在
發(fā)電機的各種勵磁方式中，自并勵方式以其接線簡單，可靠性高，造價低，電壓響應(yīng)速度快，滅磁效果好的特點而被廣泛應(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)電機采用自并勵勵磁方式已成為一種趨勢。國外某些公司甚至把這種方式列為大型機組的定型勵磁方式。近二十年來，USA、加拿大對新建電站幾乎一律采用自并勵勵磁系統(tǒng)，加拿大還擬將火電廠原交流勵磁機勵磁系統(tǒng)改為自并勵勵磁系統(tǒng)。在國內(nèi)，雖然國產(chǎn)大中型機組大都采用三機勵磁方式，但近年來進口的大中型機組大都裝備的是自并勵勵磁系統(tǒng)，對于600MW以上汽輪發(fā)電機組，自并勵勵磁已基本成為定型方式。隨著電網(wǎng)的不斷擴大，對于大型機組業(yè)界人士也越來越傾向于采用自并勵方式。因為從國內(nèi)外運行情況來看，采用自并勵勵磁和附加勵磁控制，已成為改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效措施。本文就自并勵汽輪發(fā)電機勵磁電源的幾個問題：自并勵接線方式、勵磁變的選擇、自并勵的起勵、發(fā)電機勵磁試驗電源問題，結(jié)合鴨河口電廠350MW自并勵汽輪發(fā)電機組(ABB機組)的定量分析進行探討。
自并勵接線方式
1.1 接于發(fā)電機出口母線
這是自并勵的典型接線方式，勵磁電源取自發(fā)電機機端并聯(lián)變壓器。接線方式比較簡單，只要發(fā)電機在運行，就有勵磁電源。該接線方式可靠性高，當外部短路切除后，強勵能力便迅速發(fā)揮出來。缺點是勵磁電源受機端電壓影響，當線路首端發(fā)生三相短路故障時，由于機端電壓下降，會使強勵作用有所減弱，對暫態(tài)穩(wěn)定不利，在負荷中心的發(fā)電機則可能對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定產(chǎn)生影響，如果較長時間短路未被切除，則不能保證勵磁。目前現(xiàn)代大型機組大都采用單元接線方式，發(fā)電機經(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。對于機端單相接地故障(占短路故障總數(shù)的80％左右)，機端電壓可達0.7P.U以上，仍可有效進行強勵。而且對于這種接線方式，機端故障后應(yīng)切除發(fā)電機，自并勵的缺點并不影響發(fā)電機。對于發(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影響強勵倍數(shù)，但現(xiàn)代電網(wǎng)大都配有快速動作的繼電保護裝置及快速斷路器，能夠?qū)⒍搪费杆偾谐?0.1—0.2s)，短路故障一旦切除，發(fā)電機電壓迅速恢復，強勵能力也就跟著恢復。可以說采用現(xiàn)代技術(shù)的繼電保護及快速斷路器，不但彌補了自并勵勵磁系統(tǒng)在這方面的缺點，而且對保持暫態(tài)穩(wěn)定來說，快速切除故障比提高勵磁系統(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，即使采用其它勵磁方式，也不能維持發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定。
由于采用機端勵磁電源，靠發(fā)電機剩磁無法建立電壓，需要外加起勵電源，另外，在機組調(diào)試階段及機組大修后進行發(fā)電機特性試驗時，還需要一大容量的試驗電源。
1.2 接于廠用母線
這種接線方式不需要起勵及試驗電源裝置。但當外部短路切除后，廠用電動機在轉(zhuǎn)速恢復過程中吸收大量無功電流，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恢復正常，從而影響勵磁裝置的強勵能力。另外，勵磁變通過廠用變這個中間環(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獨立性，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)
勵磁電源直接取自發(fā)電廠升壓站高壓母線，可以解決起勵電源及試驗電源問題。但是對于這種接線方式，當系統(tǒng)發(fā)生事故發(fā)電機跳閘后，由于系統(tǒng)電壓低，勵磁裝置不能主動地恢復正常；在系統(tǒng)電壓極低的情況下，往往可能失去勵磁。另外從投資經(jīng)濟角度上來說，勵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)備維護量，并且這種接線方式受運行方式影響較大，可靠性不是很好。
比較三種接線方式，接于機端發(fā)電機出口母線是一種簡單、優(yōu)先的方案．河南新近投產(chǎn)的鴨河口電廠2×350MW機組(ABB機組)和洛陽熱電廠擴建工程2×160MW機組(俄羅斯機組)以及正在籌建的禹州電廠1期工程2×350MW機組(西屋公司機組)，均采用發(fā)電機出口封閉母線，機端勵磁方式。下面問題的討論僅限于第一種接線方式，即勵磁交接于發(fā)電機出口母線。
2 勵磁變的選擇
勵磁變繞組的聯(lián)接組別，通常為Y，yo，對于副方電流大的情況下，采用Y，dll組別。勵磁變就設(shè)計和結(jié)構(gòu)來說，與普通配電變壓器一樣，短路電壓4％－8％?？紤]到勵磁變必須可靠，強勵時要有一定的過載能力，且勵磁電源一般不設(shè)計備用電源，因此宜選用維護簡單、過載能力強的干式變壓器。從目前國內(nèi)干式變壓器制造工藝水平來說，已能生產(chǎn)容量達16000kVA、電壓等級35KV的干式變壓器，以滿足大型機組的需要。若從降低勵磁系統(tǒng)造價來說，采用油浸變壓器也是可行的。當勵磁變壓器安裝在戶外時，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，特別是在勵磁電流很大的情況下，這一點必須考慮。還有不宜用單芯鎧裝電纜，而應(yīng)選用橡皮電纜。因為單芯鎧裝電纜通以交流電時，在鋼甲中需要感應(yīng)較高的電壓以及不能忽略的電流，并對通信電纜造成干擾。
三相勵磁變的選擇計算如下；
計算變壓器的變比和容量用到以下參數(shù)：(鴨河口電廠實際值)
發(fā)電機額定勵磁電流Ifn＝4469A
發(fā)電機額定勵磁電壓Ufn＝364V
強勵倍數(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算方法計算勵磁變低壓側(cè)Us：
1.35 Us COSαmin = Kc Ufn + 3Kc Ifn Xk /π + ∑△U
由于在初設(shè)時Xk無法確認，∑△U也為估計值，因此可以把回路中總的電壓損失估計為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
實際取勵磁變副邊電壓Us＝650V
發(fā)電機出口電壓為22000V，所以勵磁變變比為22000V／650V。
勵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
實際取勵磁變副邊電流Is＝4393.3A
由Is、Us可以計算出勵磁變?nèi)萘浚?
S＝√-3 Is Us＝√-3 ×634.4×4193.7＝4608kVA
實際變壓器容量S＝4950kVA，留有一定的容量。
3 自并勵方式的起勵
當發(fā)電機被汽輪機拖動至額定轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯剩磁可能使發(fā)電機電壓升至幾十伏或數(shù)百伏(約為額定電壓的1％一2％)，對于勵磁變接于極端的方式，勵磁調(diào)節(jié)器由于同步電壓太低，無法形成觸發(fā)脈沖，勵磁回路無法導通，這就需要采取措施，其中最常見的辦法就是外加起勵電源，供給初始勵磁，待發(fā)電機電壓升到一定值時自動退出，由調(diào)節(jié)器自動升壓到額定值。
鴨河口電廠的起勵電源選擇計算如下：
發(fā)電機額定勵磁電流：Ifn=4469A
發(fā)電機額定勵磁電壓；Ufn＝364V
由發(fā)電機出廠試驗特性曲線可知，發(fā)電機空載額定電壓時勵磁電壓為Uf0＝90V，勵磁電流為If0＝148lA
調(diào)節(jié)器要求在同步電壓必須大于20％額定電壓時才能自動投入，此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為：1481×20％＝296A
實際選用起勵容量為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
為滿足起勵要求，留有一定余量。
起勵變副邊電壓按能滿足起勵發(fā)電機電壓達30％Ug設(shè)計。
轉(zhuǎn)子電阻：R＝0.062Ω
20％Ug時起勵變副邊電壓U1＝296×0.062／1.36＝13.6V
則30％Ug時起勵變副邊電壓U2＝148l×30％×0.062／1.35＝20.4V＜21.5V，滿足上面要求。
以上計算比較粗略，首先把發(fā)電機空載特性曲線線形化就會產(chǎn)生20％Ug、30％Ug時勵磁電流的誤差，但該誤差只能使計算偏大，使余量再多一些，因此誤差可以不考慮。另外，起勵變的容量和調(diào)節(jié)器對同步電壓最低限值的要求有關(guān)，隨著調(diào)節(jié)器集成化、微機化的應(yīng)用，可使同步電壓的工作范圍大大增加，起勵電源的容量就可以減少很多。
自并勵機組的起勵，除了上述外加起勵電源的它勵方式外，利用殘壓起勵也是值得考慮的方法之一。解決的方法可以從兩個方面著手：一是對殘壓進行全波整流。作為發(fā)電機的初始電流，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初始時完全導通；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)，起勵時投入，發(fā)電機電壓上升到一定值時退出。二是對調(diào)節(jié)器的同步電壓信號進行改造，使發(fā)電機電壓在小于1％Ug時，也能提供有效的同步電壓信號，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時，應(yīng)該注意到殘壓每一次開機后不一定一樣，要實現(xiàn)自動建壓，必須滿足一定條件：即發(fā)電機特性曲線應(yīng)在整流特性曲線之上，而且二者差值越大，自動建壓越快。因此在選擇起勵方式時，可以把它勵方式和殘壓起勵方式結(jié)合起來，既可以保證殘壓起勵的可靠性，又可以降低外加起勵電源的容量(僅相當于充磁)。
4 試驗電源問題
在機組調(diào)試階段及機組大修后進行發(fā)電機特性試驗時，自并勵發(fā)電機需要一大容量的試驗電源來滿足其空載、短路試驗時對動力的要求，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。
4.1 取自主變低壓側(cè)(通過主變從系統(tǒng)倒送電)
主變允許做沖擊試驗的情況下，勵磁試驗電源可考慮取自主變低壓側(cè)，從系統(tǒng)倒送過來。當出現(xiàn)發(fā)電機與主變之間有斷開點，勵磁變接于斷開點主變側(cè)的情況時，勵磁電源可從系統(tǒng)直接倒送過來。當出現(xiàn)發(fā)電機與主變之間無斷開點或者勵磁變接于斷開點發(fā)電機側(cè)的情況時，需要斷開勵磁變與發(fā)電機出口母線的連接，用高壓電纜連接至主變低壓側(cè)。對于后一種情況，在做發(fā)電機特性試驗前發(fā)電機出口母線與主變低壓側(cè)不能連接，待試驗完畢后，恢復正常再連接。不過這項工作將占用開機后的不少時間，而且在以后機組大修期間，每次發(fā)電機特性試驗均需斷開發(fā)電機母線與主變的連接，不但浪費工時，還增加了不安全因素。
4.2 取自廠用高壓母線
發(fā)電機勵磁試驗電源取自廠用高壓母線，對于這種情況，首先要考慮勵磁變能否滿足發(fā)電機空載、短路試驗時對動力的要求。要依據(jù)發(fā)電機廠家提供的發(fā)電機空載、短路試驗的特性曲線，比較這兩種特性試驗所需的額定勵磁電流。對于發(fā)電機短路試驗，勵磁電流一般是短路電流達到額定時對應(yīng)的勵磁電流；對于發(fā)電機空載試驗，則有所區(qū)別，就國產(chǎn)機組而言，一般要求1.3倍額定空載電壓下對應(yīng)的勵磁電流，對于只做發(fā)變組空載特性曲線，一般是1.05倍額定空載電壓對應(yīng)的勵磁電流，對于發(fā)變組整體試驗時變壓器勵磁電流的影響，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，不過這在恢復系統(tǒng)時，要花費不少工時。
鴨河口電廠勵磁試驗電源計算：(勵磁試驗電源取自廠用6kV段)
勵磁變變比K＝22000V／650V
轉(zhuǎn)子電阻R15＝0.062Ω
可控硅最小控制角αmin＝10。
由發(fā)電機出廠空載試驗特性曲線可知，發(fā)電機在1.1倍空載額定電壓時勵磁電流為If0＝1756A(設(shè)備合同要求發(fā)電機空載特性試驗電壓1.1Ue)。
由發(fā)電機出廠短路試驗特性曲線可知，發(fā)電機在額定短路電流時勵磁電流為Ifk＝2850A。
發(fā)電機特性試驗時的額定勵磁電流為Ifk＝2850A。
轉(zhuǎn)子電阻折算至工作溫度時：R75＝R15×(235+75)／(235+15)＝0.077Ω
發(fā)電機特性試驗時的額定勵磁電流所對應(yīng)的勵磁電壓：Uf＝Ifk×R75＝2580×0.077＝219.5V。
勵磁試驗電源取自廠用6kV段時，勵磁變副邊電壓為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)電機特性試驗要求。
對于發(fā)變組短路特性試驗，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。滿足短路特性試驗要求。
在鴨河口1號機組發(fā)變組短路特性試驗時，定子電流最高為11500A。
勵磁變高壓側(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)柜即可滿足勵磁試驗電源要求。
另外有一點值得注意，勵磁試驗電源取自廠用高壓母線，比機端電壓降低較多，可能對勵磁裝置移相觸發(fā)、電源回路造成影響。筆者在洛陽熱電廠調(diào)試中遇到過這祥的情況，勵磁試驗電源取自廠用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，控制電壓與可控硅移相角α的變化無法控制。為解決這個問題，我們在同步回路臨時加一個升壓變壓器，將同步電壓升高后再送到同步單元，經(jīng)過開機試驗這一辦法效果很好。
