超超臨界汽輪發電機試驗站勵磁系統設計

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(哈爾濱五聯電氣設備有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

電力電子技術的發展，不單能滿足傳統機械設備的技術要求，而且更節能、環保。在本文勵磁系統設計中，由電力電子整流裝置代替旋轉勵磁機組，節省了設備投資及運行維護。基于電力二極管的單相導通特性，選用電力二極管代替機械快速開關，避免了在試驗過程中對機械快速開關嚴格的合閘同步性要求。

1 勵磁系統整流部分設計

本試驗站勵磁系統采用了電力電子整流裝置，電氣控制原理如圖1所示。由10kV電網供電，經高壓開關送到整流變壓器1TR，整流變壓器1TR為裂解式三繞組變壓器，一次側繞組為三角形(△)接法，二次側兩個繞組一個為三角形(△)接法，一個為星形(Y)接法。二次側兩個繞組輸出線電壓相等相位相差30°，形成原邊12相整流效果，減少了對電網的諧波污染和電流脈動。二次側兩個繞組電壓分別送到大功率整流柜，兩組整流電源分別經過均衡電抗器LF1、LF2給被試汽輪發電機勵磁供電。

每組整流柜安裝一個三相全控整流橋，單臺整流柜額定電流4 200A、6 000A過載60s，滿足勵磁裝置7 000A、150%過載60s的試驗要求。

圖1 勵磁系統電氣控制原理圖

在以往電機試驗站建設中，勵磁系統采用旋轉勵磁機組提供勵磁，主要是需滿足電機做突然短路試驗對勵磁系統的要求，即“勵磁系統額定電流值至少應為被試電機空載勵磁電流的兩倍，而電樞電阻不大于主機勵磁機電樞電阻”。

試驗時，將電樞電壓調節到0.2UN，測取If，本次1 200MW級汽輪發電機在電樞電壓調節到0.2UN時所測取的If為830A。根據本勵磁系統所采用整流晶閘管的管壓降為0.7V，可求得整流裝置部分單支整流管的電阻為R1=1.4/(830/2)≈0.00337349Ω。兩路中平波電抗器在環境溫度15℃時的實測電阻值為0.001611Ω(環境溫度15℃)。

R75℃=R15℃×(T+t75℃)/(T+t15℃)

=0.001611×(225+75)/(225+15)

=0.00201375Ω

式中，t15℃—測量時環境溫度；T—電阻溫度常數(銅線取235，鋁線取225)；t75℃—換算溫度(75℃)；R15℃—測量電阻值;R75℃—換算溫度下電阻值。

勵磁系統單支路電阻值為R=R1+R75℃=0.00337349Ω+0.00201375Ω=0.00538724Ω，由系統原理圖得整套勵磁裝置為兩條整流支路的并聯，因此勵磁系統整流裝置及平波電抗器的總阻值為0.00269362Ω。

被試發電機轉子繞組直流電阻為0.0548Ω(環境溫度75℃)，由計算可得勵磁系統電阻值遠小于被試發電機轉子繞組直流電阻值，滿足試驗標準要求。本試驗站做突然短路試驗時所拍攝的電流波形如圖2所示。

圖2 突然短路試驗電流波形

通過電機試驗驗證，在電機做突然短路試驗時所拍攝的勵磁電流波形效果理想，試驗結果與設計參數相符。

3 勵磁系統快速開關的設計

在電機試驗中采用電樞繞組開路時勵磁電流衰減法測定Td0′、采用電樞繞組短路時勵磁電流衰減法測定Td′參數時需將勵磁系統短路，傳統試驗站采用機械快速開關實現，線路圖如圖3、圖4所示。

圖3 Td0′參數測定試驗接線示意圖

圖4 Td′參數測定試驗接線示意圖

電機試驗時對系統中的三相直流快速開關兩相接入勵磁支路，單相接入勵磁系統正負極之間。接入勵磁支路中的兩相開關狀態與接入勵磁系統正負極之間單相開關的狀態相反。勵磁系統正常供給勵磁時兩相開關的狀態為閉合狀態，勵磁系統正負極之間單相開關的狀態為斷開狀態。試驗操作時分斷勵磁支路中的兩相開關，勵磁系統正負極之間單相開關閉合，進行試驗測量。電機試驗對機械快速開關的動作同步性要求很高，機械維護困難。在本次設計系統中采用電力二極管替代三相開關，勵磁支路如圖5所示。

圖5 電力二極管續流接線示意圖

本系統中電機繞組與勵磁系統正負極對應接線，電力二極管接線端接至電機繞組與勵磁電源正端接線端。勵磁系統正常供給勵磁時，由電力二極管的單向導電性可知二極管支路反向截止，沒有電流。在做試驗需要短接勵磁裝置時，直接斷開勵磁系統滅磁開關。電機繞組開始放電，相對極性改變，電力二極管起電機繞組線圈的續流作用，完成試驗測量。

此勵磁接線設計已經過試驗驗證，由電力二極管完成續流的方案完全滿足試驗要求。相對于傳統的直流快速開關控制，本方案更便于試驗的操作。

4 滅磁方案的選擇

本試驗方案中勵磁系統滅磁裝置采用單相快開完成，系統原理如圖6所示。

圖6 勵磁系統圖

圖中通過控制QF快速開關實現勵磁系統的滅磁，滅磁線路包括滅磁電阻和電子滅磁裝置。被試電機需要斷開勵磁時，分斷QF快速開關，被試電機繞組與滅磁線路串聯組成滅磁回路。

5 結語

將現代電力電子技術應用于電機試驗站，替代原有的機械直流快速開關設備，是科技發展的必然。經過試驗驗證，在電機試驗站勵磁系統中電力電子器件完全可替代原來應用的機械直流快速開關設備，滿足電機試驗的要求。

本試驗站的勵磁系統所采用的電力電子設備，節省了試驗站的一次投資，使試驗操作更簡捷，日常維護費用減少很多，降低了噪聲污染。

[1] GB 755—2008旋轉電機 定額和性能．中國國家標準化管理委員會，2008．

[2] GB 1029—2005 三相同步電機試驗方法．中國國家標準化管理委員會，2005．

[3] GB 7409—1987大中型同步發電機勵磁系統基本技術條件．中國國家標準化管理委員會，1987．

[4] 湯蘊璆，羅應立．電機學(第3版)．北京：機械工業出版社，2008.5．