自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓對勵(lì)磁系統(tǒng)影響研究

莫愷

（神華國能集團(tuán)有限公司重慶發(fā)電廠，重慶 400053）

較之傳統(tǒng)的勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁方式上有著一定的不同，而且當(dāng)機(jī)端電壓發(fā)生變化時(shí)往往會(huì)對勵(lì)磁系統(tǒng)造成一系列的影響，進(jìn)而影響設(shè)備安全。這就要求我們正確分析機(jī)端電壓對勵(lì)磁系統(tǒng)的影響，然后采取措施進(jìn)行解決，盡可能地降低不良影響。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)概述

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要構(gòu)成，其作用在于為同步電機(jī)中的勵(lì)磁繞組提供直流電源，可因不同的勵(lì)磁方式分為多種類型。目前發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式主要包括：一是自勵(lì)方式，即勵(lì)磁來源于發(fā)電機(jī)自身的交流整流，具體可分為無需勵(lì)磁機(jī)、簡單經(jīng)濟(jì)的自勵(lì)靜止半導(dǎo)體勵(lì)磁和諧波供電勵(lì)磁，但兩者應(yīng)用不多。二是他勵(lì)方式，同步發(fā)電機(jī)自身不提供勵(lì)磁，而是由其他電源供給，且因電源不同可分為多種類型，如適用于小容量發(fā)電機(jī)的同軸直流勵(lì)磁系統(tǒng)，運(yùn)行可靠，便于調(diào)節(jié)，但需重點(diǎn)維護(hù)電刷、換向器；適用于1000r/min 轉(zhuǎn)速以下的大容量機(jī)組的不同軸直流勵(lì)磁系統(tǒng)，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，應(yīng)用較少；適用于大容量發(fā)電機(jī)的靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)融了交流發(fā)電機(jī)和整流裝置，有可控和不可控之分；基于同軸交流勵(lì)磁機(jī)和硅整流裝置的旋轉(zhuǎn)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，無須電刷、滑環(huán)、轉(zhuǎn)向器，而且運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等，缺點(diǎn)是整流裝置離心力大，無法直接滅磁。此外，還有穩(wěn)定價(jià)高的轉(zhuǎn)子繞組雙軸勵(lì)磁，簡單經(jīng)濟(jì)、可靠性高的定子繞組勵(lì)磁以及混合勵(lì)磁方式，其中混合式勵(lì)磁中的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，由于功率源于發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓并將其用于靜止可控整流裝置，故也被成為電源勢靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，采用的是三相全控整流電路（IGBT），還可進(jìn)行逆變滅磁從而簡化勵(lì)磁系統(tǒng)，現(xiàn)大容量發(fā)電機(jī)大量采用此方式。

2 自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓對勵(lì)磁系統(tǒng)的影響

（1）自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的主要任務(wù)。自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，會(huì)為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流，并根據(jù)其負(fù)荷狀態(tài)調(diào)整勵(lì)磁電流，以此維持電壓處于給定水平，并穩(wěn)定、合理的分配所帶的無功功率。如果發(fā)電機(jī)因發(fā)變組外部短路故障導(dǎo)致機(jī)端電壓嚴(yán)重下降時(shí)，會(huì)通過強(qiáng)行勵(lì)磁迅速提升勵(lì)磁電壓至足夠的頂值，或者內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)也會(huì)進(jìn)行快速滅磁迅速減值勵(lì)磁電流至零值，其中勵(lì)磁調(diào)節(jié)器最為關(guān)鍵，可根據(jù)機(jī)端電壓變化和工況變化對勵(lì)磁功率單元所輸出的勵(lì)磁電流進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)，以此滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際要求。

（2）機(jī)端電壓對勵(lì)磁系統(tǒng)的影響。由上可知，勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)受到自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的制約。這是因?yàn)樽圆?lì)勵(lì)磁電源是由發(fā)電機(jī)機(jī)端供給的，無論何種原因，只要發(fā)電機(jī)定子電流大幅上升就會(huì)引起機(jī)端電壓下，進(jìn)而引起勵(lì)磁系統(tǒng)輸入電壓降低，使勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的電壓和電流下降，如此惡性循環(huán)引發(fā)機(jī)端鐵芯、定子、轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱，最終弱化勵(lì)磁系統(tǒng)的保護(hù)作用，甚至損壞設(shè)備。當(dāng)自并勵(lì)發(fā)電機(jī)突然發(fā)生三相短路時(shí)，雖然與傳統(tǒng)的勵(lì)磁方式一樣在短路電流方面會(huì)出現(xiàn)相同的暫態(tài)分量及其初始值，這取決于發(fā)電機(jī)參數(shù)而非勵(lì)磁方式，但在衰減時(shí)間方面卻有所不同，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)的短路電流會(huì)一直處于衰減狀態(tài)直至為零，期間不存在穩(wěn)態(tài)值，換句話說，就是在同一時(shí)間內(nèi)，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)短路電流具有更快的衰減速度。發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障發(fā)生時(shí)，由于差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作靈敏快速，所以電流快速衰減對其幾乎無影響，而作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部和外部短路故障后備保護(hù)的延時(shí)過流保護(hù)來說影響非常大，可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作失靈或拒動(dòng)。因此，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓因短路致使電流和電壓分別突增和突降時(shí)容易導(dǎo)致過流保護(hù)拒動(dòng)，即使外部故障切除后機(jī)端電壓恢復(fù)也需要一定的時(shí)間，此時(shí)，自并勵(lì)系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力也會(huì)有所弱化。

當(dāng)自并勵(lì)發(fā)電機(jī)因兩相短路形成不對稱機(jī)端電壓時(shí)，會(huì)加劇整流短路的計(jì)算難度，此時(shí)，處于機(jī)端和短路點(diǎn)之間的正序電壓會(huì)逐步降低，對應(yīng)的負(fù)序電壓則是逐步升高，故距離較遠(yuǎn)的不對稱短路電流基本上不會(huì)下降甚至?xí)兴仙?，若此時(shí)自并勵(lì)發(fā)電機(jī)負(fù)荷本就不高，也有可能引發(fā)過流保護(hù)不動(dòng)作。此外，對于單相接地的小電流接地系統(tǒng)，一般不會(huì)影響自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。

3 自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓對勵(lì)磁系統(tǒng)影響的規(guī)避措施

（1）傳統(tǒng)的處理方法。通過以上分析可知，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)外部三相短路故障下導(dǎo)致機(jī)端電壓和整流電源電壓下降的最為嚴(yán)重，對勵(lì)磁系統(tǒng)的影響也是最不利的，對此有的選擇調(diào)整強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)計(jì)算，即以80%的發(fā)電機(jī)額定電壓值計(jì)算整流電源電壓，此時(shí)自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為額定電壓值時(shí)便會(huì)提升25%的強(qiáng)勵(lì)能力，配以出口的封閉母線，用于基本消除三相電壓短路的風(fēng)險(xiǎn)。更多的是在設(shè)置過流保護(hù)延時(shí)動(dòng)作跳機(jī)的基礎(chǔ)上增加后備保護(hù)，確切地說，是復(fù)合電壓過流保護(hù)，這樣一來，在自并勵(lì)發(fā)電機(jī)內(nèi)外發(fā)生短路故障的情況下，若主保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)，便會(huì)自動(dòng)執(zhí)行復(fù)壓過流保護(hù)動(dòng)作。因?yàn)樵摵髠浔Ｗo(hù)涉及了一個(gè)負(fù)序電壓繼電器以及與相間電壓連接的低壓繼電器，只要兩者一個(gè)動(dòng)作，過電流繼電器也會(huì)同時(shí)動(dòng)作，進(jìn)而啟動(dòng)復(fù)壓過流保護(hù)。

（2）規(guī)避措施的優(yōu)化。

①雖然后備保護(hù)的增設(shè)有助于短路故障時(shí)發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作拒動(dòng)問題的改善，但并不能根治。這是因?yàn)?，如果短路點(diǎn)距離自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端比較近，機(jī)端電壓的下降會(huì)引起勵(lì)磁電流的減小，進(jìn)而降低發(fā)電機(jī)電壓，并減少短路衰減，而故障電流在到達(dá)過流保護(hù)動(dòng)作出口之前可能就比過流定值小，從而導(dǎo)致過流保護(hù)提早返回，顯然保護(hù)拒動(dòng)依舊存在。顯然需要在過流元件中增設(shè)電流記憶功能，通過記憶故障電流來規(guī)避上述問題。值得一提的是，如果出現(xiàn)主變高壓側(cè)短路或接地等斷路器內(nèi)側(cè)故障，雖然主保護(hù)會(huì)執(zhí)行跳閘動(dòng)作，但故障點(diǎn)未消除，依舊會(huì)通過發(fā)電機(jī)為其提供電流，因存在電流記憶功能，過流保護(hù)能夠正常動(dòng)作。但是如果過流保護(hù)出口整定不合理，勢必會(huì)引發(fā)更大范圍的故障。

②在復(fù)壓記憶過電流保護(hù)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)基于保護(hù)原理進(jìn)行基本的定義，包括自并勵(lì)發(fā)電機(jī)電流 cbaIII 、、 ，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓 Uab、Ubc、Uca等TA/TV 定義，發(fā)電機(jī)復(fù)壓過流t1、t2 等出口信號定義，發(fā)電機(jī)復(fù)壓過流t1、t2 等出口跳閘定義，發(fā)電機(jī)復(fù)壓過流 21 tt、 等保護(hù)出口壓板定義，其中保護(hù)壓板插入與拔掉分別對應(yīng)的是保護(hù)動(dòng)作發(fā)生發(fā)信出口跳閘和不發(fā)信出口不跳閘。在定值整定環(huán)節(jié)需要對過流電流 1gI 、低電壓1U 、負(fù)序電壓 gU2以及延時(shí) 1211 tt 、 ，進(jìn)行整定。隨后投入保護(hù)，經(jīng)人機(jī)界面查看保護(hù)是否已投入，并根據(jù)復(fù)壓記憶過流保護(hù)監(jiān)護(hù)界面對電壓、電流、整定值等信息及其計(jì)算值進(jìn)行監(jiān)視。

③為保證復(fù)壓記憶過電流保護(hù)正常進(jìn)行，還需對其保護(hù)動(dòng)作的整定值進(jìn)行科學(xué)的測試。一是在測試過流電流定值時(shí)先不輸入電壓，低電壓判據(jù)滿足，分別輸入三相電流，并予以緩慢增加直到自并勵(lì)發(fā)電機(jī)復(fù)壓電流保護(hù)出口，發(fā)生動(dòng)作注意及時(shí)準(zhǔn)確的記錄A、B、C 相動(dòng)過流作值 1gI 。二是在測試低電壓定值時(shí)，為其中的一相增加電流使其大于整定值，配以CA 相電壓為額定電壓，并緩慢降低直到自并勵(lì)發(fā)電機(jī)復(fù)壓過流保護(hù)出口發(fā)生動(dòng)作，及時(shí)準(zhǔn)確地記錄低電壓動(dòng)作值Uca；三是在測試負(fù)序電壓定值時(shí)，為其中的一相增加電流使其大于整定值，配以三相不平衡電壓，直到自并勵(lì)發(fā)電機(jī)復(fù)壓過流保護(hù)出口發(fā)生動(dòng)作，及時(shí)準(zhǔn)確地記錄負(fù)序電壓動(dòng)作值；最后，在測試動(dòng)作時(shí)間定值時(shí)，需要在自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端突然增加高于定值電流1.5 倍的電流，并及時(shí)準(zhǔn)確地記錄保護(hù)動(dòng)作時(shí)間t1 和t2，同時(shí)記錄保護(hù)動(dòng)作是發(fā)信號還是出口跳閘，核對是否正確。若在測試中發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)查明原因加以解決，如適當(dāng)修改保護(hù)邏輯、調(diào)整定值等，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)測試直至符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而使保護(hù)裝置能夠?qū)收铣跗诙搪冯娏鬟M(jìn)行記憶并忽略以后的電流，為設(shè)備高效運(yùn)行提供良好的保障。

4 結(jié)語

總之，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的變化對會(huì)影響勵(lì)磁系統(tǒng)，而且影響不容小覷，因此，我們不僅要設(shè)置復(fù)合電壓過流保護(hù)，還要完善其電流記憶功能，唯有如此，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)才能更好的發(fā)揮作用，確保設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。