機(jī)端(靜態(tài))勵磁方式在發(fā)電廠中應(yīng)用

童建民，鄒昌泉，趙義恩

(上海艾能電力工程有限公司，上海 200023)

1 概述

交流同步發(fā)電機(jī)勵磁方式的發(fā)展過程一般先從同軸直流勵磁機(jī)(有主勵磁系統(tǒng)碳刷、以下簡稱有刷)開始，后由于大功率直流發(fā)電機(jī)制造較困難發(fā)展到同軸交流中頻(為提高勵磁反應(yīng)速度一般選用100周)主勵磁機(jī)經(jīng)靜止整流(有刷)勵磁；為進(jìn)一步提高勵磁可靠性，美國西屋公司首先發(fā)明了將交流勵磁機(jī)的三相輸出由定子變成轉(zhuǎn)子，而其勵磁電源變成定子，同時將整流設(shè)備也裝在同軸轉(zhuǎn)子上，取消了主勵磁系統(tǒng)的碳刷，俗稱旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體、又稱無刷勵磁系統(tǒng)；上述無刷勵磁系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)為獨(dú)立型，不受任何電力系統(tǒng)故障的干擾。在中小型機(jī)組中也出現(xiàn)過主勵磁電源及信息取自發(fā)電機(jī)的PT和CT的復(fù)式勵磁，也基本屬獨(dú)立型勵磁系統(tǒng)，但目前制造廠一般也不再制造供貨；華東電力設(shè)計院曾經(jīng)與有關(guān)制造廠合作研制過在發(fā)電機(jī)定子中附加勵磁線圈的“諧波勵磁”系統(tǒng)(基本屬獨(dú)立型)，由于種種原因也未得到推廣。

隨著大電流碳刷制造技術(shù)的不斷提高，由于制造較為簡單且能減少機(jī)組軸長，相對無刷勵磁系統(tǒng)可節(jié)約投資的機(jī)端(靜態(tài))勵磁系統(tǒng)近年來又得到了較大的推廣，但該系統(tǒng)致命的缺點(diǎn)為易受各種形式的電力系統(tǒng)故障的干擾和破壞。例如發(fā)電機(jī)出口或發(fā)電機(jī)電壓饋線、發(fā)電機(jī)升壓變低壓繞組側(cè)三相金屬短路故障時勵磁輸出幾乎為“零”值，當(dāng)升壓變高壓側(cè)線路故障時也會嚴(yán)重影響勵磁輸出，使發(fā)電機(jī)不能迅速強(qiáng)勵等，故稱之為非獨(dú)立型勵磁。

2 停電事故概述、原因分析及建議改進(jìn)措施

2.1 事故概述

大連某2×15 MW選用機(jī)端(靜態(tài))勵磁系統(tǒng)的自備熱電廠(以下簡稱該電廠)已商業(yè)運(yùn)行多年，2009年6月28日發(fā)生全廠停電事故(以下簡稱6.28事故)的概述及原因分析。

圖1 本電站發(fā)、供、配電接線示意圖

2009年6月28日該電廠降壓變10 kVⅡ段某饋線發(fā)生不對稱非金屬性短路，根據(jù)故障錄波記錄，故障前PT二次相電壓57 V、故障瞬間為25 V(額定值的44%)、0.3秒饋線故障切除后電壓跌到13 V(額定值的22.5%)、0.7秒低電壓保護(hù)動作跳所有10 kV饋線，汽機(jī)甩負(fù)荷、保護(hù)動作關(guān)主汽門全廠停電。

由于該電廠選用了機(jī)端(靜態(tài))勵磁方式，在發(fā)電機(jī)電壓饋線或母線故障即發(fā)電機(jī)出口故障時電壓瞬間跌至額定值的44%，而目前國內(nèi)外制造廠設(shè)計勵磁變一次側(cè)電壓為額定值的80%時，才能保證強(qiáng)勵及其他正常勵磁特性。即在6.28事故時，機(jī)端(靜態(tài))勵磁的固有特性根本無法滿足要求，從錄波圖看出即故障被切除后發(fā)電機(jī)電壓繼續(xù)下降到額定值的22.5%，低電壓保護(hù)動作跳所有10 kV饋線，造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大進(jìn)而全廠停電。

另從故障錄波圖中可見為二相短路，故上述0.3秒故障切除后的電壓為額定值為22.5%，但估算到如三相短路時電壓會小于22.5%，甚至可能會小于起勵為20%額定電壓的退出值，此時機(jī)端勵磁更加起不了任何作用了。

2.2 建議改進(jìn)措施

該電廠2×15 MW發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用消弧線圈接地方式，據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析接地電容電流達(dá)70～80 A，宜進(jìn)一步實測確切的最大最小電容電流值，通過改變消弧線圈參數(shù)使之處于過補(bǔ)償狀態(tài)，對確保電廠安全運(yùn)行有一定的作用；另假如能與消弧線圈并聯(lián)一個合適的高電阻則將更為安全；同時電廠低電壓保護(hù)整定時間過短，建議適當(dāng)延長低電壓保護(hù)起動時間(經(jīng)分析從0.7秒加大為2秒及以上是可行的)，最大可能延長保護(hù)動作時間，通過上述改善勵磁系統(tǒng)的性能的措施實施后，類似6.28故障發(fā)生時，當(dāng)故障切除后勵磁仍有輸出、發(fā)電機(jī)電壓能有一定的上升，可使低電壓保護(hù)不再動作，從而使事故不再擴(kuò)大，類似事故發(fā)生時可得到一定的改善不再擴(kuò)大為全廠停電事故。

在出現(xiàn)類似6.28故障時如何提高本廠機(jī)端(靜態(tài))勵磁變的一次電壓是關(guān)鍵，理論上故障時可將起勵裝置自動投入以增加勵磁輸出，可增加串接發(fā)電機(jī)CT信息調(diào)節(jié)勵磁電流輸出大小的環(huán)節(jié)(類似復(fù)式勵磁)來實現(xiàn)，但經(jīng)與某發(fā)電機(jī)制造廠勵磁專業(yè)同志多次聯(lián)系后認(rèn)為即使技術(shù)上可行，但實際商業(yè)制造上對整套勵磁系統(tǒng)包括其自動勵磁調(diào)節(jié)裝置為二臺小機(jī)組重新設(shè)計不現(xiàn)實、不可行。至此只能選用從現(xiàn)有勵磁系統(tǒng)基礎(chǔ)上考慮如何設(shè)法提高10 kV母線故障情況下勵磁變一次側(cè)電壓的技術(shù)措施，考慮如下三個加裝限流式電抗器的方案：

⑴ 所有(包括該電廠廠用電10 kV饋線)10 kV饋線裝設(shè)電抗器，總共約需20組左右。

選用滿足正常運(yùn)行條件下的限流式電抗器參數(shù)經(jīng)深入計算后，得出10 kV饋線最嚴(yán)重的三相金屬性短路情況下10 kV母線(即勵磁變一次側(cè))電壓為額定值的62.7%，但隨著故障點(diǎn)的切除，62.7%的電壓會提供一定的勵磁電流而使發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)到額定值；電廠的低電壓保護(hù)不再動作(整定值小于62.7%)、且整定時間適當(dāng)延長，6.28事故時10 kV饋線為非三相金屬性短路，此時勵磁變一次側(cè)電壓會大于62.7%，采取本措施后6.28事故擴(kuò)大為全廠停電的隱患基本可確保不再重現(xiàn)。

⑵ 發(fā)電機(jī)出口及該電廠10 kVⅠ、Ⅱ段母線間的分段斷路器串接電抗器，二臺勵磁變串接在發(fā)電機(jī)與電抗器之間，總共計三組電抗器；選用正常運(yùn)行條件下使用的電抗器參數(shù)經(jīng)深入計算后得出10 kV饋線最嚴(yán)重的三相金屬性短路時二臺發(fā)電機(jī)勵磁變的一次側(cè)電壓為額定值的30%及45.7%，制造廠起勵磁裝置的定值為小于20%額定值時即退出，此時勵磁變會自行使發(fā)電機(jī)電壓升至額定值。在10kV饋線發(fā)生非三相金屬性短路時其電壓將會大于30%及45.7%，定性分析肯定，在故障切除后勵磁輸出會增加從而使(適當(dāng)延長低電壓整定時間)低電壓保護(hù)不動作，最終恢復(fù)正常運(yùn)行，發(fā)電機(jī)將不會跳閘，但由于目前這一電磁暫態(tài)過程靜態(tài)無法計算，故無法定量得出勵磁電壓輸出值及勵磁電壓速度上升值，研究討論認(rèn)為，應(yīng)通過適當(dāng)?shù)哪M試驗來驗證。

⑶ 僅在發(fā)電機(jī)出口串接電抗器即總共二組，其技術(shù)特性基本如上述第⑵條三組電抗器相似，只是饋線出現(xiàn)三相金屬性短路時二臺勵磁變一次電壓都為30%。

上述第⑴方案技術(shù)和理論數(shù)據(jù)上均有把握，可基本確保類似6.28故障出現(xiàn)后不會出現(xiàn)全廠停電，發(fā)電機(jī)一般情況下會恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時應(yīng)實施前面所述的建議延長低電壓保護(hù)整定時間及對發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈過補(bǔ)償實測最大最小電容電流值，并與消弧線圈并聯(lián)一個適當(dāng)參數(shù)的高電阻接地可有效降低發(fā)電機(jī)單相接地時的機(jī)端過電壓值；綜合實施上述幾個改進(jìn)措施后，把握更大可確保6.28事故全廠停電的不再現(xiàn)。但由于10 kV饋線數(shù)量眾多，也即新增的電抗器數(shù)量太多投資相對較大，現(xiàn)場較難施工、操作困難。

第⑵和第⑶的改進(jìn)方案由于故障切除后的暫態(tài)過程無法計算，只能定性分析得到故障切除后勵磁變一次電壓大與起勵裝置自動退出電壓(20%額定值)，因已大于起勵裝置退出電壓值，此時發(fā)電機(jī)將進(jìn)入勵磁升壓的正常環(huán)節(jié)，因此加裝電抗器肯定有好處。但因暫態(tài)過程無法計算，故尚需適當(dāng)?shù)哪M試驗加以驗證。

限流電抗器早在50年代就普遍推廣使用作為一種成熟的限流技術(shù)，可使電器設(shè)備選擇輕型化。保證饋線故障時母線電壓大于60%的額定電壓以確保其他非故障線路用戶的安全運(yùn)行，相關(guān)電力設(shè)計規(guī)范早已有較為明確的規(guī)定，同時也有成熟的設(shè)計運(yùn)行經(jīng)驗，其缺點(diǎn)主要是電抗器本身有少量有功損耗，但取其有改善故障情況下提高電廠運(yùn)行安全性的好功能，增加的有功損耗付出是值得的。

第⑵和第⑶二個改進(jìn)方案可操作，對避免6.28事故肯定有很大的益處，但電磁暫態(tài)過程無法計算，應(yīng)通過適當(dāng)模擬試驗來驗證，故電廠業(yè)主還在進(jìn)一步研究中。

3 發(fā)電機(jī)機(jī)端(靜態(tài))勵磁方式應(yīng)用場合的探討

⑴ 從本文第二節(jié)所述可知。不論發(fā)電機(jī)容量的大小，即使300 MW級及以上機(jī)組，國內(nèi)運(yùn)行實踐也有此先例(國內(nèi)某電廠的300 MW機(jī)組的離相封閉母線也出現(xiàn)過故障造成發(fā)電機(jī)出現(xiàn)短路的事故)。因此當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓回路出現(xiàn)短路故障且發(fā)電機(jī)又孤網(wǎng)運(yùn)行時，機(jī)端勵磁是無法工作的。在此種情況下機(jī)端勵磁是不應(yīng)該且應(yīng)禁止選用的。

⑵ 大機(jī)組一般都經(jīng)升壓系統(tǒng)(例如110、220、500 kV)與系統(tǒng)并網(wǎng)，大型企業(yè)如寶鋼3×350 MW機(jī)組并網(wǎng)，可作為事故及正常情況的補(bǔ)充、使電廠與電網(wǎng)互通有無；而個別有些大電站的大機(jī)組由于種種原因無法并入電網(wǎng)運(yùn)行，此時應(yīng)禁止使用機(jī)端(靜態(tài))勵磁系統(tǒng)；經(jīng)升壓站送電的自備電廠亦絕對禁止使用機(jī)端(靜態(tài))勵磁系統(tǒng)；其原因為無法避免發(fā)電機(jī)回路故障及如前述第二節(jié)所述事故教訓(xùn)。

⑶ 即使大機(jī)組經(jīng)升壓站送電并網(wǎng)運(yùn)行也應(yīng)限制不推廣并控制其少量使用，以最大可能提高發(fā)電機(jī)組及電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，如本文第二節(jié)第三節(jié)第1條所述，即使是大型機(jī)組，但發(fā)電機(jī)電壓回路故障也難免且主變低壓側(cè)繞組故障的概率也是存在的，因此采用機(jī)端勵磁的大機(jī)組失穩(wěn)的可能性較大。

升壓站高壓側(cè)送電線路三相金屬性故障時勵磁變的一次側(cè)電壓估算值見表1。

表1 故障時勵磁變的一次側(cè)電壓估算值

如表1所述當(dāng)發(fā)電機(jī)經(jīng)升壓變壓器送電時，考慮高壓輸電線路三相金屬性短路時125～600 MW機(jī)組勵磁變的一次電壓估算為40%～50%之間，當(dāng)高壓輸電線路為單相或二相接地短路時勵磁變的一次電壓會更高，會大于40%～50%，該數(shù)值雖大與起勵值20%，但不可能達(dá)到≥80%額定值，因而無法達(dá)到強(qiáng)勵2倍快速反應(yīng)的要求，對機(jī)組本體及電力系統(tǒng)的安全可靠性、穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大的危害。其隱患始終存在。1979年全國首次招標(biāo)引進(jìn)寶鋼2×35 MW機(jī)組時，設(shè)計單位及業(yè)主一起堅決否定了當(dāng)時日本三菱、東芝、日立三公司極力推薦的機(jī)端(靜態(tài))勵磁。制造廠推薦靜態(tài)勵磁的介紹為：

① 無同軸交流主勵磁機(jī)，減少軸長度

② 與無刷勵磁比可適當(dāng)降低造價

在1979年招標(biāo)引進(jìn)談判中設(shè)計單位與業(yè)主取得如下共識：

① 完全獨(dú)立不受電力系統(tǒng)故障干擾的無刷勵磁系統(tǒng)早已商業(yè)運(yùn)行，與機(jī)端勵磁比又無大電流碳刷，安全可靠。

② 制造廠所述可適當(dāng)降低工程造價，當(dāng)時設(shè)計單位與業(yè)主認(rèn)為無刷與機(jī)端勵磁差價很小，當(dāng)時報價也很接近；雖然可減少軸長，但這點(diǎn)長度差還不可能會減少其機(jī)身跨度或(跨)數(shù)。為了確保電力系統(tǒng)的安全，堅決否定了機(jī)端勵磁方案。

但近年來發(fā)現(xiàn)國內(nèi)大機(jī)組如600、1000 MW機(jī)組機(jī)端勵磁得到大量推廣使用，筆者認(rèn)為：雖然隨著國家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改善，系統(tǒng)聯(lián)系更緊密，但確實很多電力公司和電網(wǎng)公司對機(jī)端勵磁的“不獨(dú)立性”的致命缺點(diǎn)對電力系統(tǒng)安全威脅的隱患認(rèn)識不足，片面追求投資少一點(diǎn)是一點(diǎn)。僅節(jié)約相對很少的投資，而卻忽視了在提高安全可靠性上，機(jī)端勵磁存在嚴(yán)重不足的致命缺點(diǎn)，因此建議在某些電網(wǎng)規(guī)模較小的系統(tǒng)中應(yīng)禁止機(jī)端勵磁的選用；在一般較大電力系統(tǒng)宜規(guī)定電網(wǎng)中同容量機(jī)組機(jī)端勵磁(即非獨(dú)立型)不應(yīng)超過無刷(即獨(dú)立性)機(jī)組的例如為五分之一到四分之一，且應(yīng)按電氣距離平均分布，以確保安全穩(wěn)定。

[1]DL 5000-2000，火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[2]DL/T 5153-2002，火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].