在
發(fā)電機的各種勵磁方式中，自并勵方式以其接線(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高，造價(jià)低，電壓響應速度快，滅磁效果好的特點(diǎn)而被廣泛應用。隨著(zhù)電子技術(shù)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(lái)，USA、加拿大對新建電站幾乎一律采用自并勵勵磁系統，加拿大還擬將火電廠(chǎng)原交流勵磁機勵磁系統改為自并勵勵磁系統。在國內，雖然國產(chǎn)大中型機組大都采用三機勵磁方式，但近年來(lái)進(jìn)口的大中型機組大都裝備的是自并勵勵磁系統，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(zhù)電網(wǎng)的不斷擴大，對于大型機組業(yè)界人士也越來(lái)越傾向于采用自并勵方式。因為從國內外運行情況來(lái)看，采用自并勵勵磁和附加勵磁控制，已成為改善電力系統穩定性的有效措施。本文就自并勵汽輪發(fā)電機勵磁電源的幾個(gè)問(wèn)題：自并勵接線(xiàn)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(wèn)題，結合鴨河口電廠(chǎng)350MW自并勵汽輪發(fā)電機組(ABB機組)的定量分析進(jìn)行探討。
自并勵接線(xiàn)方式
1.1 接于發(fā)電機出口母線(xiàn)
這是自并勵的典型接線(xiàn)方式，勵磁電源取自發(fā)電機機端并聯(lián)變壓器。接線(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單，只要發(fā)電機在運行，就有勵磁電源。該接線(xiàn)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(lái)。缺點(diǎn)是勵磁電源受機端電壓影響，當線(xiàn)路首端發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于機端電壓下降，會(huì )使強勵作用有所減弱，對暫態(tài)穩定不利，在負荷中心的發(fā)電機則可能對系統的電壓穩定產(chǎn)生影響，如果較長(cháng)時(shí)間短路未被切除，則不能保證勵磁。目前現代大型機組大都采用單元接線(xiàn)方式，發(fā)電機經(jīng)封閉母線(xiàn)接到變壓器后直接接至高壓電網(wǎng)，發(fā)電機出口三相短路的可能性很小，其產(chǎn)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(占短路故障總數的80％左右)，機端電壓可達0.7P.U以上，仍可有效進(jìn)行強勵。而且對于這種接線(xiàn)方式，機端故障后應切除發(fā)電機，自并勵的缺點(diǎn)并不影響發(fā)電機。對于發(fā)電廠(chǎng)高壓母線(xiàn)出口近端三相短路，雖然母線(xiàn)電壓大幅度下降會(huì )影響強勵倍數，但現代電網(wǎng)大都配有快速動(dòng)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(zhù)恢復?？梢哉f(shuō)采用現代技術(shù)的繼電保護及快速斷路器，不但彌補了自并勵勵磁系統在這方面的缺點(diǎn)，而且對保持暫態(tài)穩定來(lái)說(shuō)，快速切除故障比提高勵磁系統性能更為重要。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)穩定。
由于采用機端勵磁電源，靠發(fā)電機剩磁無(wú)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(jìn)行發(fā)電機特性試驗時(shí)，還需要一大容量的試驗電源。
1.2 接于廠(chǎng)用母線(xiàn)
這種接線(xiàn)方式不需要起勵及試驗電源裝置。但當外部短路切除后，廠(chǎng)用電動(dòng)機在轉速恢復過(guò)程中吸收大量無(wú)功電流，在廠(chǎng)用變壓器上造成較大的電壓降落，影響廠(chǎng)用母線(xiàn)電壓及時(shí)恢復正常，從而影響勵磁裝置的強勵能力。另外，勵磁變通過(guò)廠(chǎng)用變這個(gè)中間環(huán)節供電，不但增加了廠(chǎng)用變壓器的容量，而且受廠(chǎng)用電運行情況的影響，供電可靠性差。因此，這種接線(xiàn)方式要求所在廠(chǎng)用母線(xiàn)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(xiàn)電壓能保證額定值的85％以上。
1.3 接于系統側
勵磁電源直接取自發(fā)電廠(chǎng)升壓站高壓母線(xiàn)，可以解決起勵電源及試驗電源問(wèn)題。但是對于這種接線(xiàn)方式，當系統發(fā)生事故發(fā)電機跳閘后，由于系統電壓低，勵磁裝置不能主動(dòng)地恢復正常；在系統電壓極低的情況下，往往可能失去勵磁。另外從投資經(jīng)濟角度上來(lái)說(shuō)，勵磁變接于升壓站母線(xiàn)，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(xiàn)方式受運行方式影響較大，可靠性不是很好。
比較三種接線(xiàn)方式，接于機端發(fā)電機出口母線(xiàn)是一種簡(jiǎn)單、優(yōu)先的方案．河南新近投產(chǎn)的鴨河口電廠(chǎng)2×350MW機組(ABB機組)和洛陽(yáng)熱電廠(chǎng)擴建工程2×160MW機組(俄羅斯機組)以及正在籌建的禹州電廠(chǎng)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(xiàn)，機端勵磁方式。下面問(wèn)題的討論僅限于第一種接線(xiàn)方式，即勵磁交接于發(fā)電機出口母線(xiàn)。
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(lái)說(shuō)，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(shí)要有一定的過(guò)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(jiǎn)單、過(guò)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(lái)說(shuō)，已能生產(chǎn)容量達16000kVA、電壓等級35KV的干式變壓器，以滿(mǎn)足大型機組的需要。若從降低勵磁系統造價(jià)來(lái)說(shuō)，采用油浸變壓器也是可行的。當勵磁變壓器安裝在戶(hù)外時(shí)，由變壓器副方到整流橋之間的饋線(xiàn)，由于有電抗壓降，不宜太長(cháng)，特別是在勵磁電流很大的情況下，這一點(diǎn)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(shí)，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：(鴨河口電廠(chǎng)實(shí)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 COSαmin = Kc Ufn + 3Kc Ifn Xk /π + ∑△U
由于在初設時(shí)Xk無(wú)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COSαmin≈COS0。=1
則：上式可變?yōu)閁s ＝ Kc Ufn ／(85％×1.35)＝2×364／(85％×1.35)＝634．4V
實(shí)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，取裕度系數為1.15，則副邊電流為：
Is＝1.15×0.816×Ifn＝1.15×0.816×4469＝4193.7A
實(shí)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(shí)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(dòng)至額定轉速時(shí)，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，勵磁調節器由于同步電壓太低，無(wú)法形成觸發(fā)脈沖，勵磁回路無(wú)法導通，這就需要采取措施，其中最常見(jiàn)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(shí)自動(dòng)退出，由調節器自動(dòng)升壓到額定值。
鴨河口電廠(chǎng)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(chǎng)試驗特性曲線(xiàn)可知，發(fā)電機空載額定電壓時(shí)勵磁電壓為Uf0＝90V，勵磁電流為If0＝148lA
調節器要求在同步電壓必須大于20％額定電壓時(shí)才能自動(dòng)投入，此時(shí)對應的轉子電流為：1481×20％＝296A
實(shí)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(jīng)全波整流，直流電流為：281×1.225＝334A>296A
為滿(mǎn)足起勵要求，留有一定余量。
起勵變副邊電壓按能滿(mǎn)足起勵發(fā)電機電壓達30％Ug設計。
轉子電阻：R＝0.062Ω
20％Ug時(shí)起勵變副邊電壓U1＝296×0.062／1.36＝13.6V
則30％Ug時(shí)起勵變副邊電壓U2＝148l×30％×0.062／1.35＝20.4V＜21.5V，滿(mǎn)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(xiàn)線(xiàn)形化就會(huì )產(chǎn)生20％Ug、30％Ug時(shí)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器對同步電壓最低限值的要求有關(guān)，隨著(zhù)調節器集成化、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(gè)方面著(zhù)手：一是對殘壓進(jìn)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(shí)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(shí)投入，發(fā)電機電壓上升到一定值時(shí)退出。二是對調節器的同步電壓信號進(jìn)行改造，使發(fā)電機電壓在小于1％Ug時(shí)，也能提供有效的同步電壓信號，以便調節器在殘壓下也能可靠工作。
在考慮采用殘壓起勵時(shí)，應該注意到殘壓每一次開(kāi)機后不一定一樣，要實(shí)現自動(dòng)建壓，必須滿(mǎn)足一定條件：即發(fā)電機特性曲線(xiàn)應在整流特性曲線(xiàn)之上，而且二者差值越大，自動(dòng)建壓越快。因此在選擇起勵方式時(shí)，可以把它勵方式和殘壓起勵方式結合起來(lái)，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(wèn)題
在機組調試階段及機組大修后進(jìn)行發(fā)電機特性試驗時(shí)，自并勵發(fā)電機需要一大容量的試驗電源來(lái)滿(mǎn)足其空載、短路試驗時(shí)對動(dòng)力的要求，一般可考慮取自廠(chǎng)用高壓母線(xiàn)或者通過(guò)主變從系統倒送過(guò)來(lái)。
4.1 取自主變低壓側(通過(guò)主變從系統倒送電)
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，從系統倒送過(guò)來(lái)。當出現發(fā)電機與主變之間有斷開(kāi)點(diǎn)，勵磁變接于斷開(kāi)點(diǎn)主變側的情況時(shí)，勵磁電源可從系統直接倒送過(guò)來(lái)。當出現發(fā)電機與主變之間無(wú)斷開(kāi)點(diǎn)或者勵磁變接于斷開(kāi)點(diǎn)發(fā)電機側的情況時(shí)，需要斷開(kāi)勵磁變與發(fā)電機出口母線(xiàn)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(xiàn)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(guò)這項工作將占用開(kāi)機后的不少時(shí)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(kāi)發(fā)電機母線(xiàn)與主變的連接，不但浪費工時(shí)，還增加了不安全因素。
4.2 取自廠(chǎng)用高壓母線(xiàn)
發(fā)電機勵磁試驗電源取自廠(chǎng)用高壓母線(xiàn)，對于這種情況，首先要考慮勵磁變能否滿(mǎn)足發(fā)電機空載、短路試驗時(shí)對動(dòng)力的要求。要依據發(fā)電機廠(chǎng)家提供的發(fā)電機空載、短路試驗的特性曲線(xiàn)，比較這兩種特性試驗所需的額定勵磁電流。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(shí)對應的勵磁電流；對于發(fā)電機空載試驗，則有所區別，就國產(chǎn)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(xiàn)，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(shí)變壓器勵磁電流的影響，還需考慮一定的裕度系數。另外要考慮臨時(shí)電源的接線(xiàn)問(wèn)題，一般可從高壓廠(chǎng)用段備用柜接線(xiàn)，如果容量不夠，可考慮從啟備變低壓側連接，不過(guò)這在恢復系統時(shí)，要花費不少工時(shí)。
鴨河口電廠(chǎng)勵磁試驗電源計算：(勵磁試驗電源取自廠(chǎng)用6kV段)
勵磁變變比K＝22000V／650V
轉子電阻R15＝0.062Ω
可控硅最小控制角αmin＝10。
由發(fā)電機出廠(chǎng)空載試驗特性曲線(xiàn)可知，發(fā)電機在1.1倍空載額定電壓時(shí)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(chǎng)短路試驗特性曲線(xiàn)可知，發(fā)電機在額定短路電流時(shí)勵磁電流為Ifk＝2850A。
發(fā)電機特性試驗時(shí)的額定勵磁電流為Ifk＝2850A。
轉子電阻折算至工作溫度時(shí)：R75＝R15×(235+75)／(235+15)＝0.077Ω
發(fā)電機特性試驗時(shí)的額定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(chǎng)用6kV段時(shí)，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~COSαmin＝1.35×177.3×0.985＝235.8V＞219.5V。滿(mǎn)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4％，則U,f＝1.04×219.5＝228.3V。滿(mǎn)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(shí)，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(kāi)關(guān)柜即可滿(mǎn)足勵磁試驗電源要求。
另外有一點(diǎn)值得注意，勵磁試驗電源取自廠(chǎng)用高壓母線(xiàn)，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(yáng)熱電廠(chǎng)調試中遇到過(guò)這祥的情況，勵磁試驗電源取自廠(chǎng)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(shí)，控制電壓與可控硅移相角α的變化無(wú)法控制。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們在同步回路臨時(shí)加一個(gè)升壓變壓器，將同步電壓升高后再送到同步單元，經(jīng)過(guò)開(kāi)機試驗這一辦法效果很好。
