淺析同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)

劉元斌 李輝

摘要：國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展使得當(dāng)前人們對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)注度較高，需要功能完善的同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)為電力系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制與保護(hù)。本文基于蘭州石化勵磁系統(tǒng)，對同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)所發(fā)揮的作用進(jìn)行概述，并提出了關(guān)于勵磁系統(tǒng)非正常運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)方法，希望為相關(guān)企業(yè)的系統(tǒng)運(yùn)維提供借鑒。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī);勵磁系統(tǒng);勵磁調(diào)節(jié)

引言：隨著社會生產(chǎn)與生活對電能需求量的增大，我國的發(fā)電行業(yè)正積極進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化與改造，數(shù)據(jù)表示，2019年我國社會用電總量為72255億千瓦時(shí)，發(fā)電總量為7503.4TWh，其中同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)在發(fā)電過程中的控制作用不容小覷，隨著發(fā)電量的不斷增大，需要系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行才能更好的發(fā)揮其作用。

1設(shè)備概況

勵磁系統(tǒng)指的是同步發(fā)電機(jī)勵磁電流所控制、保護(hù)的電源和其他相關(guān)設(shè)備的總和，對安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益的提升都至關(guān)重要，中國石油蘭州石化煉油廠300萬噸/年重油催化裝置（以下稱300萬重催）1#發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)，即在國家發(fā)展新常態(tài)背景下進(jìn)行了全面的升級與改造。

其原有勵磁系統(tǒng)是從2003年開始投用的上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院（以下簡稱上海成套院）所生產(chǎn)的DERS-4B型號國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)，隨著生產(chǎn)壓力的逐漸加大，該勵磁系統(tǒng)內(nèi)部電子元器件老化嚴(yán)重運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，保護(hù)裝置性能失靈，給企業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的負(fù)面影響。當(dāng)前蘭州石化采用的是ABB上海發(fā)電機(jī)成套設(shè)計(jì)院所研發(fā)的勵磁系統(tǒng)（主電路圖如下所示），其勵磁調(diào)節(jié)裝置具有高質(zhì)量、高可靠性、調(diào)試時(shí)間短、維護(hù)時(shí)間短的應(yīng)用優(yōu)勢，適用于國內(nèi)300MW及以下等級機(jī)組的三機(jī)勵磁方式。

2同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)的作用

2.1控制機(jī)端電壓分配無功功率

當(dāng)生產(chǎn)作業(yè)中的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，勵磁系統(tǒng)應(yīng)對機(jī)端電壓進(jìn)行給定水平的維持，如果系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，此時(shí)勵磁系統(tǒng)能夠利用勵磁電流的調(diào)節(jié)作用促使機(jī)端電壓始終保持在額定值，避免機(jī)端電壓超過負(fù)荷，給發(fā)電機(jī)造成不良影響。發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中會形成有功功率與無功功率，當(dāng)其正常運(yùn)行時(shí)其有功功率會由原動機(jī)所決定和分配，而無功功率此時(shí)會被勵磁電流所影響，對并聯(lián)運(yùn)行過程的發(fā)電機(jī)組無功功率進(jìn)行合理的分配，避免機(jī)端電壓受到影響。

2.2確保發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定

一般發(fā)電機(jī)組都會采用并聯(lián)運(yùn)行的方式進(jìn)行工作，此種方式下機(jī)組的正常有序運(yùn)行會受到多重因素的影響，從而降低發(fā)電的穩(wěn)定性，給企業(yè)用電帶來負(fù)面影響。靜態(tài)穩(wěn)定法主要指的是當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況受到影響時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)組不會因失穩(wěn)現(xiàn)象而產(chǎn)生非周期失步的情況，同時(shí)能夠逐漸自動恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，在勵磁系統(tǒng)的調(diào)解下，這種靜態(tài)穩(wěn)定的能力將被大幅提升，必要時(shí)還能夠通過提高強(qiáng)勵倍數(shù)而改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性能，從而為發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定提供保障。

2.3增強(qiáng)繼電保護(hù)性能

勵磁系統(tǒng)能夠有效增強(qiáng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的繼電保護(hù)性能，當(dāng)電力系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)自身的勵磁電流相對較小，一旦發(fā)生短路現(xiàn)象，將導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置無法接收到故障信息，不能對系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)。在勵磁調(diào)控系統(tǒng)的支撐下，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵的調(diào)節(jié)，以此來推動電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，促使短路電流有效增強(qiáng)，從而提高繼電保護(hù)裝置所發(fā)揮的作用。

2.4優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行條件

由于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境相對比較惡劣，在一定情況下會影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件，使其無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)行狀態(tài)。通過發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，能夠有效改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，一般可通過增加勵磁強(qiáng)行勵磁以及強(qiáng)行減磁的方式為其正常運(yùn)行創(chuàng)造條件，以此實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的失磁異步運(yùn)行、電機(jī)自啟動并避免過電壓情況的產(chǎn)生，從而達(dá)到改善電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的[1]。

3 300萬重催1#機(jī)非正常運(yùn)行方式下的勵磁調(diào)節(jié)

3.1發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的勵磁調(diào)節(jié)

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，其電流I超前于端電壓U，有功功率P﹥0，而無功功率Q﹤0（即從向系統(tǒng)提供無功功率變?yōu)榱宋障到y(tǒng)的無功功率）。進(jìn)相運(yùn)行將導(dǎo)致：①發(fā)電機(jī)失穩(wěn)運(yùn)行甚至系統(tǒng)震蕩事故;②發(fā)電機(jī)端部漏磁通的發(fā)熱;③發(fā)電機(jī)出口電壓降低，甚至導(dǎo)致煉油廠區(qū)中1變電站系統(tǒng)電壓的降低。可見，控制發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行，不僅對300萬催化裝置，對整個煉油廠區(qū)都尤為重要。當(dāng)300萬1#機(jī)發(fā)生進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，可按下列順序處理：①通過1#主機(jī)室的勵磁控制柜對勵磁系統(tǒng)進(jìn)行增勵操作，將發(fā)電機(jī)調(diào)整至遲相運(yùn)行;②檢查有功、無功的變化情況，判斷是否是向系統(tǒng)提供無功而非向系統(tǒng)吸收無功;③如在自行運(yùn)行方式下，將發(fā)電機(jī)不能調(diào)整至遲相運(yùn)行，應(yīng)轉(zhuǎn)為手動運(yùn)行方式下進(jìn)行上述調(diào)整。

3.2發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的勵磁調(diào)節(jié)

發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷運(yùn)行是指發(fā)電機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)子電流超過了額定值的運(yùn)行。可能引起短時(shí)過負(fù)荷的原因是系統(tǒng)發(fā)生短路故障、發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行、強(qiáng)行勵磁裝置動作以及成群電機(jī)啟動等。過負(fù)荷運(yùn)行的危害是，發(fā)電機(jī)繞組的溫度會超過允許值，若過負(fù)荷數(shù)值較大，時(shí)間也較長的話，將引起發(fā)電機(jī)繞組絕緣加速老化，甚至因溫度過高而造成發(fā)電機(jī)機(jī)械損壞;300萬重催1#機(jī)如果損壞，造成機(jī)經(jīng)濟(jì)損失將是巨大的。1#機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可將勵磁系統(tǒng)進(jìn)行如下調(diào)節(jié)：通過1#主機(jī)室的勵磁控制柜減少勵磁，降低無功負(fù)荷，從而減少定子電流，在此過程中要注意發(fā)電機(jī)電壓不能低于規(guī)定值。

3.3發(fā)電機(jī)失磁時(shí)的勵磁調(diào)節(jié)

發(fā)電機(jī)如果發(fā)生失磁，以我廠300萬重催1#主機(jī)室為例，現(xiàn)場的表計(jì)將可能發(fā)生的現(xiàn)象有：①轉(zhuǎn)子電流表的示值降為零或降到接近于零;②定子電流表指針擺動并且指示增大;③有功功率表指示較小且指針擺動;④無功功率表指示負(fù)值，功率因數(shù)表指示進(jìn)相，發(fā)電機(jī)母線電壓表示值下降并擺動;⑤發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子各部分溫度升高。300萬重催1#機(jī)若發(fā)生上述現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)盡快增加勵磁，若經(jīng)過多次增加勵磁后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁仍然不能恢復(fù)，運(yùn)行人員應(yīng)立即手動將機(jī)組解列，避免引起整個廠區(qū)電網(wǎng)電壓的崩潰。

3.4發(fā)電機(jī)失步時(shí)的勵磁調(diào)節(jié)

發(fā)電機(jī)發(fā)生震蕩或失步時(shí)，其電磁功率減小，在轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不平衡，過剩的機(jī)械轉(zhuǎn)矩驅(qū)使發(fā)電機(jī)加速，轉(zhuǎn)子超出同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，即出現(xiàn)了失步，最終導(dǎo)致異步運(yùn)行。300萬重催1#主機(jī)發(fā)生失步時(shí)，定子電流指示超出正常值，且往復(fù)劇烈擺動;定子電壓表低于正常值，且往復(fù)擺動;有功負(fù)荷及無功負(fù)荷大幅度劇烈擺動;轉(zhuǎn)子電壓和電流表指針在正常值附近擺動。運(yùn)行人員應(yīng)立即增加發(fā)電機(jī)勵磁電流，提高發(fā)電機(jī)電勢，以增加發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。如果是由于發(fā)電機(jī)功率因數(shù)過高引起，則應(yīng)降低有功功率，同時(shí)增加勵磁電流。

結(jié)論：綜上所述，同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定安全有著積極的推動作用，隨著國家對供電方面重視程度的提高，當(dāng)前電力系統(tǒng)正逐漸升級，對勵磁系統(tǒng)進(jìn)行升級與改造是企業(yè)改善電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的重要方法，并需要企業(yè)切實(shí)按照相關(guān)運(yùn)行規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)行勵磁操作，以此來為電力系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]王道云. 同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)智能優(yōu)化研究[D].山東大學(xué)，2019.

[2]范曉明.同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].電工技術(shù)，2018（20）：70-71.