在
發(fā)電機(jī)的各種勵(lì)磁方式中，自并勵(lì)方式以其接線簡(jiǎn)單，可靠性高，造價(jià)低，電壓響應(yīng)速度快，滅磁效果好的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大容量可控硅制造水平的逐步成熟，大型汽輪發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式已成為一種趨勢(shì)。國(guó)外某些公司甚至把這種方式列為大型機(jī)組的定型勵(lì)磁方式。近二十年來(lái)，USA、加拿大對(duì)新建電站幾乎一律采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，加拿大還擬將火電廠原交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改為自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，雖然國(guó)產(chǎn)大中型機(jī)組大都采用三機(jī)勵(lì)磁方式，但近年來(lái)進(jìn)口的大中型機(jī)組大都裝備的是自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，對(duì)于600MW以上汽輪發(fā)電機(jī)組，自并勵(lì)勵(lì)磁已基本成為定型方式。隨著電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)于大型機(jī)組業(yè)界人士也越來(lái)越傾向于采用自并勵(lì)方式。因?yàn)閺膰?guó)內(nèi)外運(yùn)行情況來(lái)看，采用自并勵(lì)勵(lì)磁和附加勵(lì)磁控制，已成為改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效措施。本文就自并勵(lì)汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源的幾個(gè)問題：自并勵(lì)接線方式、勵(lì)磁變的選擇、自并勵(lì)的起勵(lì)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁試驗(yàn)電源問題，結(jié)合鴨河口電廠350MW自并勵(lì)汽輪發(fā)電機(jī)組(ABB機(jī)組)的定量分析進(jìn)行探討。
自并勵(lì)接線方式
1.1 接于發(fā)電機(jī)出口母線
這是自并勵(lì)的典型接線方式，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端并聯(lián)變壓器。接線方式比較簡(jiǎn)單，只要發(fā)電機(jī)在運(yùn)行，就有勵(lì)磁電源。該接線方式可靠性高，當(dāng)外部短路切除后，強(qiáng)勵(lì)能力便迅速發(fā)揮出來(lái)。缺點(diǎn)是勵(lì)磁電源受機(jī)端電壓影響，當(dāng)線路首端發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于機(jī)端電壓下降，會(huì)使強(qiáng)勵(lì)作用有所減弱，對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定不利，在負(fù)荷中心的發(fā)電機(jī)則可能對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定產(chǎn)生影響，如果較長(zhǎng)時(shí)間短路未被切除，則不能保證勵(lì)磁。目前現(xiàn)代大型機(jī)組大都采用單元接線方式，發(fā)電機(jī)經(jīng)封閉母線接到變壓器后直接接至高壓電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)出口三相短路的可能性很小，其產(chǎn)生的不利影響可按升壓變高壓側(cè)故障考慮。對(duì)于機(jī)端單相接地故障(占短路故障總數(shù)的80％左右)，機(jī)端電壓可達(dá)0.7P.U以上，仍可有效進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)。而且對(duì)于這種接線方式，機(jī)端故障后應(yīng)切除發(fā)電機(jī)，自并勵(lì)的缺點(diǎn)并不影響發(fā)電機(jī)。對(duì)于發(fā)電廠高壓母線出口近端三相短路，雖然母線電壓大幅度下降會(huì)影響強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，但現(xiàn)代電網(wǎng)大都配有快速動(dòng)作的繼電保護(hù)裝置及快速斷路器，能夠?qū)⒍搪费杆偾谐?0.1—0.2s)，短路故障一旦切除，發(fā)電機(jī)電壓迅速恢復(fù)，強(qiáng)勵(lì)能力也就跟著恢復(fù)。可以說采用現(xiàn)代技術(shù)的繼電保護(hù)及快速斷路器，不但彌補(bǔ)了自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在這方面的缺點(diǎn)，而且對(duì)保持暫態(tài)穩(wěn)定來(lái)說，快速切除故障比提高勵(lì)磁系統(tǒng)性能更為重要。如果不能迅速地將近端三相短路故障切除，即使采用其它勵(lì)磁方式，也不能維持發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定。
由于采用機(jī)端勵(lì)磁電源，靠發(fā)電機(jī)剩磁無(wú)法建立電壓，需要外加起勵(lì)電源，另外，在機(jī)組調(diào)試階段及機(jī)組大修后進(jìn)行發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)時(shí)，還需要一大容量的試驗(yàn)電源。
1.2 接于廠用母線
這種接線方式不需要起勵(lì)及試驗(yàn)電源裝置。但當(dāng)外部短路切除后，廠用電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中吸收大量無(wú)功電流，在廠用變壓器上造成較大的電壓降落，影響廠用母線電壓及時(shí)恢復(fù)正常，從而影響勵(lì)磁裝置的強(qiáng)勵(lì)能力。另外，勵(lì)磁變通過廠用變這個(gè)中間環(huán)節(jié)供電，不但增加了廠用變壓器的容量，而且受廠用電運(yùn)行情況的影響，供電可靠性差。因此，這種接線方式要求所在廠用母線具有相對(duì)獨(dú)立性，并有可靠自投的備用電源，而且最好投入之后母線電壓能保證額定值的85％以上。
1.3 接于系統(tǒng)側(cè)
勵(lì)磁電源直接取自發(fā)電廠升壓站高壓母線，可以解決起勵(lì)電源及試驗(yàn)電源問題。但是對(duì)于這種接線方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故發(fā)電機(jī)跳閘后，由于系統(tǒng)電壓低，勵(lì)磁裝置不能主動(dòng)地恢復(fù)正常；在系統(tǒng)電壓極低的情況下，往往可能失去勵(lì)磁。另外從投資經(jīng)濟(jì)角度上來(lái)說，勵(lì)磁變接于升壓站母線，升壓站就需增加一間隔，需加裝斷路器、隔離刀閘、接地刀閘等一次設(shè)備，增加了設(shè)備投資及設(shè)備維護(hù)量，并且這種接線方式受運(yùn)行方式影響較大，可靠性不是很好。
比較三種接線方式，接于機(jī)端發(fā)電機(jī)出口母線是一種簡(jiǎn)單、優(yōu)先的方案．河南新近投產(chǎn)的鴨河口電廠2×350MW機(jī)組(ABB機(jī)組)和洛陽(yáng)熱電廠擴(kuò)建工程2×160MW機(jī)組(俄羅斯機(jī)組)以及正在籌建的禹州電廠1期工程2×350MW機(jī)組(西屋公司機(jī)組)，均采用發(fā)電機(jī)出口封閉母線，機(jī)端勵(lì)磁方式。下面問題的討論僅限于第一種接線方式，即勵(lì)磁交接于發(fā)電機(jī)出口母線。
2 勵(lì)磁變的選擇
勵(lì)磁變繞組的聯(lián)接組別，通常為Y，yo，對(duì)于副方電流大的情況下，采用Y，dll組別。勵(lì)磁變就設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)來(lái)說，與普通配電變壓器一樣，短路電壓4％－8％。考慮到勵(lì)磁變必須可靠，強(qiáng)勵(lì)時(shí)要有一定的過載能力，且勵(lì)磁電源一般不設(shè)計(jì)備用電源，因此宜選用維護(hù)簡(jiǎn)單、過載能力強(qiáng)的干式變壓器。從目前國(guó)內(nèi)干式變壓器制造工藝水平來(lái)說，已能生產(chǎn)容量達(dá)16000kVA、電壓等級(jí)35KV的干式變壓器，以滿足大型機(jī)組的需要。若從降低勵(lì)磁系統(tǒng)造價(jià)來(lái)說，采用油浸變壓器也是可行的。當(dāng)勵(lì)磁變壓器安裝在戶外時(shí)，由變壓器副方到整流橋之間的饋線，由于有電抗壓降，不宜太長(zhǎng)，特別是在勵(lì)磁電流很大的情況下，這一點(diǎn)必須考慮。還有不宜用單芯鎧裝電纜，而應(yīng)選用橡皮電纜。因?yàn)閱涡炬z裝電纜通以交流電時(shí)，在鋼甲中需要感應(yīng)較高的電壓以及不能忽略的電流，并對(duì)通信電纜造成干擾。
三相勵(lì)磁變的選擇計(jì)算如下；
計(jì)算變壓器的變比和容量用到以下參數(shù)：(鴨河口電廠實(shí)際值)
發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流Ifn＝4469A
發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓Ufn＝364V
強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)Kc＝2
可控硅最小控制角αmin＝10。
變壓器漏抗Xk一般取4％一8％
饋電回路電壓降之和∑△U：一般為2—4V
按照可控硅全控橋整流計(jì)算方法計(jì)算勵(lì)磁變低壓側(cè)Us：
1.35 Us COSαmin = Kc Ufn + 3Kc Ifn Xk /π + ∑△U
由于在初設(shè)時(shí)Xk無(wú)法確認(rèn)，∑△U也為估計(jì)值，因此可以把回路中總的電壓損失估計(jì)為15％。
由COSαmin≈COS0。=1
則：上式可變?yōu)閁s ＝ Kc Ufn ／(85％×1.35)＝2×364／(85％×1.35)＝634．4V
實(shí)際取勵(lì)磁變副邊電壓Us＝650V
發(fā)電機(jī)出口電壓為22000V，所以勵(lì)磁變變比為22000V／650V。
勵(lì)磁變壓器也可以由直流側(cè)電流折算，取裕度系數(shù)為1.15，則副邊電流為：
Is＝1.15×0.816×Ifn＝1.15×0.816×4469＝4193.7A
實(shí)際取勵(lì)磁變副邊電流Is＝4393.3A
由Is、Us可以計(jì)算出勵(lì)磁變?nèi)萘浚?
S＝√-3 Is Us＝√-3 ×634.4×4193.7＝4608kVA
實(shí)際變壓器容量S＝4950kVA，留有一定的容量。
3 自并勵(lì)方式的起勵(lì)
當(dāng)發(fā)電機(jī)被汽輪機(jī)拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯剩磁可能使發(fā)電機(jī)電壓升至幾十伏或數(shù)百伏(約為額定電壓的1％一2％)，對(duì)于勵(lì)磁變接于極端的方式，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由于同步電壓太低，無(wú)法形成觸發(fā)脈沖，勵(lì)磁回路無(wú)法導(dǎo)通，這就需要采取措施，其中最常見的辦法就是外加起勵(lì)電源，供給初始勵(lì)磁，待發(fā)電機(jī)電壓升到一定值時(shí)自動(dòng)退出，由調(diào)節(jié)器自動(dòng)升壓到額定值。
鴨河口電廠的起勵(lì)電源選擇計(jì)算如下：
發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流：Ifn=4469A
發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓；Ufn＝364V
由發(fā)電機(jī)出廠試驗(yàn)特性曲線可知，發(fā)電機(jī)空載額定電壓時(shí)勵(lì)磁電壓為Uf0＝90V，勵(lì)磁電流為If0＝148lA
調(diào)節(jié)器要求在同步電壓必須大于20％額定電壓時(shí)才能自動(dòng)投入，此時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為：1481×20％＝296A
實(shí)際選用起勵(lì)容量為10.46kVA。變比為：400V／21.5V
副邊額定電流為：281A
經(jīng)全波整流，直流電流為：281×1.225＝334A>296A
為滿足起勵(lì)要求，留有一定余量。
起勵(lì)變副邊電壓按能滿足起勵(lì)發(fā)電機(jī)電壓達(dá)30％Ug設(shè)計(jì)。
轉(zhuǎn)子電阻：R＝0.062Ω
20％Ug時(shí)起勵(lì)變副邊電壓U1＝296×0.062／1.36＝13.6V
則30％Ug時(shí)起勵(lì)變副邊電壓U2＝148l×30％×0.062／1.35＝20.4V＜21.5V，滿足上面要求。
以上計(jì)算比較粗略，首先把發(fā)電機(jī)空載特性曲線線形化就會(huì)產(chǎn)生20％Ug、30％Ug時(shí)勵(lì)磁電流的誤差，但該誤差只能使計(jì)算偏大，使余量再多一些，因此誤差可以不考慮。另外，起勵(lì)變的容量和調(diào)節(jié)器對(duì)同步電壓最低限值的要求有關(guān)，隨著調(diào)節(jié)器集成化、微機(jī)化的應(yīng)用，可使同步電壓的工作范圍大大增加，起勵(lì)電源的容量就可以減少很多。
自并勵(lì)機(jī)組的起勵(lì)，除了上述外加起勵(lì)電源的它勵(lì)方式外，利用殘壓起勵(lì)也是值得考慮的方法之一。解決的方法可以從兩個(gè)方面著手：一是對(duì)殘壓進(jìn)行全波整流。作為發(fā)電機(jī)的初始電流，具體方法可以考慮用外加觸發(fā)脈沖，使可控硅整流橋在起勵(lì)初始時(shí)完全導(dǎo)通；另一方法是將由接觸器控制投退的全波整流橋和可控硅整流橋并聯(lián)，起勵(lì)時(shí)投入，發(fā)電機(jī)電壓上升到一定值時(shí)退出。二是對(duì)調(diào)節(jié)器的同步電壓信號(hào)進(jìn)行改造，使發(fā)電機(jī)電壓在小于1％Ug時(shí)，也能提供有效的同步電壓信號(hào)，以便調(diào)節(jié)器在殘壓下也能可靠工作。
在考慮采用殘壓起勵(lì)時(shí)，應(yīng)該注意到殘壓每一次開機(jī)后不一定一樣，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建壓，必須滿足一定條件：即發(fā)電機(jī)特性曲線應(yīng)在整流特性曲線之上，而且二者差值越大，自動(dòng)建壓越快。因此在選擇起勵(lì)方式時(shí)，可以把它勵(lì)方式和殘壓起勵(lì)方式結(jié)合起來(lái)，既可以保證殘壓起勵(lì)的可靠性，又可以降低外加起勵(lì)電源的容量(僅相當(dāng)于充磁)。
4 試驗(yàn)電源問題
在機(jī)組調(diào)試階段及機(jī)組大修后進(jìn)行發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)時(shí)，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)需要一大容量的試驗(yàn)電源來(lái)滿足其空載、短路試驗(yàn)時(shí)對(duì)動(dòng)力的要求，一般可考慮取自廠用高壓母線或者通過主變從系統(tǒng)倒送過來(lái)。
4.1 取自主變低壓側(cè)(通過主變從系統(tǒng)倒送電)
主變?cè)试S做沖擊試驗(yàn)的情況下，勵(lì)磁試驗(yàn)電源可考慮取自主變低壓側(cè)，從系統(tǒng)倒送過來(lái)。當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)與主變之間有斷開點(diǎn)，勵(lì)磁變接于斷開點(diǎn)主變側(cè)的情況時(shí)，勵(lì)磁電源可從系統(tǒng)直接倒送過來(lái)。當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)與主變之間無(wú)斷開點(diǎn)或者勵(lì)磁變接于斷開點(diǎn)發(fā)電機(jī)側(cè)的情況時(shí)，需要斷開勵(lì)磁變與發(fā)電機(jī)出口母線的連接，用高壓電纜連接至主變低壓側(cè)。對(duì)于后一種情況，在做發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)前發(fā)電機(jī)出口母線與主變低壓側(cè)不能連接，待試驗(yàn)完畢后，恢復(fù)正常再連接。不過這項(xiàng)工作將占用開機(jī)后的不少時(shí)間，而且在以后機(jī)組大修期間，每次發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)均需斷開發(fā)電機(jī)母線與主變的連接，不但浪費(fèi)工時(shí)，還增加了不安全因素。
4.2 取自廠用高壓母線
發(fā)電機(jī)勵(lì)磁試驗(yàn)電源取自廠用高壓母線，對(duì)于這種情況，首先要考慮勵(lì)磁變能否滿足發(fā)電機(jī)空載、短路試驗(yàn)時(shí)對(duì)動(dòng)力的要求。要依據(jù)發(fā)電機(jī)廠家提供的發(fā)電機(jī)空載、短路試驗(yàn)的特性曲線，比較這兩種特性試驗(yàn)所需的額定勵(lì)磁電流。對(duì)于發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)，勵(lì)磁電流一般是短路電流達(dá)到額定時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流；對(duì)于發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)，則有所區(qū)別，就國(guó)產(chǎn)機(jī)組而言，一般要求1.3倍額定空載電壓下對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流，對(duì)于只做發(fā)變組空載特性曲線，一般是1.05倍額定空載電壓對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流，對(duì)于發(fā)變組整體試驗(yàn)時(shí)變壓器勵(lì)磁電流的影響，還需考慮一定的裕度系數(shù)。另外要考慮臨時(shí)電源的接線問題，一般可從高壓廠用段備用柜接線，如果容量不夠，可考慮從啟備變低壓側(cè)連接，不過這在恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)，要花費(fèi)不少工時(shí)。
鴨河口電廠勵(lì)磁試驗(yàn)電源計(jì)算：(勵(lì)磁試驗(yàn)電源取自廠用6kV段)
勵(lì)磁變變比K＝22000V／650V
轉(zhuǎn)子電阻R15＝0.062Ω
可控硅最小控制角αmin＝10。
由發(fā)電機(jī)出廠空載試驗(yàn)特性曲線可知，發(fā)電機(jī)在1.1倍空載額定電壓時(shí)勵(lì)磁電流為If0＝1756A(設(shè)備合同要求發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)電壓1.1Ue)。
由發(fā)電機(jī)出廠短路試驗(yàn)特性曲線可知，發(fā)電機(jī)在額定短路電流時(shí)勵(lì)磁電流為Ifk＝2850A。
發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)時(shí)的額定勵(lì)磁電流為Ifk＝2850A。
轉(zhuǎn)子電阻折算至工作溫度時(shí)：R75＝R15×(235+75)／(235+15)＝0.077Ω
發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)時(shí)的額定勵(lì)磁電流所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電壓：Uf＝Ifk×R75＝2580×0.077＝219.5V。
勵(lì)磁試驗(yàn)電源取自廠用6kV段時(shí)，勵(lì)磁變副邊電壓為U2＝U／K＝650×6000／22000＝177.3V。
折算至整流柜直流側(cè)電壓U_＝1.35U~COSαmin＝1.35×177.3×0.985＝235.8V＞219.5V。滿足發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)要求。
對(duì)于發(fā)變組短路特性試驗(yàn)，考慮到主變激磁電流的影響，取裕度系數(shù)4％，則U,f＝1.04×219.5＝228.3V。滿足短路特性試驗(yàn)要求。
在鴨河口1號(hào)機(jī)組發(fā)變組短路特性試驗(yàn)時(shí)，定子電流最高為11500A。
勵(lì)磁變高壓側(cè)電流：I高＝ √-3 U2 Ifk / (√-3U1) = √-3×177.3×2850/(√-3×6000)＝84A
選用6kVI段備用開關(guān)柜即可滿足勵(lì)磁試驗(yàn)電源要求。
另外有一點(diǎn)值得注意，勵(lì)磁試驗(yàn)電源取自廠用高壓母線，比機(jī)端電壓降低較多，可能對(duì)勵(lì)磁裝置移相觸發(fā)、電源回路造成影響。筆者在洛陽(yáng)熱電廠調(diào)試中遇到過這祥的情況，勵(lì)磁試驗(yàn)電源取自廠用6kV段，由于可控硅整流橋主回路電壓降低較多，同步電壓很低時(shí)，控制電壓與可控硅移相角α的變化無(wú)法控制。為解決這個(gè)問題，我們?cè)谕交芈放R時(shí)加一個(gè)升壓變壓器，將同步電壓升高后再送到同步單元，經(jīng)過開機(jī)試驗(yàn)這一辦法效果很好。
