统设计
2020年4月19日
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大中型汽轮发电机自并励静止励磁系
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大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统设计、选型应注意的问题
作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间： -9-24 11:26:37 杨旭，刘立瑞，莫钰英
1.广东省电力试验研究所，广东 广州 510600 2.云浮发电厂，广东 云浮 527328
自并励静止励磁系统在性能上具有高励磁电压响应速度，易实现高起始响应性能，能提高系统稳定性能等优点。
当前广东省水电机组已基本上应用了自并励方式，火电有沙角B厂的350 MW机组、沙角C厂660 MW机组采用了自并励方式，即将投运的连州电厂125 MW机组、韶关8号机300 MW机组等机组都将应用自并励静止励磁系统。对于自并励静止励磁系统在大中型汽轮发电机组的引进、配套和使用，应尽可能地发挥其优点，以达到预期的提高系统稳定性的目的，同时应在某些方面加以注意，以免带来一些负面影响。本文就大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统的设计、选型应注意的几个问题提出一些意见和看法。
1 自并励方式
自并励静止励磁系统由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、发电机灭磁及过电压保 护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。其原理如图1所示。自并励静止励磁方式与 旧有的励磁方式相比，具有以下几方面的优点。
图1 自并励静止励磁方式原理简图
1.1 励磁系统可靠性增强
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旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的一部分，但由于自并励静止励磁方式取消了旋转部件，大大减少了事故隐患，可靠性明显优于交流励磁机励磁系统，而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。该励磁系统对运行、维护的要求相对较低。 1.2 电力系统的稳态、暂态稳定水平提高
由于自并励静止励磁系统响应速度快，电力系统静态稳定性大大提高。自并励方式保持发 电机端电压不变，对单机无穷大系统静态稳定极限功率为：
Pmax=VgVs/Xe， (1)
式中 Vg--机端电压； Vs--系统电压；
Ve--发电机与系统的等值电抗。
而常规系统在故障过程中只能保持发电机暂态电势Eq′不变，其极限功率为：
Pmax′=Eq′Vs／(Xe+Xd′)， (2)
式中 Eq′--发电机Q轴暂态电势； Xd′--发电机D轴暂态电抗。
根据公式(1)和(2)计算得出Pmax大于Pmax′，说明大大提高了静态稳定极限。对于可能引起的系统低频震荡，可采用先进的控制规律或配置PSS电力系统稳定器加以解决。发电机出口三相短路是自并励静止励磁系统最不利的工况，此时机端电压及整流电源电压严重下降，即使故障切除时间很短，短路期间励磁电流衰减不大，但在故障切除后机端电压的恢复需一定的时间，自并励系统的强励能力有所下降。为解决这一问题，在系统设计中计算强励倍数时，整流电源电压按发电机额定电压值的80%计算，即机端电压为额定时强励能力提高25%，且当前大中型机组发电机出口均采用了封闭母线，发电机端三相短路可能性基本消除。因此，自并励系统强励倍数高，电压响应速度快，再加上选择先进的控制规律，能够有效地提高系统暂态稳定水平。 1.3 减少发电机轴系扭振及机组投资
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自并励静止系统与三机励磁系统相比，取消了主、副励磁机，缩短了机组长度，减少了大轴联接环节，因而缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性，同时降低厂房造价，减少机组投资。
2 设计、选型中应注意的问题
大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统在设计、选型、调试、运行中需要注意以下问题，才能充分发挥其响应快、稳定性高等优点，真正提高机组、电网稳定运行水平。
2.1 自并励系统的应用条件
由于励磁输出受发电机端电压的制约，在某些系统严重故障导致系统电压波动较大的情况时不宜采用。它的应用一般取决于机组在系统中的地位、系统网络结构、负荷分布等因素。文献［1］的研究表明：位于主网震荡中心的发电机不宜采用该系统；位于负载中心或受端机组，因故障导致系统电压恢复慢，影响强励能力的发挥，导致功角振荡加大或系统电压过低导致电压崩溃，亦不宜采用，因此应考虑整个电网，大中型机组的励磁方式不能单一化，需多种方式并存，共同搭配。设计规划部门应考虑电厂在系统中位置及网络结构、负载特性等因素，根据电网稳定计算的结果科学地设计、选择发电机励磁方式。 2.2 励磁变压器的计算及选择
励磁变压器的计算和选择应考虑以下几方面：
a)初期的励磁变压器多为油冷式或普通绝缘干式变压器，随着技术进步和价格的变化，现在已逐渐使用环氧树脂干式变压器，一般采用空气自然冷却，不配外壳，户内使用，亦可根据实际情况加装外壳，配置风冷系统，同时需要设置温控及温显系统，便于监视变压器的运行状态。
b)为改进可控硅整流桥电压波形，变压器多采用三角形-星形(Δ/Y)接线，它的额定容量取决于励磁系统应提供的直流功率值，一次电压与发电机端电压相同，二次电压由励磁系统的顶值电压所决定，同时应考虑到在一次电压为80%额定电压值时仍能保证所需的顶值电压值，提高系统的强励能力。 c)由于励磁变压器的绕组间存在寄生电容，励磁变压器的电源投入或切除以及大气过电压均会在变压器中产生过电压，因此必须采取相应措施来限制操作过电压，当前的解决措施在一、二次绕组间加隔离屏蔽层，在二次绕组接入
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对地电容、安装过电压吸收装置等。
d)还需要考虑变压器的阻抗电压、过载能力、保护配置，特别是过流保护，由于变压器负载为可控硅整流桥及发电机转子，直流侧短路等效于励磁变压器二次绕组短路，对此故障保护方式有很多种，如采用快速熔断器、快速过流检测继电器、在直流侧串入扼流电抗、配置变压器电流反时限或定时限保护。
2.3 发电机起励问题
a)在发电机电压建立前，励磁变压器不能提供励磁电源，因此在系统设计时必须考虑起励回路及相应设备。一般方式是首先利用起励电源对发电机进行励磁，待发电机电压达到或大于10%时经过切换装置自动退出起励回路，转换为励磁变压器提供励磁电源，需要考虑设置起励电源会相应增加厂用电源容量。
b)发电机第一次启动及大修结束后，需要作发电机短路、空载试验，而且需对励磁系统做全面检查，此时必须为自并励系统提供一试验电源，一般做法是从380 V厂用电源直接拉电缆至可控硅整流桥以提供整流电源，亦可在发电机升压变压器中取抽头至励磁变压器高压侧以提供整流电源，但投资相对较大。在系统设计时需考虑到将来试验时采取何种方案并做相应准备工作。 2.4 可控硅励磁功率柜的选择
a)励磁功率整流桥的接线方式一般为全控或半控整流桥，较普遍采用可控硅全控桥。随着电力电子技术的飞速发展，大容量、高参数的励磁功率柜相继问世，其特点是在单个可控硅元件选择上向大电流、高电压方向发展以简化由过多的串、并联元件组成的整流桥，据有关资料，单个可控硅元件的参数已达2 000 A/4 000 V，使得可控硅整流桥得以简化，方便装置检修、运行，同时使各支路均流、均压问题相对易解决。
b)可控硅励磁功率柜中应配置有交流过电压保护装置，据现场情况采用风冷、水冷等不同的冷却方式，并采取一定措施保证并联整流柜均流系数达到要求。
c)为满足并联功率柜投入和切除操作需要，可在可控硅整流桥支路的交流侧及直流侧设置高绝缘水平刀闸或断路器(空气开关多为500 V以下的低压电
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