發電機勵磁變壓器二次電壓設計取值的探討

吳跨宇，盧岑岑

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

近年來，隨著電力工業快速發展，電力系統中主力發電機容量已經從300MW和600MW增長到1000MW，單機容量的逐步增大對配套勵磁系統提出了更高的技術要求。目前，大中型發電機組廣泛采用以勵磁變壓器作為大功率整流橋功率電源的靜態勵磁系統，在提高發電機組的控制性能方面效果顯著。

在以勵磁變壓器作為大功率整流橋功率電源的靜態勵磁系統中，勵磁變壓器的二次側額定電壓是重要的參數，其設計取值的合理性直接關系到勵磁系統的性能優劣和安全可靠性。勵磁變壓器二次側額定電壓的選擇受到勵磁系統強勵電壓和強勵電流、功率整流柜和發電機轉子主回路耐壓絕緣水平以及滅磁系統參數配置等方面的影響。同時，勵磁變二次電壓的選擇還影響到勵磁變壓器的最終容量。雖然在相關標準中對勵磁系統的技術指標有具體規定，但是缺少統一、明確和詳細的勵磁變二次側電壓設計原則和核算方法。

為提高發電機組效率，實現節能減排，許多300MW和600MW機組進行了增容改造。針對增容改造后發電機組額定參數變化的情況，需要對勵磁系統參數進行重新核算，尤其是需要確認增容前的勵磁變壓器是否可以滿足增容后發電機組的配套要求。因此，研究整理勵磁變壓器二次電壓設計值的取值方法和原則，以及分析核算電壓取值的限制因素有著積極的意義。

1 勵磁系統強勵能力要求

國家標準[1]規定勵磁頂值電壓倍數：100MW及以上汽輪發電機一般為1.8倍，50MW及以上水輪發電機為2倍；其他一般為1.6倍。對于自并勵勵磁系統，其頂值倍數按80%額定機端電壓確定。汽輪發電機電力行業標準[2]規定，按額定機端電壓考慮時自并勵勵磁系統強勵電壓不小于2.25倍。水輪發電機電力行業標準[3]規定，勵磁強勵電壓倍數一般等于2倍。綜上所述以額定機端電壓為前提條件時，強勵電壓的一般要求可以概括為：采用自并勵勵磁的汽輪發電機為2.25倍，采用自并勵勵磁的水輪發電機為2～2.5倍。

當發電機出現2倍額定勵磁電流強勵時，其強勵電壓輸出由下式描述：

式中：ufmax為強勵電壓；uE為勵磁變二次側電壓；α為勵磁系統晶閘管整流橋最小開放角（強勵角度）；ZE為勵磁變短路阻抗；if為強勵電流。

式（1）前一部分為整流橋在強勵觸發角下的理想輸出電壓，后一部分為強勵電流在勵磁變短路阻抗上產生的壓降，需要在理想輸出電壓中扣除。

以某480MW汽輪發電機為例，其額定勵磁電流448 V，額定勵磁電流3565 A。采用勵磁系統典型參數即觸發角度10°，勵磁變壓器短路阻抗典型折算值0.007為例，則機組要滿足2.25倍頂值電壓Ufn時，其勵磁變二次側電壓：

考慮回路接觸電阻、其他雜散損耗帶來的壓降，取冗余系數為1.02，則

勵磁變二次電壓取810 V以上時，可以認為滿足2倍強勵電流時的2.25倍頂值電壓要求。

2 電氣整套啟動試驗對勵磁系統的要求

2.1 電氣整套啟動試驗對勵磁電流的要求

自并勵勵磁方式的勵磁電源來自于直接接在機端的勵磁變壓器，其供電不需經廠用電系統，由發電機直接經過勵磁變壓器供電給功率整流橋而具有較高的效率。

然而，在新建機組投產或機組大修后電氣整套啟動的發電機短路試驗、發變組帶廠變短路和發變組帶高壓母線短路試驗時，由于機端直接短路或經變壓器短路，接在機端的勵磁變壓器二次電壓不能滿足上述啟動試驗的要求，勵磁系統必須采用他勵接線方式。同時，在發電機空載特性試驗時，為測得精確的數據曲線，避免整套啟動試驗過程中頻繁的改變勵磁變壓器一次側接線，一般也不采用發電機機端帶勵磁變方式進行。因此，自并勵勵磁系統在設計過程中需要考慮啟動試驗的勵磁需要。

圖1是某1000MW汽輪發電機組的設計空載、短路特性，該機組額定勵磁電壓Ufn為437 V（80℃），勵磁電流Ufn為5887 A。

圖1 某1000MW發電機特性

由圖1可知，當發電機空載機端電壓為1.2倍時，其勵磁電流約為3600 A，即61.2%Ifn；當發電機空載機端電壓為1.3倍時，其勵磁電流約為5300 A，即90.0%Ifn；當發電機機端短路且定子電流達到發電機額定定子電流時，其勵磁電流約為4000 A，即67.9%Ifn。發電機空載特性1.3倍額定電壓時勵磁系統的直流側輸出功率為：

表1收集整理了各容量等級典型機組的啟動試驗勵磁電壓和勵磁電流相對于額定勵磁電壓和額定勵磁電流的百分比實測值。

2.2 啟動試驗勵磁電源配置

大型機組一般都直接利用發電機配套的勵磁系統進行電氣整套啟動試驗，目前普遍采用3種方式來解決前述短路試驗和空載試驗時勵磁系統電源配置問題。

（1）采用三相380 V廠用電源直接接入勵磁系統整流橋交流側，作為試驗他勵電源。雖然380 V的整流橋交流側電壓對應輸出的勵磁側直流電壓考慮壓降后能達到450 V，可以滿足大部分發電機的試驗勵磁電壓要求。但是前述1000MW機組在發電機1.3倍電壓時的勵磁功率約為2085 kW。受制于380 V廠用電源容量，一般難以達到試驗的勵磁電流要求，因此僅限于在勵磁容量較小的中小型機組上采用。

（2）采用6kV廠用電備用開關間隔，通過臨時電纜接入勵磁變壓器高壓側，整流橋交流側電源仍來自勵磁變二次側。6kV廠用電備用間隔一般容量較大，可以滿足啟動試驗時的勵磁容量要求。但是如果發電機機端電壓本身較高，例如1000MW機組普遍額定機端電壓為27kV，則折算到勵磁變低壓側電壓相應降為6.3kV/27kV=23.3%，往往不能滿足啟動試驗的最大勵磁電壓要求。這種方式一般僅適用于發電機額定勵磁電壓較低、勵磁變變比較小的機組。或在設計時有意抬高勵磁變二次側額定電壓，但過高的勵磁變二次電壓會帶來其他問題，因此，采用這種方式要經過嚴謹的核算。

（3）勵磁變壓器采用試驗用6kV電源專用中間抽頭方式，即在一次繞組中間抽出1組抽頭，人為降低該組抽頭與勵磁變二次側繞組之間的變比，從而保證6kV電源接入后能夠同時滿足啟動試驗時勵磁電壓和勵磁容量兩方面要求。但是從一次繞組中間抽出抽頭，一方面會提高勵磁變壓器的制造成本，在勵磁變壓器的絕緣、安裝等方面提出更高的要求。另一方面，由于勵磁變壓器一次側電壓降低，相同容量的勵磁輸出情況下相應的在勵磁變一次側繞組中流經的電流大大增加，因此抽頭電壓選擇要注意在最大試驗工況下流經的一次繞組電流不應超過勵磁變壓器的原設計電流值。

3 勵磁變二次電壓取值限制因素

提高勵磁變二次側電壓可以提高發電機勵磁系統強勵能力，從而提升電力系統暫態穩定和電壓穩定水平。同時，較高的勵磁變二次側電壓設計有利于滿足電氣整套啟動試驗對勵磁電壓的要求。然而，過高的勵磁變二次電壓會從以下幾方面對勵磁系統帶來不利影響。

3.1 增加勵磁變壓器容量投資

標準規定，勵磁系統容量應滿足1.1倍額定勵磁電流下長期運行。采用三相可控整流橋的勵磁變二次側電流與發電機勵磁電流的關系為[4]：

式中：IE為勵磁變二次側交流電流；Ifn為發電機額定勵磁電流。

勵磁變額定容量要求為：

式中：SET為勵磁變容量；UE為勵磁變二次電壓；IE為對應發電機額定勵磁電流的勵磁變二次交流電流；k為冗余系數。

計算勵磁變容量時還應考慮整流柜元件損耗、阻容濾波損耗、諧波損耗、換相過程損耗等。另外，從提高效率和可靠性的角度出發，部分靜態勵磁的整流柜大功率散熱風機工作電源來自于勵磁變低壓側，廠用MCC（Motor Control Center）作為備用電源的設計方式。工程上可以一并以容量冗余度參數k考慮上述損耗和實際電源功率消耗，取值可以根據實際情況取1.02～1.1。

以前述480MW燃氣輪發電機組為例：IEn=0.816×Ifn=2909 A，取冗余系數k為1.1，則：SET=1.1×1.1×1.732×810×2909/1000=4938kVA.

同時應該注意到，勵磁變在勵磁系統強勵時具有的短時容量應滿足發電機和勵磁系統的強勵電流和持續時間要求。

表1 不同容量機組空載、短路試驗勵磁電壓、電流百分比

可見，勵磁變壓器的容量主要決定于勵磁變二次電壓和發電機額定勵磁電流。發電機額定勵磁電流與勵磁系統無關，因此勵磁變容量最終取決于勵磁變二次側額定電壓。提高勵磁變二次電壓雖然加快了勵磁系統標稱響應速度，提升了勵磁系統控制性能，但同時也同比地提高了勵磁變的容量，即造價。

3.2 降低空載誤強勵時滅磁可靠性

靜態勵磁系統有著比其他勵磁形式更快的滅磁速度，但同時也對滅磁主回路各組件提出了更高要求，采用直流側滅磁開關滅磁方式的典型主回路如圖2所示。

圖2 自并勵勵磁機組滅磁原理

滅磁回路主要由滅磁開關FCB、滅磁電阻Rx及用于反向阻斷和正向導通控制的串聯晶閘管跨接器組成。由于發電機轉子是個巨大的電感，根據磁鏈守恒原則，FCB跳閘切斷轉子電流后轉子電流不會突變為0。只有滿足下式描述的條件后，轉子電流才能從滅磁開關-整流橋回路轉移進入滅磁電阻回路進行滅磁。

式中：UFCB為滅磁開關弧壓；UE為整流橋輸出電壓；URxmax為滅磁電阻承受最大滅磁電流瞬間的電壓。

根據晶閘管整流器電壓轉換公式關系，在觸發角度不變前提下，直流側勵磁電壓與交流側供電電壓基本成正比。

根據前述，發電機誤強勵整流橋輸出電壓由以下公式決定：

式中：ufmax為整流橋輸出電壓；ug為發電機機端電壓；KET為勵磁變變比；if為勵磁電流；ZE為勵磁變短路阻抗。

因此，當勵磁系統出現空載誤強勵時，其強勵觸發角度不變，整流橋輸出的強勵電壓幅值與變壓器二次側電壓成正比。較高的勵磁變二次電壓帶來較高的誤強勵電壓，再加上自并勵勵磁方式存在的機端電壓與勵磁電壓之間的正反饋效應，大大增加了滅磁開關換流難度，提高了對滅磁開關弧壓的要求[5]，降低了勵磁系統在嚴重故障工況下滅磁的可靠性。

3.3 提高整流橋晶閘管等級要求

晶閘管在擁有較好可控性和高能量密度的同時，具有大功率電力電子器件本體較為脆弱的共性，受到電壓、電流、電壓變化率、電流變化率和溫度等各項參數限制。晶閘管的標稱電壓主要包括斷態重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM，額定電壓UTN值一般取UDRM和URRM中較小的那個數值，并取整至不大于該值的規定電壓等級上，作為晶閘管的額定電壓。選用晶閘管時，應取其額定電壓為正常工作電壓峰值的2～3倍，以耐操作過電壓[4]。

另外，晶閘管電路換相過程中存在換相尖峰，下述峰值電壓計算方法可供參考：

空載誤強勵下，考慮自并勵勵磁發電機機端電壓最高可達到1.5倍[5]，則交流峰值電壓：

式中：UEN為發電機額定機端電壓。

考慮晶閘管換相尖峰電壓后勵磁電壓的暫態峰值：

式中：1.5～2.5為換相尖峰值與交流電壓峰值的倍數，這一倍數的取值與整流橋交流側換相抑制回路設計有關，在晶閘管選取時可視同電壓裕度系數。

由于晶閘管元件設計制造時，一般按電壓等級分檔，提高勵磁變二次電壓，相應提高了晶閘管的額定電壓要求，降低了選定的對應等級晶閘管的電壓裕度，因而勵磁變二次電壓不宜設計過高。

3.4 提高勵磁主回路絕緣耐壓要求

國家標準規定，當勵磁電流小于1.1倍額定值時，勵磁繞組兩端所加的整流電壓最大瞬時值應不大于勵磁繞組出廠試驗電壓的30%[1]。電力行業標準規定，如裝設發電機轉子過電壓保護裝置，其動作電壓值應低于轉子繞組出廠工頻耐壓試驗電壓幅值的70%[2]。上述這2個數值既與峰值電壓相關，又與滅磁開關斷開時的電弧電壓有關。而這些電壓值都與勵磁變壓器二次電壓直接或間接相關，提高勵磁變二次電壓值即同時提高了換相峰值電壓和滅磁開關的弧壓設計要求，從而降低勵磁繞組兩端的過電壓瞬時值設計的冗余度。

4 結語

發電機勵磁變壓器二次電壓作為重要涉網參數，直接影響發電機勵磁系統的性能和安全可靠性運行。在符合相關標準要求的前提下，應參考現場試驗要求，協調各種制約因素，不斷優化勵磁變壓器二次電壓的取值。

[1]GB/T 7409.3同步電機勵磁系統大、中型同步發電機勵磁系統技術要求[S].北京：中國電力出版社 2007.

[2]DL/T 843-2010大型汽輪發電機勵磁系統技術條件[S].北京：中國電力出版社，2011.

[3]DL/T 583-2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件[S].北京：中國電力出版社，2006.

[4]李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]吳跨宇.基于空載誤強勵滅磁對發電機過電壓保護整定的研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（2）∶98-101.