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????? 發(fā)電機勵磁機勵磁線圈鐵芯剩磁對發(fā)電機升壓的影響

????? 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，電壓響應速度快，滅磁效果好的特點而被廣泛應用。隨著電子技術的不斷發(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，美國、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，雖然國產大中型
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。

????? l 　　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)電機經封閉母線接到變壓器后直接接至高壓電
網，發(fā)電機出口三相短路的可能性很小，其產生的不利影響可按升壓變高壓側故
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)代電網大都配有快速動作的繼電
保護裝置及快速斷路器，能夠將短路迅速切除（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?？梢哉f采用現(xiàn)代技術的繼電
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

????? 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、接地刀閘等一次設備，增加了設備投資及設備維護量，
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。勵磁變就設計和結構來說，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
內干式變壓器制造工藝水平來說，已能生產容量達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Us：1.35 Us COS αmin = Kc Ufn + 3Kc Ifn Xk / π +∑△U 由于在初
設時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COS αmin ≈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
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
算出勵磁變容量：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速時，發(fā)電機轉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，此時對應的轉子電流為：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設計。

????? 轉子電阻：R ＝0.062 Ω20％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，起勵變的容量和調節(jié)器對同步電壓最低限值的要求有關，
隨著調節(jié)器集成化、微機化的應用，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，以便調節(jié)器在殘壓下也能可靠工作。

????? 在考慮采用殘壓起勵時，應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（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，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。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最大勵磁電流。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的勵磁電流；對于
發(fā)電機空載試驗，則有所區(qū)別，就國產機組而言，一般要求1.3 倍額定空載電壓
下對應的勵磁電流，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轉子電阻R15 ＝0.062 Ω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)電機特性試驗時的最大勵磁電流為Ifk ＝2850A.轉子電阻折算
至工作溫度時：R75 ＝R15 ×（235+75）／（235+15）＝0.077 Ω發(fā)電機特性試
驗時的最大勵磁電流所對應的勵磁電壓：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電壓U_＝1.35U~COS αmin ＝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
變高壓側電流：I 高＝√-3 U2 Ifk / （√-3U1） =√-3×177.3 ×2850/ （√
-3×6000）＝84A 選用6kVI段備用開關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，經過開機試驗這一辦法效果很好。