目前為止已出現過好幾起發電機軸系破壞事故，從已發生過的事例看，大軸損壞事故都發生在發電機與勵磁機之間或勵磁機與副勵磁機之間，由于自并勵勵磁方式沒有同軸旋轉的勵磁機和副勵磁機，比無刷勵磁方式縮短了發電機大軸，減少了軸系固有扭振模式，大大降低了軸系扭振損壞的可能性，提高了整個機組的安全穩定性，到目前為止，除了在電氣性能上滿足電力系統運行要求外，在結構上也應有利于發電機組本身的安全運行，對勵磁系統性能進行分析比較時，勵磁系統對發電機軸系安全的影響應當是選擇勵磁方式時一個不可忽視的因素.故發電機選用自并勵勵磁系統對改善發電機軸系的安全運行是十分有利的。