2018热电厂发电机励磁系统的设计
摘要：近几年来，由于新技术、新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善，大幅度地提高了电厂的工作效率。通过介绍发电机自并励静止励磁系统在电厂中的应用，说明该励磁方式与过去的励磁方式相比有较大的优越性。并探讨了大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统组成方案及保护问题，可供设计参考。http://
关键词：发电机；励磁方式；自并励静止励磁系统；组成方案
中图分类号： U463文献标识码：A 文章编号：
Abstract: In recent years, thanks to the new technologies, new processes and new emerging and use of the device, making the generator excitation way to get the continuous development and perfection, greatly improve the efficiency of the power plant. Through the introduction of the generator excitation system since by static in the application of power plant that the excitation type and past excitation compared with the advantages of large way. Exploring the large and medium-sized turbo generator excitation system since by static schemes and protection which can provide reference for design.
Key Words: generator; excitation method; static excitation system; schemes
引言
发电机励磁系统在发电机机组投资中所占的比重虽然极小,却是一个实时控制系统,其安全性和可靠性关系到电力系统的安全与可靠 ,各项性能指标直接关系到电力系统的稳定。发电机励磁系统的性能对于提高电网的输送能力和稳定性等具有重要意义 ,尤其是大型发电机励磁系统,其调节性能以及安全性、可靠性是电网安全稳定的重要环节 ,是电网安全稳定的基础。近期的实践也进一步表明,发电机励磁系统,特别是大型发电机励磁系统,是提高电网稳定性最经济、有效、直接的手段 ,所以,提高大型发电机励磁系统的设计水平 ,不但具有直接的经济效效益 ,同时具有很大的社会效益。
随着计算机技术的发展 , 目前在硬件上已经有不少文献对发电机励磁系统的原理做了较全面的阐述。在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配；在某些故障情况下，发电机的端电压降低，近发电机机端发生短路情况下及保证系统稳定性方面是要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见发电机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、经济的重要因素之一。中型汽轮发电机组的常用励磁方式主要有交流励磁机一静止整流器励磁系统、交流励磁机一旋转整流器励磁系统(以下称无刷励磁系统)、自并励静态励磁系统三种。
1 三种励磁方式在的选择比较
1）交流励磁机一静止整流器励磁系统及无刷励磁系统需要同轴励磁机，励磁系统中间多一个环节，增加了故障率。自并励励磁系统的励磁电源取自发电机的机端励磁变，没有了旋转部件，运行可靠性高。随着目前大功率可控硅整流装置的可靠性提高，据国内外统计资料表明，自并励静态励磁系统造成的发电机强迫停机率低于交流励磁系统。
2）交流励磁机一静止整流器励磁系统及无刷励磁系统需要同轴励磁机，机组长度大。自并励励磁系统不需要同轴励磁机，仅带端部滑环，可缩短整个发电机组的长度，有效的提高轴系的稳定性，改善轴系振动水平，提高了机组的安全运行水平，同时可减少主厂房面积，降低噪音，维护方便。
3）交流励磁机一静止整流器励磁系统及无刷励磁系统具有同轴励磁机，电压响应速度较慢。自并励静态励磁系统因采用了可控硅，不需要考虑同轴励磁机时间常数的影响，这样可获得很高的电压响应速度。当系统电压瞬间下降时，可很快增大发电机无功，以保持系统不发生电压崩溃，其能力比交流励磁机励磁系统优越；当机组甩负荷时，自并励系统抑制电压超调能力比常规励磁系统强。
4）交流励磁机一静止整流器励磁系统及无刷励磁系统的励磁电源不需要从外部取得，强励能力较好，这在靠近发电机机端发生短路情况下及保证系统稳定性方面是有优势的。自并励静态励磁系统的输出电压会随着机端电压的变化而变化，特别是当发电机机端或主变低压侧、高压侧短路时，机端电压厂降，引起励磁电压下降，从而影响机端电压进一步下降，强励能力明显降低。由于本设计发电机至主变和高厂变高压侧采用分相封闭母线，母线的故障率很低，即使有这样的短路型式，短路电流起始值很大，有一定的衰减时间，发电机主保护也能有选择性的切除故障。
5）交流励磁机一静止整流器励磁系统及无刷励磁系统包括永磁副励磁机、交流励磁机属于三机励磁，交流励磁机励磁回路需要逆变励磁，同时，发电机励磁绕组进行续流灭磁，续流灭磁时间较长，这对发电机组是不利的。自并励励磁系统通过机端励磁变压器整流后直接供给发电机励磁电流，因此只需要进行发电机励磁回路的灭磁，灭磁时间较短。这对保护发电机转子绝缘是很有利的。
6）交流励磁机一静止整流器励磁系统及无刷励磁系统附件较多，价格比自并励励磁系统要高，汽机房跨距比自并励励磁系统要大，综合造价高。正是由于自并励励磁方式具备这些突出的优点，近年来新建电厂的汽轮发电机较多的选用了这种励磁方式。随着电网的不断扩大，对于大型机组业界人士也越来越倾向于采用静态励磁方式，并积累了一定的运行经验，大中型汽轮发电机采用自并励静态励磁方式已成为一种趋势。且目前上海、东方、哈尔滨三大电机厂均能提供自并励静态励磁。综合以上情况，比较三种励磁方式的优缺点，并结合本工程的实际情况，发电机采用静态励磁系统还是具有较大优势的。
2自并励静态励磁系统的组成方案
自并励静态励磁系统主要由励磁变、可控硅整流器、灭磁设备、起励设备和自动电压调节器等五部分组成，其原理接线图如图1所示。
注：F -发电机
FMK -火燃开关
GT-电流互感器
PT-电压互感器
LB-励磁变压器
2.1励磁变压器
励磁变压器是自并励静态励磁系统的电源装置，励磁变压器已由最初的油浸式或普通的干式变压器变成环氧浇注的干式变压器，尽管投资增加了，但减少了事故率，从而增加了系统的可靠性。励磁变压器有两种选择方案：一种是三相固体成型；另一种是单相固体成型。三相固体成型的干式变压器因成本低、占地小，应优先采用，只有当励磁功率过大时，才考虑采用三台单相干式变压器，本设计选用广东顺德特种变压器厂SCR-90013.8／0.4／0.38kVD／Yl1型三相环氧浇注的干式变压器，变压器的两个副线圈一个用作励磁电源，另一个用作励磁整流柜风扇电源。
2.2可控硅整流装置
可控硅整流装置是自并励静态励磁的重要组成部分，其功能是将来自励磁变压器的交流功率电源变为作为发电机励磁的直流功率电源，此外根据运行方式的要求，调节可控硅元件的触发角，相应地改变发电机的励磁电流值。影响可控硅元件额定电流的因素除了可控硅本身的质量外，还有元件的结温和壳温。因此需要整流柜上加装了风扇等散热装置，以保证可控硅的额定输出。为了保护可控硅元件免受交直流侧过电压的危害。在励磁绕组两俱均设有灭磁及直流过电压保护装置。本设计可控硅励磁装置采用桥式三相全控整流装置，由哈尔滨电机厂随发电机成套供货。
2.3 励磁调节器
在励磁系统中，励磁调节器的性能是改善发电机运行稳定性的最有效和最经济的措施之一，目前，国内的励磁调节器已有了长足的进步，它们以全数字电路为基础，提高了同步移相的精确度，提高了触发通道的一致性，提高了系统抗干扰能力。
励磁调节器的附加控制调节程序有五种：PID控制、PSS( 电力系统稳定器) 、LOEC( 线形最优励磁控制器) 、NOEC(~IE线形最优励磁控制器) 和NI-IEC 非线形鲁棒控制器) 。其中NI-IEC的稳态控制目标是电压调节精度，动态控制目标是改善上升时间、超调量和振荡次数，提高系统的静态稳定和暂态稳定，抑制多种频率振荡和干扰。因此NHEC具有良好的调节控制性能，但由于电力系统参数和测量仪器的误差，使设备的调节量中也有扰动量。随着测量手段的完善，它的优越性会充分体现出来的。机励磁调节器还可附加断线保护、过励延时限制、顶值限制、低励限制、欠励保护、V/F限制、强励反日限限制、空载过压保护等保护功能。本工程选用哈尔滨电机厂生产的 HWLT-4型微机励磁调节器，由两套独立的微机通道和一套独立的模拟通道组成，在正常情况下同时运行，但只有一套处于在线状态，能够发出控制信号；其它通道则处于离线备用状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。在线通道一旦故障，发出的控制信号将被闭锁，转为离线通道；离线通道自动投入，发出控制信号，转为在线通道。当两套微机通道均出现故障时模拟通道自动投入。
2.4 灭磁装置
目前国内普遍采用双断口直流空气开关配非线形灭磁电阻的灭磁方法。在灭磁开关选择上，要考虑到灭磁开关应在发电机空载、额定负荷、短路及可控硅失控、强励时能可靠地遮断发电机的励磁电流，以防将灭磁开关烧毁。在正常情况下，操作程序是先由励磁调节器AVR发出指令，使可控硅整流器处于逆变状态，然后再动作于灭磁开关跳闸。本设计采用的是 DMX-2300-2型空气开关配ZnO压敏阻件的灭磁方式。
2.5 起励设备
通常已投运的发电机有足够的剩磁，能够满足起励条件，无须加起励电流，便能自动建压，设置起励设备是为了保证发电机在低剩磁情况下也能顺利建压。但发电机建压5％-10％U e 后，起励设备自动退出，励磁电源由励磁变压器供给。一般起励电源取厂用电的交流或直流电源，本设计采用直流220V作起励电源。
3 自并励励磁系统的保护问题
3.1自并励励磁系统的后备保护
在发电机发生故障时，由于主励磁绕组有较大的时间常数，励磁电流随此时间常数而衰减，当发电机端三相短路时，若后备保护延时为5s ，则短路电流将衰减到接近额定电流的 10％，对快速动作的保护装置，此短路电流衰减不会导致保护装置拒动。因此考虑增加自保持环节，采用带自保持的低压过电流保护作为发电机的后备保护，也可采用精确工作电流足够小的低阻抗保护作为发电机的后备保护。本设计采用带电流记忆的低压过流微机保护作为发电机的后备保护。
3.2 励磁变压器的保护
自并励式发电机的励磁变压器一般接至发电机机端对励磁变压器的可靠性要求极高，故其高压侧一般死接在发电机机端，其高压侧短路即是发电机出口短路，它被包括在发电机或发变组差动保护范围内，但当其低压侧短路时，由于励磁变压器阻抗大，其短路电流是很小的，一般小于发电机或发变组差动保护的整定值，不足以起动差动保护，更不足以起动后备保护。本工程励磁变压器的保护采用速断过流保护，其 CT加在励磁变压器高压侧。
4结束语
本设计采取自并励励磁系统的方案一次性顺利地通过励磁调节系统试验。自投运以来，发电机运行状态良好，在电厂取得了良好的社会经济效益。自并励励磁系统因没有旋转设备，接线简单，运行可靠，维修方便，有利于系统稳定等特点已成为大中型电厂发电机组的主要励磁方式之一，并逐渐成为发电厂励磁系统的发展趋势。随着其技术的不断进步，应用前景将更为广阔。
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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