自并勵靜止勵磁系統(tǒng)在發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

李漢儒，李寶山，趙冬云

（1.鞍山鋼鐵集團(tuán)公司第二發(fā)電廠，遼寧鞍山114012；2.鞍山鋼鐵集團(tuán)鞍鋼工程技術(shù)有限公司，遼寧鞍山114021）

自并勵靜止勵磁系統(tǒng)在發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

李漢儒1，李寶山1，趙冬云2

（1.鞍山鋼鐵集團(tuán)公司第二發(fā)電廠，遼寧鞍山114012；2.鞍山鋼鐵集團(tuán)鞍鋼工程技術(shù)有限公司，遼寧鞍山114021）

結(jié)合鞍鋼第二發(fā)電廠機(jī)組勵磁系統(tǒng)的改造，采用自并勵磁方式，用靜止勵磁變壓器替代旋轉(zhuǎn)勵磁發(fā)電機(jī)，通過介紹發(fā)電機(jī)自并勵靜止勵磁系統(tǒng)及其特點，說明該勵磁方式與過去的勵磁方式相比有較大的優(yōu)越性。

自并勵靜止勵磁系統(tǒng)；勵磁調(diào)節(jié)器

1 引言

勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組重要設(shè)備，主要作用是調(diào)節(jié)勵磁，以維持定子電壓穩(wěn)定；合理分配各臺機(jī)組間無功功率；在發(fā)生短路時，強(qiáng)行勵磁以提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定能力、提高輸送功率極限、擴(kuò)大靜態(tài)穩(wěn)定運行的范圍。勵磁系統(tǒng)對提高發(fā)電廠的自動化水平、發(fā)電機(jī)組運行的可靠性、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要的作用。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，勵磁方式已從直流電機(jī)勵磁發(fā)展到可控硅勵磁，在微機(jī)自并勵靜止可控硅整流勵磁系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的勵磁電流是由機(jī)端的勵磁變壓器經(jīng)過可控硅整流裝置整流后供給，自動勵磁調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流以實現(xiàn)自動調(diào)整發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓或無功功率，這種勵磁系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)精度高的特點，已成為勵磁系統(tǒng)發(fā)展的主流。

2 概述

鞍鋼第二發(fā)電廠1.2#機(jī)組是1974年捷克進(jìn)口機(jī)組，其勵磁系統(tǒng)采用同軸直流勵磁機(jī)勵磁方式（原理如圖1所示）。

采用直流勵磁機(jī)供電的勵磁系統(tǒng)，在過去的十幾年間，是同步發(fā)電機(jī)的主要勵磁系統(tǒng)。長期的運行經(jīng)驗證明，這種勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點是：具有獨立的不受外系統(tǒng)干擾的勵磁電源，調(diào)節(jié)方便。

近年來，鞍鋼第二發(fā)電廠1.2#機(jī)組勵磁系統(tǒng)故障時有發(fā)生，主要存在如下問題：

（1）由于原勵磁裝置運行時間久、機(jī)件老化、缺陷漸多，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運行。

（2）調(diào)節(jié)器元器件老化、板件損壞時有發(fā)生，備品供應(yīng)困難。

（3）改變工況運行時的調(diào)節(jié)性能差，特別是在系統(tǒng)發(fā)生故障時，強(qiáng)勵經(jīng)常不能滿足電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)運行的要求。

（4）換向器和電刷的維護(hù)工作量大，運行中更換碳刷時需要帶電作業(yè)，且檢修勵磁機(jī)時必須停主機(jī)，很不方便；另外粉塵、噪音等對作業(yè)人員有一定的危害。

（5）運行時整流子與電刷之間火花嚴(yán)重并伴有跳動，整流子換相工況惡化，曾經(jīng)出現(xiàn)過環(huán)火，使機(jī)組被迫停機(jī)。整流子發(fā)生換相故障時又會對整流子表面產(chǎn)生灼傷和損壞，絕緣性能下降。

（6）勵磁繞組出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象，電氣性能下降，引起勵磁接地等故障，直接影響機(jī)組的正常運行。2#發(fā)電機(jī)改造前，勵磁回路絕緣下降，出現(xiàn)接地故障無法消除被迫停機(jī)，切換到備用勵磁機(jī)運行。

總之，這種同軸直流勵磁機(jī)勵磁方式，由于直流勵磁機(jī)碳刷的使用，導(dǎo)致運行維護(hù)量增大，相復(fù)勵勵磁調(diào)節(jié)器由于制造工藝及其技術(shù)原因，在進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵磁電流調(diào)節(jié)的時候，存在調(diào)節(jié)速度慢、不夠穩(wěn)定及調(diào)節(jié)精度低等缺點。

圖1 直流勵磁機(jī)方式勵磁系統(tǒng)

3 發(fā)電機(jī)自并勵靜止勵磁系統(tǒng)和三機(jī)勵磁系統(tǒng)的比較

常規(guī)火電廠發(fā)電機(jī)的勵磁方式主要有自并勵靜止勵磁和三機(jī)勵磁兩大類，靜止勵磁中發(fā)電機(jī)的勵磁電源取自于發(fā)電機(jī)機(jī)端，通過勵磁變壓器降壓后供給可控硅整流裝置，可控硅整流變成直流后，再通過滅磁開關(guān)引入至發(fā)電機(jī)的磁場繞組，整個勵磁裝置沒有轉(zhuǎn)動部件，屬于全靜態(tài)勵磁系統(tǒng)；而三機(jī)勵磁的原理是：主勵磁機(jī)、副勵磁機(jī)、發(fā)電機(jī)三機(jī)同軸，主勵磁機(jī)的交流輸出，經(jīng)過二極管整流器整流后，供給汽輪發(fā)電機(jī)勵磁。主勵磁機(jī)的勵磁，由永磁副勵磁機(jī)輸出經(jīng)可控硅整流器整流后供給。自動電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)端電壓互感器、電流互感器取得的調(diào)節(jié)信號，控制可控硅整流器輸出的大小，實現(xiàn)機(jī)組勵磁的自動調(diào)節(jié)。

3.1 組成

自并勵靜止勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、可控硅功率整流裝置、自動勵磁調(diào)節(jié)裝置、發(fā)電機(jī)滅磁及過電壓保護(hù)裝置、起勵設(shè)備及勵磁操作設(shè)備等部分組成。勵磁電源是由接于發(fā)電機(jī)出口的勵磁變壓器取得，這種方式的勵磁電源取自發(fā)電機(jī)本身，不受廠用電系統(tǒng)的供電影響。

三機(jī)勵磁系統(tǒng)由主勵磁機(jī)、副勵磁機(jī)、勵磁調(diào)節(jié)裝置、功率柜、滅磁開關(guān)柜及過電壓保護(hù)裝置等組成。

3.2 相對于三機(jī)勵磁系統(tǒng)，靜態(tài)勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）靜止勵磁用靜止的勵磁變壓器取代了旋轉(zhuǎn)的勵磁機(jī)，用大功率靜止可控硅整流系統(tǒng)取代了旋轉(zhuǎn)二極管整流盤，由于勵磁系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)部分，設(shè)備接線比較簡單，大大提高了整個勵磁系統(tǒng)的可靠性，機(jī)組的檢修維護(hù)工作量大大減少。

（2）機(jī)組采用靜止勵磁方式，取消了勵磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)二極管整流盤，其軸系長度縮短，機(jī)組軸系的支點減少，使得軸系的震動模式簡單，利于軸系的穩(wěn)定。

（3）提高效率。采用靜態(tài)勵磁的機(jī)組，其勵磁損耗(主要為電阻損耗及集電環(huán)電刷損耗)較采用三機(jī)勵磁的機(jī)組相應(yīng)的損耗少。

（4）可以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路上安裝高速磁場開關(guān)和大容量滅磁電阻，采用的全控整流器在正常停機(jī)時可以實現(xiàn)逆變滅磁，在機(jī)組出現(xiàn)內(nèi)部故障或系統(tǒng)有特殊要求時跳高速磁場開關(guān)，并將磁場能量轉(zhuǎn)移到滅磁電阻，實現(xiàn)快速滅磁。而且滅磁速度快、可靠無損傷，有效防止事故的擴(kuò)大。

（5）靜止勵磁系統(tǒng)沒有了主、副勵磁機(jī)，系統(tǒng)接線簡潔，同時靜止勵磁系統(tǒng)的可控硅整流橋有很大的冗余度，可以進(jìn)行在線維護(hù)，提高了運行的安全性和可維護(hù)性，經(jīng)濟(jì)效益也是顯著的。

（6）三機(jī)勵磁系統(tǒng)的缺點：

①交流主勵磁機(jī)有一個“時滯”環(huán)節(jié)：要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流，必須先調(diào)節(jié)交流主勵磁機(jī)的勵磁電流，有“時滯”存在。

②副勵磁機(jī)波形畸變：可控硅整流橋的負(fù)載是交流主勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組這一電感性負(fù)載，因此，勵磁電源副勵磁機(jī)的輸出電壓波形將產(chǎn)生畸變，容易出現(xiàn)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定、無功功率跳動或擺動的情況。而靜止勵磁系統(tǒng)由于取消了勵磁機(jī)，減少了機(jī)組的慣性滯后環(huán)節(jié)，靜止勵磁系統(tǒng)具備很高的響應(yīng)速度，可提高暫態(tài)穩(wěn)定性；還可通過PSS功能作用提供的系統(tǒng)正阻尼大大提高電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過對勵磁變壓器和可控硅整流柜的合理配置，可以方便地提高勵磁系統(tǒng)的容量裕度，大大提高勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

（7）靜止勵磁系統(tǒng)在機(jī)組甩負(fù)荷時過電壓水平相對較低：機(jī)端過電壓起始值與甩負(fù)荷前負(fù)荷電流成反比，由于增加了勵磁變分支電流，機(jī)端過電壓起始值比三機(jī)勵磁系統(tǒng)的小。

在對汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的可靠性統(tǒng)計分析中，自并勵磁方式的可靠性要高于旋轉(zhuǎn)勵磁方式，自并勵勵磁系統(tǒng)事故后恢復(fù)正常運行所需要的時間為旋轉(zhuǎn)勵磁的1/4，事故強(qiáng)迫停機(jī)率為旋轉(zhuǎn)勵磁的1/3，隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，自并勵勵磁系統(tǒng)的可靠性還將不斷提高。綜上所述，自并勵靜止勵磁系統(tǒng)要優(yōu)于三機(jī)勵磁系統(tǒng)。

4 勵磁調(diào)節(jié)裝置的選型

經(jīng)過大量的調(diào)研和比較，我廠決定采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，選用GEC-2E型全數(shù)字式非線性勵磁裝置，該裝置綜合運用了同步發(fā)電機(jī)的現(xiàn)代勵磁控制理論，從輸入通道的交流采樣到控制脈沖的輸出全部實現(xiàn)數(shù)字化，沒有模擬環(huán)節(jié)，無電位器調(diào)整。全數(shù)字化大大提高了精度和可靠性，維護(hù)十分方便。

GEC-2E型全數(shù)字式非線性勵磁裝置主要適用于自并勵勵磁系統(tǒng)，由勵磁調(diào)節(jié)柜、功率柜、滅磁開關(guān)柜、切換操作柜、勵磁變壓器等構(gòu)成。勵磁調(diào)節(jié)柜內(nèi)安裝的是勵磁控制器，是勵磁反饋的核心部分。功率柜內(nèi)安裝的是由大功率可控硅組成的三相全控整流橋，根據(jù)發(fā)電機(jī)勵磁電流的大小，由兩個功率柜向發(fā)電機(jī)提供勵磁電流。滅磁開關(guān)柜內(nèi)安裝的是滅磁開關(guān)和非線性過壓保護(hù)裝置，切換操作柜主要完成主備勵切換等功能。

GEC-2E的基本配置是全雙置，即配備完全獨立的兩個控制器及相應(yīng)的電源回路，兩套調(diào)節(jié)器互為備用運行，每套調(diào)節(jié)器均能滿足包括強(qiáng)勵在內(nèi)的發(fā)電機(jī)各種運行工況對勵磁的要求。

5 自并勵靜止勵磁系統(tǒng)組成

從1#發(fā)電機(jī)的出口母線獲得三相交流電，經(jīng)過勵磁變壓器變?yōu)?50 V交流電，再經(jīng)過兩套可控硅整流裝置即1.2#功率柜后，通過直流刀閘ZLDK到主備勵切換柜，然后到滅磁及過電壓保護(hù)柜，最后到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，完成了發(fā)電機(jī)的勵磁過程。1#發(fā)電機(jī)從廠用380 V得到起勵電源，經(jīng)過變壓整流到滅磁及過電壓保護(hù)柜。

5.1 勵磁變壓器

勵磁變壓器是選用戶內(nèi)型的三相澆鑄樹脂干式變壓器，采用并接于發(fā)電機(jī)機(jī)端的自并勵典型接線方式。勵磁變壓器的保護(hù)設(shè)置有：超溫過載保護(hù)，低壓側(cè)的短路保護(hù)，依賴于發(fā)電機(jī)差動保護(hù)的高壓側(cè)保護(hù)。

5.2 勵磁調(diào)節(jié)器

它由基本控制和輔助控制兩大部分組成?；究刂朴蓽y量比較、綜合放大和移相觸發(fā)三個主要單元構(gòu)成，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和無功功率分配等基本調(diào)節(jié)功能。輔助控制是為了滿足發(fā)電機(jī)不同運行工況，改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善勵磁控制系統(tǒng)動態(tài)性能而設(shè)置的單元，包括系統(tǒng)電壓跟蹤、通道之間自動跟蹤、故障智能檢測和自動切換、容錯控制、故障錄波和故障記錄、輔助調(diào)試和試驗功能等。

我廠1#發(fā)電機(jī)組選用GEC-2E型勵磁調(diào)節(jié)器，其電源一部分是來自廠用380 V系統(tǒng)；一部分來自廠直流系統(tǒng)。它的輸入量有系統(tǒng)電壓、機(jī)端電壓、儀用機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電流，輸出量是觸發(fā)脈沖。

采用雙調(diào)節(jié)器的全冗余設(shè)計，勵磁系統(tǒng)的運行由設(shè)為主套的調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)為從套的調(diào)節(jié)器作為備用調(diào)節(jié)器。正常情況下，備用調(diào)節(jié)器自動跟蹤主套調(diào)節(jié)器，事故情況下，主、從套調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)自動無擾動的切換，從而保證了發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)有電壓調(diào)節(jié)（自動）、電流調(diào)節(jié)（手動）、無功調(diào)節(jié)、恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)共四種調(diào)節(jié)模式。

5.3 可控硅整流裝置

此系統(tǒng)配置QLG-2A型發(fā)電機(jī)勵磁整流柜兩臺，其主要特點是設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、元器件少、生產(chǎn)維護(hù)量小、設(shè)備運行可靠。該勵磁整流柜采用高規(guī)格大容量整流管、每個整流柜內(nèi)裝6只可控硅組成三相全控橋式整流電路，并采用了集中阻容吸收電路，因此從原理到實際裝置都體現(xiàn)了先進(jìn)性和實用性。

單柜即可滿足1#汽輪發(fā)電機(jī)組的正常勵磁功率要求,也能滿足機(jī)組10 s2倍強(qiáng)行勵磁電流的要求。

對于運行設(shè)備，如果發(fā)現(xiàn)某一臺勵磁整流柜有異常需要處理時，首先確認(rèn)當(dāng)前是兩臺勵磁整流柜在并列運行，這時可人為切掉異常整流柜。

5.4 滅磁及過電壓保護(hù)

滅磁及過電壓保護(hù)如圖2所示，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組回路中，RN2是由多片氧化鋅壓敏電阻串并聯(lián)組成的滅磁裝置，它通過二極管D跨接在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩端。在機(jī)組正常運行時，轉(zhuǎn)子繞組兩端的電壓僅有幾百伏，通過RN2的電流也只是微安級，相當(dāng)于RN2開路狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)需要強(qiáng)行快速滅磁時，磁場斷路器FMK（DM4-2500/2）的觸頭將斷開，在觸頭斷口處產(chǎn)生3500 V左右的電壓。此電壓抵消掉整流柜整流電壓（幾百伏）后，施加在RN2兩端（也就是轉(zhuǎn)子繞組兩端），使RN2的內(nèi)阻急劇變小，最終RN2被擊穿，這使得轉(zhuǎn)子繞組中原來流通的電流I1轉(zhuǎn)移到RN2中。RN2將轉(zhuǎn)子繞組中存貯的電磁能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎谋M，轉(zhuǎn)子中的電流I1很快衰減到0，達(dá)到了給發(fā)電機(jī)快速滅磁的目的。

圖2 滅磁及過壓保護(hù)

在滅磁回路中，RN2與RN3串聯(lián)在一起，是做為轉(zhuǎn)子繞組的過壓保護(hù)用，它可以吸收轉(zhuǎn)子繞組兩端出現(xiàn)的任何尖峰過電壓。RN1非線性電阻是作為勵磁電源側(cè)的過電壓保護(hù)用，它可以吸收電源側(cè)出現(xiàn)的任何尖峰過電壓。RD1、RD2是多路保護(hù)熔斷器的代號，在每一支路非線性電阻上都串接一個熔斷器，它是特制產(chǎn)品，與氧化鋅非線性電阻配套使用，專門用來保護(hù)氧化鋅壓敏電阻。一旦某一支路的氧化鋅被損壞（主要指擊穿短路），該支路的熔斷器都會自動熔斷，從而切掉該支路，確保發(fā)電機(jī)和裝置的安全。

快速磁場斷路器（FMK）是DM4-2500型雙斷口開關(guān)，它的每一個斷口可以產(chǎn)生1700 V左右的電弧電壓，雙斷口可產(chǎn)生3500 V左右的弧壓，這樣可以充分保證RN2被高壓擊穿工作。在RN2回路中串接的電流互感器CT，是用來測量RN2導(dǎo)通次數(shù)的。當(dāng)通過RN2的電流大于60 A以上時，CT二次都感應(yīng)出足夠大小的電流，它會給計數(shù)器一個信號，使計數(shù)器記錄一次，同時，在柜體面門上有動作指示信號顯示燈保持發(fā)光。RN2動作完畢后，按柜門上的復(fù)位按鈕，顯示燈將熄滅，但計數(shù)器上的動作次數(shù)仍保持。

綜上所述，不難看出本裝置的滅磁及過壓保護(hù)原理是極其簡單的，十分有利于現(xiàn)場檢修人員的掌握和維護(hù)。

5.5 啟勵裝置

1#機(jī)勵磁系統(tǒng)是機(jī)端勵磁系統(tǒng)，需加起勵回路，起勵回路設(shè)在滅磁柜中。先合上起勵電源開關(guān)QLDK，將起勵電源投上，設(shè)有起勵按鈕，當(dāng)按下起勵按鈕，起勵接觸器QLJC動作，接點閉合，起勵變壓器二次交流電通過直流模塊ZLM整流后變?yōu)橹绷麟娝偷綔绱砰_關(guān)主觸頭，如此時滅磁開關(guān)閉合，此直流電可通過滅磁開關(guān)送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，給轉(zhuǎn)子勵磁。松開起勵按鈕，起勵接觸器復(fù)歸，將起勵回路與勵磁回路斷開，當(dāng)起勵回路由調(diào)節(jié)器控制時，投切起勵回路及起勵時間由勵磁調(diào)節(jié)器控制。有關(guān)電路見圖3。

圖3 啟勵裝置

6 應(yīng)用效果

鞍鋼第二發(fā)電廠1.2#機(jī)組進(jìn)行微機(jī)自并勵靜止可控硅整流勵磁系統(tǒng)改造后運行安全平穩(wěn)，已經(jīng)證明了這種勵磁系統(tǒng)反應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)靈敏、技術(shù)先進(jìn)，而且由于取消了直流勵磁機(jī)及其附屬設(shè)備，大大減少了設(shè)備維護(hù)費用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和安全效益。

[1]楊冠城.電力系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)裝置原理（第5版）[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]GB/T7409-1997，同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)[S].

App lication of Self-Shunt Static Excitation Device in Reconstruction of the Excitation System of Power Plant

LI Hanru，LI Baoshan，ZHAO Dongyun
(1.TheNo.2PowerPlantofAnshanIronandSteelGroup；2.TheEngineeringTecbnologyCo.Ltd.ofAnshan IronandSteelGroup，Anshan,Liaoning114012,China)

Self shunt excitation was adopted to replace the rotating excitation generator with static excitation transformer in the reconstruction project of the excitation system at the No.2 power plant of Anshan Steel.Through introduction of the self shunt excitation system and its features,the advantages of the system over existing excitation modes are demonstrated.

self shunt static excitation;excitation regulator

TM761.11

B

1006-6764(2014)12-0005-04

2014－09－25

李漢儒（1973－），男，畢業(yè)于四川大學(xué)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，工程師，現(xiàn)從事發(fā)電廠電氣技術(shù)管理工作。