大型同步發(fā)電機(jī)組非線性滅磁電阻控制電壓選取的探討

王海軍，霍乾濤

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061）

1 引言

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，人類社會(huì)對(duì)電力能源的需要越來越大，因而電力系統(tǒng)建設(shè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。與此同時(shí)，有限的一次能源、人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求和發(fā)電機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)能效的考慮，使得新建的發(fā)電機(jī)機(jī)組以超臨界、超超臨界火力發(fā)電機(jī)組和巨型水輪發(fā)電機(jī)組為主流。發(fā)電機(jī)機(jī)組單機(jī)容量的增大，帶來了一系列的需要進(jìn)行思考和研究的課題，如生產(chǎn)工藝、系統(tǒng)絕緣、冷卻、大容量勵(lì)磁系統(tǒng)等。

作為發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行保護(hù)的滅磁系統(tǒng)，正是由于勵(lì)磁系統(tǒng)容量的增大，給其帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如果沒有較好的滅磁控制方案或合適容量的滅磁電阻就會(huì)產(chǎn)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣擊穿、燒壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要有合理的滅磁控制方案及器件參數(shù)的選取。

2 滅磁回路設(shè)計(jì)原理

勵(lì)磁系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)一般采用如圖1所示的接線圖。

圖1 勵(lì)磁主回路典型圖

圖1中，SCR為三相晶閘管整流橋，F(xiàn)MK為磁場(chǎng)斷路器，L為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，D為止逆二極管，Rf為非線性滅磁電阻，Uz為晶閘管整流橋輸出電壓，UK為磁場(chǎng)斷路器開關(guān)電壓，UM為滅磁電阻控制電壓

要使勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁成功，其回路在滅磁過程中滅磁電路電壓應(yīng)該滿足式（1）：

其中：UK為磁場(chǎng)斷路器的最大分?jǐn)嚯妷海籙Mmax為滅磁電阻控制電壓；UZmax為整流裝置輸出的最大電壓。

磁場(chǎng)斷路器的最大分?jǐn)嚯妷菏情_關(guān)弧壓。弧壓選取較低將會(huì)造成勵(lì)磁電流引入滅磁回路失敗，不能有效保護(hù)發(fā)電機(jī)；弧壓選取太高，首先對(duì)開關(guān)的制造提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其次一旦發(fā)生嚴(yán)重故障，有可能由于弧壓太高影響主回路的絕緣。因此磁場(chǎng)斷路器的開關(guān)弧壓要適當(dāng)，現(xiàn)階段大型機(jī)組使用的磁場(chǎng)斷路器弧壓一般為4000V。

可控硅整流裝置輸出的最大電壓與勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)電壓有關(guān)。根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)勵(lì)能力的需求，勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)電壓一般設(shè)計(jì)為1.8倍－2倍的勵(lì)磁電壓。

同時(shí)由式（1）可知，當(dāng)UMmax恒定時(shí)，UK的取值與UZmax有關(guān)。因此對(duì)于大型自并勵(lì)機(jī)組，當(dāng)機(jī)組空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)需要的磁場(chǎng)斷路器弧壓最大，當(dāng)機(jī)組短路時(shí)，需要的磁場(chǎng)斷路器弧壓最小。

3 大型同步發(fā)電機(jī)組滅磁控制電壓設(shè)計(jì)依據(jù)

現(xiàn)階段指導(dǎo)我國(guó)大型機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)主要有《GB/T7409.3-2007 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求》（以下簡(jiǎn)稱GB/T7409.3）、《DL/T843-2010 大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱DL/T843）、《DL/T583-2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱DL/T583）。

以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滅磁控制電壓的選取各有不同。GB/T7409.3主要從配置上要求勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)該具有滅磁功能，并要求“在定子回路內(nèi)部短路或外部短路的工況下和空載誤強(qiáng)勵(lì)的工況下滅磁時(shí)，保護(hù)發(fā)電機(jī)同時(shí)保證勵(lì)磁系統(tǒng)本身的安全”。DL/T843在GB/T7409.3的基礎(chǔ)上針對(duì)滅磁電阻和滅磁控制電壓的選取進(jìn)行了如下規(guī)定：“滅磁電阻宜采用線性滅磁電阻時(shí)其阻值為磁場(chǎng)電阻熱態(tài)值的1倍－3倍，任何情況下過電壓不應(yīng)該超過轉(zhuǎn)子工頻耐壓試驗(yàn)電壓幅值的60%”，但是對(duì)于非線性電阻的配置沒有明確。而DL/T583是在GB/T7409.3的基礎(chǔ)上針對(duì)滅磁電阻和滅磁控制電壓的選取進(jìn)行了如下規(guī)定：“滅磁過程中，勵(lì)磁繞組反向電壓應(yīng)控制在不低于出廠試驗(yàn)時(shí)繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的30%，不超過出廠試驗(yàn)時(shí)繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的50%。”

根據(jù)《ANSI IEEE C37.18-1979（R2003）ANSI IEEE C37.18-1979 （R2003）IEEE Standard Enclosed Field Discharge Circuit Breakers for Rotating Electric Machinery》標(biāo)準(zhǔn)可知，大型機(jī)組故障時(shí)流過轉(zhuǎn)子的電流一般不大于3倍額定勵(lì)磁電流，因此考慮到勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，一般按照3倍勵(lì)磁電流設(shè)計(jì)最大滅磁電流。

由以上設(shè)計(jì)依據(jù)及機(jī)組參數(shù)可知，對(duì)于火電機(jī)組，根據(jù)DL/T843可知滅磁電壓的大小可設(shè)計(jì)為額定勵(lì)磁電壓的3倍－5倍。而對(duì)于水電機(jī)組，根據(jù)DL/T583可知，滅磁控制電壓可設(shè)計(jì)為額定勵(lì)磁電壓的4.5倍－7倍。兩者的選取方式不一致，且水電機(jī)組選取的滅磁控制電壓為火電機(jī)組的1.4倍左右。

機(jī)組隨著單機(jī)機(jī)組容量的增大，負(fù)載額定勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓現(xiàn)在均比較高，部分單機(jī)容量1000MW的火電機(jī)組其勵(lì)磁電壓已經(jīng)達(dá)到了650V，而700MW級(jí)水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組也超過了500V，尤其是現(xiàn)階段我國(guó)正在研制1000MW的水輪發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁電壓接近550V。較高的勵(lì)磁電壓使得滅磁控制電壓較高，在滅磁過程中對(duì)滅磁開關(guān)的要求較高，導(dǎo)致滅磁可靠性降低，因此對(duì)于滅磁電壓的選取進(jìn)行如下的分析。

4 影響滅磁控制電壓的因素分析

滅磁控制電壓的大小主要考慮滅磁控制速度，為了進(jìn)一步對(duì)比不同滅磁控制電壓對(duì)滅磁時(shí)間的影響，選取某700MW水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)進(jìn)行滅磁仿真，機(jī)組參數(shù)如表1所示。仿真工況如圖2－圖10所示。

表1 機(jī)組參數(shù)

4.1 空載誤強(qiáng)勵(lì)工況下的仿真圖

圖2 滅磁控制電壓為1500V的滅磁仿真

圖3 滅磁控制電壓為1800V的滅磁仿真

圖4 滅磁控制電壓為2100V的滅磁仿真

4.2 定子回路外部短路后延時(shí)跳機(jī)端開關(guān)

圖5 滅磁控制電壓為1500V的滅磁仿真

圖6 滅磁控制電壓為1800V的滅磁仿真

圖7 滅磁控制電壓為2100V的滅磁仿真

4.3 定子回路內(nèi)部短路

圖8 滅磁控制電壓為1500V的滅磁仿真

圖9 滅磁控制電壓為1800V的滅磁仿真

圖10 滅磁控制電壓為2100V的滅磁仿真

根據(jù)以上仿真波形得到表2的數(shù)據(jù)。

表2 不同滅磁電壓效果對(duì)比

從表2得出以下的結(jié)論：隨著滅磁電壓的上升，需要滅磁電阻的容量上升，但不明顯；滅磁速度加快但很有限。同時(shí)可知滅磁電阻在負(fù)載機(jī)端內(nèi)部短路時(shí)需要的滅磁電阻容量最大。

對(duì)于以上工程滅磁控制電壓增加600V，滅磁速度僅提高1s，但是對(duì)磁場(chǎng)斷路器的壓力大大增大，反而降低了滅磁的可靠性，可能導(dǎo)致滅磁失敗，因此滅磁控制電壓的選取要有適度。

5 國(guó)外勵(lì)磁系統(tǒng)在大型機(jī)組滅磁控制電壓選取

國(guó)內(nèi)部分大型機(jī)組的電廠其勵(lì)磁系統(tǒng)采用了國(guó)外廠家的設(shè)備，國(guó)外各廠家典型大型同步發(fā)電機(jī)組滅磁控制電壓的選取如表3所示。

表3 進(jìn)口設(shè)備滅磁控制電壓的選取

在表3可以看出，國(guó)外勵(lì)磁廠家對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組電機(jī)組的滅磁控制電壓一般選取為3倍－5倍勵(lì)磁電壓，而在運(yùn)行過程中，也是非常穩(wěn)定可靠，說明該電壓的選取比較合適。

5 結(jié)論

根據(jù)本文以上的分析、計(jì)算仿真和實(shí)物對(duì)比，可以得出如下的結(jié)論：

（1）如果滅磁控制電壓的設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)給滅磁開關(guān)設(shè)備運(yùn)行的安全性和設(shè)備的選取帶來很大的困擾，甚至沒有可用設(shè)備進(jìn)行選擇，所以滅磁控制電壓的選取要適合。

（2）大型自并勵(lì)式靜止勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁工況滅磁電阻容量應(yīng)該以機(jī)端內(nèi)部三相短路工況計(jì)算，而磁場(chǎng)斷路器最小弧壓的選取應(yīng)該以空載誤強(qiáng)勵(lì)選取。

（3）為了便于水輪發(fā)電機(jī)組和火力電機(jī)組滅磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建議兩類發(fā)電機(jī)非線性滅磁電阻滅磁控制電壓選取方法一致，均為額定勵(lì)磁電壓的3倍－5倍。

［1］GB／T 7409.3－2007 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］DL／T843－2010 大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

［3］DL／T583 2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

［4］ANSI IEEE C37.18－1979（R2003）IEEE Standard Enclosed Field Discharge Circuit Breakers for Rotating Electric Machinery［S］.USA New York，NY：Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2003.

［5］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2002.