大型汽輪發(fā)電機(jī)制造中的勵(lì)磁方式選型

馮旭

摘要：勵(lì)磁系統(tǒng)是近年來應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)組的新型技術(shù)，并且勵(lì)磁技術(shù)在方式上存在很多種類，其種類不同對于電力系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行的穩(wěn)定狀況以及繼電保護(hù)和發(fā)電機(jī)的軸系安全的影響也就不同，從而在經(jīng)濟(jì)上也會(huì)產(chǎn)生差別。文章通過對不同的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行比較，提出自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁系統(tǒng)；制造；選型

同步發(fā)電機(jī)中的核心部位便是勵(lì)磁系統(tǒng)，其性能對于發(fā)電機(jī)整體的運(yùn)行特性會(huì)產(chǎn)生直接性的影響。機(jī)械最重要的就是質(zhì)量，尤其是大型機(jī)械，而機(jī)械整體質(zhì)量的好壞就取決于各個(gè)零部件的質(zhì)量好壞，其影響的是整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。并且勵(lì)磁系統(tǒng)通過對于發(fā)電機(jī)的影響從而影響整個(gè)電力系統(tǒng)。

自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)在國外已經(jīng)早在上世紀(jì)就開始普遍的被應(yīng)用于大型的發(fā)電機(jī)組，其自身所具有的高速的影響速度以及較短的發(fā)電機(jī)軸和較為經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)，是成為其被廣泛推廣的重要原因。但是我國由于整個(gè)電網(wǎng)的建設(shè)都相對落后，因此使用自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)容易造成設(shè)備故障，比如有可能引發(fā)發(fā)電機(jī)的出口處的三相短路等，從而威脅系統(tǒng)，故而很少對其進(jìn)行應(yīng)用。隨著我國在電力方面的投入加大，城鄉(xiāng)建設(shè)進(jìn)程不斷的推進(jìn)。電網(wǎng)在容量上也隨之不斷的發(fā)展擴(kuò)大，勵(lì)磁系統(tǒng)開始廣泛的在國內(nèi)的一些大型的發(fā)電機(jī)設(shè)備中采用，并展現(xiàn)出應(yīng)有的優(yōu)越性。本文就是通過對多種歷次方式進(jìn)行相互的比較以及分析，希望可以通過比較對自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行推廣。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)種類

以下就目前所使用的600MW以及600MW以上的大型機(jī)組中所使用到的勵(lì)磁系統(tǒng)做出簡要的分析。目前應(yīng)用比較多的幾種有：無刷式的勵(lì)磁系統(tǒng)、自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)以及P棒式的勵(lì)磁系統(tǒng)。

1.1 無刷式的勵(lì)磁系統(tǒng)。無刷式的勵(lì)磁系統(tǒng)主要的組成部件包括了交流勵(lì)磁機(jī)，并且?guī)в行D(zhuǎn)整流，包括了用磁副勵(lì)磁機(jī)還有自動(dòng)的電壓調(diào)節(jié)裝置等。國際上很多大型的品牌汽輪發(fā)電機(jī)都采用了這種無刷式的勵(lì)磁系統(tǒng)。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(lì)磁方式而是多種同時(shí)采用。另外在國內(nèi)阿爾濱的電機(jī)廠以及上海的電機(jī)廠在600MW的汽輪發(fā)電機(jī)中均都使用了西屋公司提供的起始響應(yīng)高的這種勵(lì)磁系統(tǒng)，并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1.2 自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)。這種勵(lì)磁系統(tǒng)是利用發(fā)電機(jī)的端電壓作用于勵(lì)磁變壓器，通過可控硅對發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁電源的提供，需要注意的是對于可控硅應(yīng)當(dāng)采用靜態(tài)的。國際上采用了這種自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)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(nèi)采用此種勵(lì)磁方式的機(jī)電廠是東方機(jī)電廠，其引進(jìn)了日立的技術(shù)。東方機(jī)電廠設(shè)計(jì)的第一臺600MW的汽輪式發(fā)電機(jī)是同日立公司合作并以日立作為主導(dǎo)產(chǎn)生的，供給給了鄒縣電廠的五號機(jī)，第二臺則是東方機(jī)電廠為主導(dǎo)生產(chǎn)的，供給給了鄒縣電廠的六號機(jī)。這兩臺均是采用了自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)。此外，哈爾濱以及上海的電機(jī)廠也計(jì)劃開始使用這種勵(lì)磁方式進(jìn)行600MW的發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)。

1.3 P棒式的勵(lì)磁系統(tǒng)。美國的GE公司在發(fā)電機(jī)的定子槽中專門埋設(shè)了線棒以供勵(lì)磁電源使用。這種方式便是P棒式的勵(lì)磁系統(tǒng)。

2 可行性分析

從國內(nèi)到國外，自并勵(lì)式的勵(lì)磁系統(tǒng)在大型的發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用狀況可以看出，很多國家在對于機(jī)械的制造中，開始優(yōu)先對自并勵(lì)的勵(lì)磁方式進(jìn)行選擇。在日本，自并勵(lì)的勵(lì)磁方式已經(jīng)成為了公認(rèn)的可以提高整個(gè)電力系統(tǒng)在運(yùn)行上的穩(wěn)定性基本方式。并且在英國，近些年的機(jī)組都是安裝的自并勵(lì)式的發(fā)電機(jī)組。而對于早期使用的交流勵(lì)磁機(jī)也逐步的搞成了自并勵(lì)式的勵(lì)磁機(jī)，這也是由于此種勵(lì)磁方式對于系統(tǒng)穩(wěn)定性具有的提高作用。

從國內(nèi)的情況來看，主要進(jìn)口大機(jī)組多采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，如石洞口2×600MW機(jī)組，鄒縣電廠三期2×600MW機(jī)組等，所有機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后其自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)越性受到用戶的好評。

通過大機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)踐以及對大型汽輪發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的可行性分析，目前已普遍得出一個(gè)共性的結(jié)論，即隨著電力網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大型汽輪發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)是可行的。

2.1 對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響

從暫態(tài)功角穩(wěn)定要求考慮，大型汽輪發(fā)電機(jī)推廣采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)是可行的。在電網(wǎng)中，個(gè)別發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)高壓出口三相短路，在較低強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下（在80%額定機(jī)端電壓時(shí)，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為1.6倍），暫態(tài)功角穩(wěn)定水平與常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)相比，基本相同，而全網(wǎng)均采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，在低強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下，暫態(tài)功角穩(wěn)定水平優(yōu)于全網(wǎng)機(jī)組均采用常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)。強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)提高后，自并勵(lì)系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯。

2.2 對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的影響從暫態(tài)電壓穩(wěn)定要求出發(fā)，大型汽輪發(fā)電機(jī)推廣采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)也是可行的，它不會(huì)降低系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平，而且可以提高系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平，甚至可以使某些條件下暫態(tài)電壓不穩(wěn)定的系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定。

2.3 對繼電保護(hù)的影響

自并勵(lì)勵(lì)磁方式對繼電保護(hù)是有影響的，特別是對發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)，但是實(shí)際上，對于600MW機(jī)組經(jīng)封閉母線接到主變壓器后直接接入電網(wǎng)的接線方式，雖然由于采用了自并勵(lì)勵(lì)磁方式在發(fā)電機(jī)機(jī)端多了一個(gè)故障元件（勵(lì)磁變壓器），但由于發(fā)電機(jī)出口三相短路的幾率很小，一般是不考慮真正的機(jī)端故障（若真是機(jī)端故障，那么差動(dòng)保護(hù)會(huì)在幾十毫秒切除發(fā)電機(jī)），考慮到最嚴(yán)重的故障形式應(yīng)是主變壓器高壓側(cè)三相短路.對于這樣的短路形式，也很少出現(xiàn)，而且一旦出現(xiàn)，機(jī)組的快速差動(dòng)保護(hù)能正確動(dòng)作，短路電流不會(huì)影響繼電保護(hù)動(dòng)作。

2.4 對發(fā)電機(jī)軸系安全的影響

隨著汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量增大和電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，運(yùn)行中不斷出現(xiàn)新的問題，其中之一是機(jī)組軸系扭振問題，到目前為止已出現(xiàn)過好幾起發(fā)電機(jī)軸系破壞事故，從已發(fā)生過的事例看，大軸損壞事故都發(fā)生在發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)之間或勵(lì)磁機(jī)與副勵(lì)磁機(jī)之間，由于自并勵(lì)勵(lì)磁方式?jīng)]有同軸旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁機(jī)和副勵(lì)磁機(jī)，比無刷勵(lì)磁方式縮短了發(fā)電機(jī)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(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定性，到目前為止，除了在電氣性能上滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行要求外，在結(jié)構(gòu)上也應(yīng)有利于發(fā)電機(jī)組本身的安全運(yùn)行，對勵(lì)磁系統(tǒng)性能進(jìn)行分析比較時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)軸系安全的影響應(yīng)當(dāng)是選擇勵(lì)磁方式時(shí)一個(gè)不可忽視的因素.故發(fā)電機(jī)選用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)對改善發(fā)電機(jī)軸系的安全運(yùn)行是十分有利的。