大型汽轮发电机励磁方式选型

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的性能直接影响发电机的运行特性。励磁系统性能的优劣，其各部件质量的好坏，是影响整个机组安全、经济、满发的重要因素之一。同时，励磁系统性能也对电力系统有一定的影响。自并励励磁系统以其响应速度快，发电机轴系短，经济等特点，在国外大型发电机组中早已得到广泛的应用。而在我国，过去由于电网相对较弱，大容量发电机组采用自并励励磁系统，如在发电机出口三相短路可能对系统稳定造成威胁，因此较少采用。但是近年来，我国电力发展迅速，电网容量不断扩大，国内大型发电机组采用自并励励磁系统方式已经得到广泛的应用，且其优越性得到进一步的证实。本文希望通过对各种励磁系统方式的比较和分析研究，从而推广大型发电机组采用自并励励磁系统。1 励磁系统方式目前，国内外600mw及以上大机组励磁系统主要有以下几种方式。1.1 无刷励磁系统它由带旋转整流器的交流励磁机、永磁副励磁机及自动电压调节器等几部分组成。国际上运行中的汽轮发电机主要采用无刷励磁的公司有：西屋、三菱、gec－阿尔斯通、西门子等，所有这些公司往往同时使用2种甚至3种励磁方式。国内上海电机厂、哈尔滨电机厂的600mw汽轮发电机励磁系统，均采用西屋公司的高起始响应的无刷励磁系统，并具有一定的运行经验。1.2 自并励励磁系统用发电机端电压经励磁变压器，并采用静态可控硅提供发电机励磁电源。国际上使用自并励励磁系统的公司主要有：abb、美国ge公司、罗－罗(r－r)、东芝、日立等。国内东方电机厂引进的日立技术，亦为自并励励磁系统。东方电机厂与日立公司合作设计的600mw汽轮发电机，第1台以日立公司为主生产，供邹县电厂5号机，第2台以东方电机厂为主生产，供邹县电厂6号机，两台机的励磁系统均为自并励励磁系统。哈尔滨电机厂和上海电机厂也将生产配套600mw发电机组的自并励励磁系统。1.3 p棒励磁系统在发电机定子槽内埋设专供励磁电源的线棒，主要制造厂商为ge公司。2 采用自并励励磁系统的可行性从自并励励磁系统在国内外的应用情况来看，自并励励磁方式已成为许多国家优先选用的主要励磁方式，也是日本各电力公司公认的提高电力系统稳定性的基本措施，英国近年来新装机组也全部采用自并励励磁方式，并且将一些早期安装的交流励磁机改为自并励励磁系统，以提高电力系统稳定性。从国内的情况来看，主要进口大机组多采用自并励励磁方式，如石洞口2×600mw机组，邹县电厂三期2×600mw机组等，所有机组并网运行后其自并励励磁系统的优越性受到用户的好评。通过大机组并网运行的实践以及对大型汽轮发电机采用自并励励磁系统的可行性分析，目前已普遍得出一个共性的结论，即随着电力网规模的不断扩大，大型汽轮发电机采用自并励励磁系统是可行的。以沁北电厂为例，沁北电厂为2×600mw机组，采用自并励励磁系统，为了确保不影响系统稳定，沁北有限责任公司特委托中国电力科学研究院就《沁北电厂2×600mw发电机励磁装置采用自并励时对系统稳定的影响》做了详细的数学模型分析计算。结果表明，采用自并励励磁系统，可以保证沁北电厂2台600mw汽轮发电机电力的安全稳定外送。2.1 对系统暂态功角稳定的影响从暂态功角稳定要求考虑，大型汽轮发电机推广采用自并励励磁系统是可行的。在电网中，个别发电机采用自并励励磁系统时，当高压出口三相短路，在较低强励倍数下(在80％额定机端电压时，强励倍数为1.6倍)，暂态功角稳定水平与常规励磁系统相比，基本相同，而全网均采用自并励励磁系统时，在低强励倍数下，暂态功角稳定水平优于全网机组均采用常规励磁系统。强励倍数提高后，自并励系统的优势明显。 表1、2是1988年11月电力科学研究院对沁北电厂暂态功角稳定的计算结果。由表1、2可见，沁北电厂600mw发电机采用自并励励磁系统，可以满足系统的大干扰稳定，与采用常规三机励磁系统相比，暂态功角稳定水平不会降低。采用强励倍数1.6的自并励励磁系统，在故障切除后的暂态稳定过程中功角摆动的最大值，除故障1(沁北电厂出口三相永久故障)比常规励磁强励2倍时的功角摆动最大值略大(0.14～0.2度)外，其余均优于常规励磁，响应的功角摆动最大值略小(0.22～1.93度)。采用强励倍数2的自并励励磁系统，其暂态稳定水平优于常规励磁强励2倍时的效果。2.2 对系统暂态电压稳定的影响从暂态电压稳定要求出发，大型汽轮发电机推广采用自并励励磁系统也是可行的。它不会降低系统的暂态电压稳定水平，而且可以提高系统的暂态电压稳定水平，甚至可以使某些条件下暂态电压不稳定的系统变为稳定。在对自并励考验最严峻的故障方式下(电厂高压线路出口三相短路)，在较低强励倍数(在80％额定机端电压时，强励倍数为1.6倍)时，该机组配备自并励励磁系统时的电压水平与常规励磁系统相比基本相同，而全网均采用自并励励磁系统时，可以提高系统的暂态电压稳定水平。强励倍数提高后，改善电压稳定的效果明显。1998年11月电力科学院对沁北电厂大干扰系统电压计算结果列于表3～6。表中vmin为故障切除后的电压最小值，δt为故障切除后电压恢复到0.9p.u.所需要的时间。从计算结果看，河南省网500kv线路在大干扰故障切除后，主要枢纽点电压最低值都在0.7p.u.以上，且其电压恢复很快。从表3～6可见，在大干扰故障切除后，采用自并励励磁系统，比采用常规励磁系统的电压恢复要快。因此，沁北电厂发电机采用自并励励磁方式，发电机具有较高强励电压倍数只会对系统的暂态电压稳定水平有所改善，而不会对系统电压的暂态稳定带来不良影响。2.3 对继电保护的影响自并励励磁方式对继电保护是有影响的，特别是对发电机的后备保护。但是实际上，对于600mw机组经封闭母线接到主变压器后直接接入电网的接线方式，虽然由于采用了自并励励磁方式在发电机机端多了一个故障元件(励磁变压器)，但由于发电机出口三相短路的几率很小，一般是不考虑真正的机端故障(若真是机端故障，那么差动保护会在几十毫秒切除发电机)，考虑到最严重的故障形式应是主变压器高压侧三相短路。对于这样的短路形式，也很少出现，而且一旦出现，机组的快速差动保护能正确动作，短路电流不会影响继电保护动作。对后备保护，当发电机外部发生对称或不对称短路时，机端电压下降，励磁电流也随之减小，发电机短路电流衰减很快，会对后备保护带来影响，但此问题可由发电机保护装置本身来解决，如过电流记忆的低电压保护、自保持的过电流保护、电压控制的过电流保护等，这些保护装置延时元件不再受电流值变化的影响，作为后备保护能可靠地动作并切除短路故障。电科院对沁北电厂机端暂态过程中短路电流计算结果见表7。从表7可知，在0.5s之内，短路电流仍在额定电流1.8倍以上，可以保证主保护(差动保护和过流速断)的正确动作。但是随着时间的加长，短路电流将进一步下降，1.0s后将小于额定电流，低压过流加延时的后备保护将不可能正确动作，因此应当加以改进。例如，可以采用阻抗继电器作后备保护，或采用带电流记忆的低电压过流保护等。在机端三相短路时，励磁变输出电压为0，因此增加自并励强励倍数时，机端永久三相短路故障的发电机电流衰减，基本没有影响。因此，沁北电厂发电机采用自并励励磁系统，不会影响主保护的可靠动作，也可以保证后备保护正确动作，切降故障。2.4 对发电机轴系安全的影响随着汽轮发电机组单机容量增大和电网容量不断扩大，运行中不断出现新的问题，其中之一是机组轴系扭振问题。到目前为止已出现过好几起发电机轴系破坏事故，从已发生过的事例看，大轴损坏事故都发生在发电机与励磁机之间或励磁机与副励磁机之间。由于自并励励磁方式没有同轴旋转的励磁机和副励磁机，比无刷励磁方式缩短了发电机大轴，减少了轴系固有扭振模式，大大降低了轴系扭振损坏的可能性，提高了整个机组的安全稳定性。到目前为止，尚未发生过自并励励磁的汽轮发电机组轴系扭振破坏事故。因此，在评估励磁系统时，除了在电气性能上满足电力系统运行要求外，在结构上也应有利于发电机组本身的安全运行。对励磁系统性能进行分析比较时，励磁系统对发电机轴系安全的影响应当是选择励磁方式时一个不可忽视的因素。故发电机选用自并励励磁系统对改善发电机轴系的安全运行是十分有利的。3 自并励励磁方式和旋转励磁方式比较3.1 主要性能参数国产600mw发电机采用无刷励磁系统或自并励励磁系统均能满足发电机的要求，如强励倍数2倍(自并励励磁系统机端电压为80％额定电压)，电压响应比3.5倍/s，强励时间20s等。3.2 结构特点无刷励磁系统取消了集电环和碳刷，彻底消灭了环火，并且根除了碳刷碳粉的污染，省掉了碳刷、集电环的磨损更换，降低了噪声，减少了维护工作量。所以特别适用于大容量(大励磁电流)的机组；全部励磁功率取自轴系，所以励磁电源独立，不受电力系统电压波动干扰，可靠性高；取消了灭磁开关，消灭了由灭磁装置引起的故障或事故，但是，由于无刷励磁系统只能在主励磁机磁场回路中设置灭磁装置，发电机只能靠自然衰减灭磁，因而发电机的灭磁时间较长。同时，由于旋转部件较多，主、副励磁机，整流装置均与大轴同时旋转，相对于静止的变压器，故障几率高，并且维护工作量较多；励磁系统故障时，停机时间长，因此要求励磁装置各部件必须十分可靠；轴系较多，机组容易发生振动；由于旋转整流器需进口，故机组成本较高。自并励励磁系统的静止可控硅整流通过碳刷和集电环供给发电机励磁电流，故碳刷和集电环的维护工作量相对较大。但是自并励励磁系统由于没有旋转整流器、主励磁机、副励磁机等 旋转部件，因而接线简单，工作可靠；同时由于没有旋转整流器，以及励磁机和副励磁机，因而使发电机组的轴系缩短，减少了两个连接环节，因而减少了轴系固有扭振模式，大大降低了轴系扭振的振动幅值，提高了轴系稳定性。此外，缩短了汽轮发电机组基座长度也使投资减少。从1984～1988年大型汽轮发电机励磁系统事故统计资料上，我们可以知道，励磁装置旋转部分事故占国产励磁事故总数的28.2％，远大于功率整流器的事故率(7.6％)。因此，发电机采用自并励励磁系统可提高发电机运行的可靠性。3.3 运行维护特点无刷励磁系统全部励磁功率取自轴系，所以励磁电源独立，不受电力系统电压波动干扰，强励能力不受发电机短路和电网电压大幅度下降的影响，可靠性高。自并励励磁系统正常运行时由于自动电压调节器调节可控硅导通角，从而直接调节供给发电机转子绕组的励磁电流，所以调节快速；而采用旋转励磁时，则自动电压调节器是调节旋转交流主励磁机自产磁场回路，其时间常数长。自并励励磁系统励磁响应速度快，其强行励磁时起始电压响应速度比较高，对于远距离输电满足电力系统动态稳定要求是非常有利的。虽然在发电机变压器组高压母线近处发生三相短路时，机端电压大幅下降，强励倍数受到影响，对系统稳定性有影响，但因电网都配有快速动作的继电保护装置及快速断路器，能够将短路故障快速切除，一旦故障切除，发电机端电压即迅速恢复，由于其调节速度快，转子励磁电压在几个周波内就达到顶值。因此自并励励磁系统对改善暂态稳定效果比无刷励磁系统效果好。对于静态稳定，与旋转励磁系统相比，自并励励磁可以有较大的电压放大倍数，能使发电机达到更大的极限功率角，从而可以提高电力系统的静态稳定。3.4 安装维护特点对无刷励磁系统，其整流器组件安装要求高，正常运行时维护工作量小，但故障检修工作量通常更多。对自并励励磁系统，其安装较为简单，但维护工作量较大。必须经常性的对集电环－碳刷系统进行检查和精心维护，如维护不当会引起局部过热，产生火花和烧坏，碳粉清理当将降低励磁回路绝缘可靠性。3.5 监测和保护特点对无刷励磁系统，无法用常规方法测量转子电压和电流，监视发电机励磁回路的绝缘。但对自并励励磁系统，就不存在这一问题。3.6 经济性前面已经提到，由于无刷励磁系统旋转整流元件需进口，价格昂贵；此外，由于自并励励磁系统无主、副励磁机及旋转整流装置在发电机的大轴上，从而缩短了发电机组的轴系，降低了发电机的造价；同时，缩短了汽轮发电机组基座长度也使投资减少。总之，采用自并励励磁系统发电机组比采用无刷励磁系统发电机组造价低，性能价格比高。综上所述，国产600mw发电机组推荐采用自并励励磁系统。4 参考文献1 大型汽轮发电机采用自并励系统的可行性分析.中国电力，1994(2)2 中国电力科学院.沁北电厂2×600mw发电机采用自并励时对系统稳定性的影响.1999年1月3 大型汽轮发电机自并励系统的应用条件.中国电力，1994(12) ——此文章转载于互联网，文中观点与本网站无关，如有侵权请联系删除