自并勵(lì)機(jī)組啟動(dòng)試臉電源的選擇

白石，兀鵬越，何信林，張登寶

(1.華能大慶熱電廠，黑龍江省大慶市163159;2.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安市710032)

0 引言

自并勵(lì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，為了進(jìn)行他勵(lì)狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)，需另設(shè)一路獨(dú)立的臨時(shí)他勵(lì)電源送至勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)，該電源的容量要能夠滿足發(fā)電機(jī)短路、空載試驗(yàn)時(shí)所需的勵(lì)磁電流。在發(fā)電廠內(nèi)，比較合適的電源是高壓廠用配電段電源，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，該段電源由獨(dú)立于機(jī)組的啟動(dòng)變壓器提供。由于該電源屬于臨時(shí)性質(zhì)，因此不包括在設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)范圍，需要試驗(yàn)人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行選擇、計(jì)算。

如果臨時(shí)他勵(lì)電源未經(jīng)核算，有可能在機(jī)組整套啟動(dòng)進(jìn)行中才發(fā)現(xiàn)電源無法滿足啟動(dòng)試驗(yàn)要求，勢(shì)必影響整個(gè)機(jī)組試驗(yàn)進(jìn)度，有可能為機(jī)組順利投產(chǎn)帶來不利影響。因此，試驗(yàn)前計(jì)算他勵(lì)電源，才能保證發(fā)電機(jī)機(jī)組的整套啟動(dòng)試驗(yàn)安全、順利地完成。他勵(lì)電源選擇計(jì)算的主要問題是當(dāng)發(fā)電廠高壓廠用電的電壓等級(jí)為6～10 kV，僅為勵(lì)磁變壓器額定電壓的1/3～1/2時(shí)，能否滿足發(fā)電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)的要求。另外，當(dāng)勵(lì)磁變壓器臨時(shí)接至高壓廠用母線后，其原有設(shè)置在發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置中的勵(lì)磁變壓器繼電保護(hù)功能將失去作用，還需要設(shè)置臨時(shí)的保護(hù)，并結(jié)合發(fā)電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)這一特殊過程，整定合理的專用保護(hù)定值。如果對(duì)此考慮不周，有可能出現(xiàn)發(fā)電機(jī)短路、空載試驗(yàn)達(dá)不到預(yù)期結(jié)果，在某些意外故障下，甚至有可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。本文結(jié)合我國(guó)首臺(tái)空冷超臨界機(jī)組的啟動(dòng)調(diào)試工作，對(duì)自并勵(lì)機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)勵(lì)磁電源的選擇及保護(hù)定值計(jì)算進(jìn)行研究。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

1號(hào)機(jī)組的系統(tǒng)接線如圖1所示，圖中虛線部分是機(jī)組勵(lì)磁電源正式接線，在啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)需斷開。機(jī)組參數(shù)如表1［1］所示。

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2 勵(lì)磁電源的選擇計(jì)算

自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)見圖2。計(jì)算他勵(lì)電源的步驟為:(1)根據(jù)發(fā)電機(jī)特性曲線，確定試驗(yàn)所需最大勵(lì)磁電流If，乘以試驗(yàn)轉(zhuǎn)子溫度70℃時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻R70，得到試驗(yàn)所需勵(lì)磁電壓Uf;(2)根據(jù)三相全控整流橋關(guān)系式求得整流橋陽極電壓Us;(3)將陽極電壓換算到勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)，與高壓廠用電壓比較，判斷他勵(lì)電源是否滿足試驗(yàn)要求［1］。

2.1 發(fā)電機(jī)試驗(yàn)最大勵(lì)磁電流的確定

根據(jù)發(fā)電機(jī)出廠資料，在發(fā)電機(jī)特性曲線上，可以查找空載、短路試驗(yàn)時(shí)所需最大勵(lì)磁電流。

GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》［2］規(guī)定:“發(fā)電機(jī)電壓應(yīng)為定子額定電壓值的120%，對(duì)于發(fā)電機(jī)變壓器組之間無斷路器的情況，發(fā)電機(jī)電壓可以升到額定電壓值的105%”。查特性曲線(圖3)可知，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為1.05Un時(shí)，空載勵(lì)磁電流約為2 017 A;發(fā)電機(jī)電流達(dá)到額定電流時(shí)，所需勵(lì)磁電流約為2 958 A。因此，最大勵(lì)磁電流為發(fā)電機(jī)額定短路試驗(yàn)時(shí)的勵(lì)磁電流。

圖3 發(fā)電機(jī)特性曲線Fig.3 Characteristic curves of generator

2.2 計(jì)算試驗(yàn)時(shí)的最大轉(zhuǎn)子電壓

發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)子電壓為Uf=IfdR70，其中Ifd是勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度無法直接測(cè)量，可以通過氫溫間接估算，轉(zhuǎn)子溫度比熱氫溫度高20～30℃。試驗(yàn)時(shí)，熱氫溫度測(cè)量值為45℃，因此取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度為70℃。經(jīng)計(jì)算得到 Uf=244.38 V。

2.3 確定陽極電壓

三相全控整流橋的可控硅導(dǎo)通角最小時(shí)，輸出電壓最大。勵(lì)磁系統(tǒng)最小導(dǎo)通角αmin=30°，勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)電壓為

式中:Kc為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù);Uf為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓;If為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流;XΣ為勵(lì)磁變漏抗，一般取4% ～8%;ΣΔU為饋線回路電壓降之和，包括導(dǎo)通兩臂的硅元件的電壓降，線路電阻壓降和轉(zhuǎn)子碳刷與滑環(huán)之間的壓降，一般取2～4 V。

剛開始試驗(yàn)時(shí)，XΣ無法確認(rèn)，ΣΔU也取為估計(jì)值，因此，一般可以把回路總的電壓損耗估計(jì)為10%，αmin=30°，cosαmin=0.866。由于空載試驗(yàn)時(shí)不考慮強(qiáng)勵(lì)作用，取Kc=1，則可以求得Us=232.25 V。

2.4 計(jì)算勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電壓

將陽極電壓折算到勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)，得到Us=6.308 kV，該機(jī)組的高壓廠用電為6 kV等級(jí)。因此，該電壓基本與正常高壓廠用電一致，可以滿足啟動(dòng)試驗(yàn)要求。

2.5 提高試驗(yàn)勵(lì)磁電流的措施

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高壓廠用電壓為10 kV等級(jí)時(shí)，完全可以滿足發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)要求。

高壓廠用電壓為6 kV等級(jí)時(shí)，還要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)電壓和勵(lì)磁變壓器的變比情況，判斷高壓廠用電是否滿足試驗(yàn)要求。表2統(tǒng)計(jì)了部分機(jī)組的啟動(dòng)試驗(yàn)情況，可見他勵(lì)臨時(shí)電源無法滿足啟動(dòng)試驗(yàn)的情況比較常見。

表2 部分機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)情況Tab.2 Unit start-up test

如果臨時(shí)電源無法達(dá)到試驗(yàn)要求，可以采取以下措施:

(1)調(diào)節(jié)啟動(dòng)備用變壓器有載調(diào)壓檔位，提高廠用母線電壓，原則上母線電壓不宜超過6.5 kV。

(2)改變勵(lì)磁變壓器的分接頭，如井岡山電廠3、4號(hào)機(jī)組在調(diào)整了分接頭以后，就可以滿足額定短路電流的試驗(yàn)要求。某些國(guó)外的干式變壓器不帶分接頭，如海門電廠1、2號(hào)機(jī)組采用的ABB進(jìn)口干式變壓器，就無法采用調(diào)整分接頭的辦法來解決這一問題，這在設(shè)備采購(gòu)時(shí)要注意。

(3)修改勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的最小導(dǎo)通角。為了防止顛覆的發(fā)生，一般來說最小導(dǎo)通角不能小于15°。

以上措施可以同時(shí)采用，以達(dá)到盡可能大的勵(lì)磁電流。也有可能采取了以上措施以后，仍然無法達(dá)到試驗(yàn)要求的情況。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)勵(lì)磁變壓器的變比時(shí)未考慮到發(fā)電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)這一特殊工況的要求，勵(lì)磁變壓器的變比偏大。例如，華能海門電廠1號(hào)機(jī)組，在整套啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，短路電流只能達(dá)到額定電流90%，采取以上措施后，仍舊無法滿足試驗(yàn)要求。后來在3號(hào)機(jī)組的建設(shè)中，將勵(lì)磁變壓器的變比改為27 00/1 100，才滿足了啟動(dòng)試驗(yàn)要求。

因此，作為調(diào)試人員，在機(jī)組啟動(dòng)前應(yīng)該預(yù)先核算試驗(yàn)電源的容量，準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)措施，才能保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

3 勵(lì)磁變壓器非全壓沖擊過程分析

發(fā)電機(jī)整套啟動(dòng)前，要由高壓廠用電向勵(lì)磁變壓器送電。由于這是勵(lì)磁變壓器的首次送電，有可能存在安裝、質(zhì)量問題，因此必須有繼電保護(hù)裝置在發(fā)生異常時(shí)可靠跳閘。原有勵(lì)磁變壓器保護(hù)設(shè)置于機(jī)組保護(hù)中，在啟動(dòng)試驗(yàn)過程中尚未投運(yùn)，因此臨時(shí)試驗(yàn)電源需要另設(shè)保護(hù)。自并勵(lì)系統(tǒng)中，勵(lì)磁變壓器的額定電壓為發(fā)電機(jī)電壓，由于6 kV高壓廠用電壓遠(yuǎn)低于此，因此，這種情況下的勵(lì)磁變壓器勵(lì)磁涌流也不同于正常情況，見下文試驗(yàn)及分析。如果按照正常全壓沖擊變壓器來整定保護(hù)定值，有可能會(huì)導(dǎo)致事故狀況下保護(hù)拒動(dòng)。

2007年9月，在銅川電廠1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)中，安裝單位錯(cuò)將勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)繞組安裝短路。沖擊勵(lì)磁變壓器時(shí)，由于速斷保護(hù)定值按常規(guī)考慮躲過勵(lì)磁涌流，導(dǎo)致動(dòng)作值過大而未動(dòng)作。幸虧還有過負(fù)荷保護(hù)延時(shí)10 s跳閘設(shè)置，但已經(jīng)使得勵(lì)磁變壓器在6 kV廠用電壓下短路運(yùn)行10 s。所幸勵(lì)磁變壓器采用過負(fù)荷能力極強(qiáng)的干式變壓器，未對(duì)勵(lì)磁變壓器造成實(shí)質(zhì)性損害［3］。

3.1 變壓器非全壓合閘勵(lì)磁涌流分析

本文主要分析額定電壓下變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流。單相變壓器一次回路電壓方程為

式中:φ為變壓器磁通;R為繞組電阻;Um為變壓器電壓峰值;ω為電壓頻率;α為投入時(shí)刻初相角［4-5］。

式(1)的解析解為

式中:φr為合閘時(shí)刻鐵芯剩磁;L為繞組電感［4］;φm的表達(dá)式為

式中Im為變壓器電流峰值。

式(2)中φ1為穩(wěn)態(tài)磁通;φ2為維持t=0時(shí)刻磁通不發(fā)生突變而產(chǎn)生的暫態(tài)磁通，其初始值大小取決于剩磁大小、極性和α。當(dāng)α=0時(shí)，φ2為最大值φr+2φm，當(dāng)剩磁 φr與 φm極性相同時(shí)，φr+2φm遠(yuǎn)大于額定磁通。

φr的大小、極性取決于變壓器上次分閘的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是隨機(jī)的。剩磁一般為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行φm的20% ～30%［5］。

在變壓器額定電壓0°時(shí)刻合閘的情況見圖4，主磁通φ不對(duì)稱于時(shí)間軸，該磁通產(chǎn)生的勵(lì)磁電流i'0見圖5，也是不對(duì)稱的，其峰值可能達(dá)到變壓器額定電流的6～12倍。

3.2 低電壓下變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流

勵(lì)磁涌流衰減以后，鐵芯中剩下穩(wěn)態(tài)磁通－φmcos(ωt+α)，見圖6，是一個(gè)對(duì)稱磁通，該磁通產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱的較小的勵(lì)磁電流i0.1，即變壓器正常勵(lì)磁電流，其值一般不大于額定電流的1%。

當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，勵(lì)磁變壓器接于6 kV廠用母線，電壓僅為勵(lì)磁變額定電壓22 kV的27%，那么主磁通也只有額定主磁通的27%，則剩磁僅為額定主磁通的5.4%～8.1%。

因此，額定電壓22 kV的勵(lì)磁變壓器，接于6 kV廠用電源空載合閘時(shí)，即使φr與φm極性相同，產(chǎn)生的合成磁通也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定磁通，也即遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵芯勵(lì)磁特性曲線的飽和值，所以其產(chǎn)生的勵(lì)磁電流i0.2將比正常電壓下的勵(lì)磁電流i0.1更小。

圖6 正常及低于額定電壓時(shí)勵(lì)磁電流Fig.6 Magnetizing inrush current under at normal rated voltage or below rated voltage

將勵(lì)磁變壓器安裝正確后，再次進(jìn)行的送電過程中，用錄波器記錄了低電壓情況下勵(lì)磁變的勵(lì)磁涌流情況，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁涌流幾乎為0，說明了以上分析的正確性。

4 勵(lì)磁試驗(yàn)電源選擇及保護(hù)整定

4.1 機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)所需最大試驗(yàn)電流的確定

發(fā)電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)期間的勵(lì)磁變壓器和轉(zhuǎn)子繞組的繼電保護(hù)由6 kV廠用臨時(shí)電源間隔提供，需要計(jì)算最大負(fù)荷電流，也即試驗(yàn)所需最大電流。由發(fā)電機(jī)空載、短路特性曲線可知，發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)時(shí)的勵(lì)磁電流為試驗(yàn)所需的最大負(fù)荷電流。再將此電流折算到勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)，來選擇開關(guān)間隔容量以及高壓電纜規(guī)格。

根據(jù)廠家提供發(fā)電機(jī)特性曲線，查得發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)時(shí)的勵(lì)磁電流為2 958 A，再折算為交流電流2 413.7 A，則勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電流為88.9 A，該電流即機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的最大試驗(yàn)電流。

4.2 速斷保護(hù)的整定

變壓器在額定電壓下空載合閘時(shí)，速斷需要考慮躲過變壓器空載勵(lì)磁涌流，否則有可能導(dǎo)致變壓器空載合閘時(shí)速斷動(dòng)作［6-8］。但根據(jù)上文分析，對(duì)于啟動(dòng)試驗(yàn)過程中，勵(lì)磁變壓器臨時(shí)電源接于廠用電源的情況，速斷保護(hù)動(dòng)作電流Iop1只要避開低壓側(cè)三相短路電流即可，而不考慮勵(lì)磁涌流影響。

式中:Kre1為可靠系數(shù)，取1.2;Ik是勵(lì)磁變低壓側(cè)三相短路電流;na為CT變比。

4.3 過流保護(hù)整定

過流保護(hù)動(dòng)作電流按保證變壓器低壓側(cè)兩相短路時(shí)有足夠的靈敏度來整定，即

式中:Ksen是靈敏系數(shù)。

動(dòng)作時(shí)限t2與整流柜熔斷器配合，取t2=0.3 s。

4.4 過負(fù)荷整定

過負(fù)荷按短路試驗(yàn)最大勵(lì)磁電流下能可靠返回整定。

式中:Krel取1.05;Kr為返回系數(shù)，取0.9;I1是勵(lì)磁變壓器一次側(cè)額定電流。

動(dòng)作時(shí)限t3=10 s，可投跳閘，因?yàn)樵囼?yàn)過程一般不會(huì)過負(fù)荷，出現(xiàn)過負(fù)荷電流，也可認(rèn)為故障狀態(tài)。

4.5 接地保護(hù)整定

設(shè)置一簡(jiǎn)單零序過流保護(hù)，定值按照高壓廠用電6 kV母線接地電流整定，經(jīng)短時(shí)限跳閘。

4.6 熔斷器的保護(hù)配合

如果選擇負(fù)荷開關(guān)間隔，為了與熔斷器特性配合，不設(shè)速斷保護(hù)，而過電流時(shí)間與高壓側(cè)熔斷絲特性配合。

5 結(jié)語

(1)自并勵(lì)機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)的臨時(shí)勵(lì)磁試驗(yàn)電源需要預(yù)先核算，防止試驗(yàn)過程中電源不能滿足試驗(yàn)要求出現(xiàn)，延誤時(shí)間。

(2)啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，勵(lì)磁變壓器臨時(shí)接于高壓廠用電源，由于該電壓遠(yuǎn)低于額定電壓，在變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生6～8倍額定電流的勵(lì)磁涌流，并不會(huì)出現(xiàn)可觀的勵(lì)磁涌流。

(3)進(jìn)行自并勵(lì)機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)臨時(shí)電源的保護(hù)整定時(shí)，速斷及過流保護(hù)不考慮勵(lì)磁涌流，這是完全符合實(shí)際情況的。

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