600MW机组自并励改造技术探讨

600MW发电机组自并励改造技术探讨

600MW发电机组自并励改造技术探讨

哈尔滨第三发电厂（哈尔滨市150024） 魏安平

摘 要 本文比较了交流励磁机三机励磁方式和自并励励磁方式的原理和优缺点，提

出了对600MW发电机组进行自并励改造的必要性和可行性；分析了发电机由三机励磁方式改造为微机自并励机端励磁方式的工作中，励磁系统相关的设备选型、一次接线方式、起励方式、短路试验电源及继电保护配置等相关技术问题，并提出了相应解决办法。

关键词 600MW发电机组，自并励励磁；灭磁方式；可控硅整流；继电保护

随着电网的不断扩大，机组单机容量的不断增加，600MW及以上容量机组越来越多，进一步增强、改善发电机的电气调节特性，提高电力系统稳定性的要求越来越高。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的性能直接影响发电机的运行特性。励磁系统性能的优劣，其各部件质量的好坏，是影响整个机组安全、经济、满发的重要因素之一。同时，励磁系统性能也对电力系统有相当的影响。

在发电机的各种励磁方式中，自并励励磁方式（又称机端励磁）以其系统简洁、可靠性高、电压响应速度快、灭磁效果好、发电机轴系短、经济性好的特点而被广泛应用。本文就哈尔滨第三发电公司600MW机组励磁系统自并励改造的必要性和可行性，改造工程中励磁系统相关的设备选型、一次接线方式、起励方式、短路试验电源及继电保护配置等相关技术问题做一个初步探讨。

1 哈尔滨第三发电公司3#、4#发电机参数

型号： QFSN.600.2YH 额定有功功率： 600MW 最大视在功率： 666.67MVA 额定定子电压： 20kV 额定定子电流： 19245A 额定功率因数： 0.9

额定转速： 3000rpm 额定频率： 50Hz 额定转子电压： 额定转子电流： 冷却方式：

空载：144.2 V / 额定：421.8V 空载：1480A / 额定：4128A 水、氢、氢

2 三机励磁方式与自并励比较

2.1 三机励磁系统

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哈尔滨第三发电公司3#、4#机目前采用三机无刷励磁系统。由带旋转整流器的交流励磁机、永磁副励磁机及自动电压调节器等几部分组成。国际上运行中的汽轮发电机主要采用无刷励磁的公司有：西屋、三菱、GEC－阿尔斯通、西门子等。国内上海电机厂、哈尔滨电机厂的600MW汽轮发电机励磁系统，均采用过西屋公司的高起始响应的无刷励磁系统，并具有一定的运行经验。其典型结构如图1所示。

图1三机交流励磁系统典型结构

交流励磁系统主要问题有：一是由于励磁机的惯性带来控制速度慢；二是轴系长容易引起轴系扭振(SSO)；三是旋转设备多，维护复杂。主要优点是工作可靠，励磁电源独立于系统。

三机无刷励磁系统经过长期运行后，机械连接可能出现较大隐患，故障几率高。同时，影响了强励倍数，国内运行机组出现过强励过程导致旋转整流器烧毁的事故，电厂要求降低电流强励倍数至1.6倍。

另外，三机无刷励磁系统中旋转整流器的监测是一个比较大的问题。目前，出了阿尔斯通公司励磁机采用外转子结构的无刷系统可以实现准确度较高的监测外，其他厂家还没有好的解决方案。

2.2自并励静止励磁系统

这种励磁系统的所有元件都是静止的。大功率可控静止的整流桥，直接通过滑环向主同步发电机的励磁线圈提供励磁电流。

在系统中，励磁电源通过变压器从发电机机端供电，由可控整流桥调节（见图2）。这种系统具有很小的固有时间常数。励磁系统输出的励磁电压的最大值由输入的交流电压和允许最小控制角决定。因此，当系统由于故障导致发电机机端电压下降时励磁机可能输出的最大励磁电压也将下降，考虑到此时刻励磁系统的快速反应和故障后的强励作用，这个缺陷在很大程度上被被抵消。

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图2 常用自并励系统接线图

2.2.1自并励可控硅励磁系统的主要优点是：

? 因为不需要同轴励磁机，可缩短主机长度或高度，这对基建投资和检修维护

主机都是有利的，而且可减轻厂房噪声。

? 由于直接用可控整流桥控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度，如

象阶跃函数那样。当然，凡是用可控整流桥直接控制转子电压的励磁方式，包括他励可控硅励磁方式，都具有这一优点。

? 自并励系统由机端获取励磁能量，机端电压与机组转速的一次方成正比，故

自并励系统输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例。而同轴励磁机系统输出的励磁电压则反应机组转速的平方。当机组甩负荷时，自并励系统比同轴励磁机系统，大型发电机组的过电压水平低些。这是一个重要的优点。 ? 自并励磁系统属于全静态励磁系统，效率高，维护费用省，需要的备件少。 ? 励磁系统无旋转部件，发电机需要滑环、炭刷和灭磁开关。由于旋转部件的

取消，大大减少了励磁事故隐患，可靠性明显优于交流及直流同轴励磁系统，而且机端励磁系统在设计中采用冗余配置，故障元件可在线更换，有效地减少了停机概率。该系统对运行、维护的要求也相对较低，易于现场管理。 ? 尽管发电机出口母线多采用封闭结构，出口三相短路几率极小，但机端励磁

系统设计计算中还是考虑了在发电机出口（机端电压系统）三相短路故障切除后，机端电压恢复过程中，保证机端励磁系统仍有较好的强励能力。因此，机端励磁系统不仅可保持发电机端电压恒定，提高系统静态稳定性，在系统故障时，因机端励磁系统强励倍数高，电压响应速度快，再加上先进的控制技术，能够有效地提高系统的暂态稳定水平。

2.2.2自并励系统的主要缺点是：

在发电机近端三相短路而切除故障时间又较长的情况下，不能及时提供足够的强励倍数，这时电力系统暂态稳定的影响不如采用其他半导体励磁方式有利。另外，接于装机容量小的地区电网的发电机，由于短路电流的衰减快，继电保护的配合较复杂，要采取一定的技术措施以保证其动作。

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2.3 600MW机组自并励改造可行性分析 2.3.1 对电力系统稳定的影响

华能河南沁北电厂600MW机组采用自并励励磁系统。中国电力科学研究院就《沁北电厂2×600MW发电机励磁装置采用自并励时对系统稳定的影响》做了详细的数学模型分析计算。结果表明，采用自并励励磁系统，可以保证沁北电厂2台600MW汽轮发电机电力的安全稳定外送。采用强励倍数2的自并励励磁系统，其暂态稳定水平优于常规励磁强励2倍时的效果。在系统故障切除后，采用自并励励磁系统，比采用常规励磁系统的电压恢复要快。 2.3.2 对继电保护的影响

自并励励磁方式对继电保护是有影响的，特别是对发电机的后备保护。但是实际上，对于600MW机组经封闭母线接到主变压器后直接接入电网的接线方式，虽然由于采用了自并励励磁方式在发电机机端多了一个故障元件(励磁变压器)，但由于发电机出口三相短路的几率很小，一般是不考虑真正的机端故障(若真是机端故障，那么差动保护会在几十毫秒切除发电机)，考虑到最严重的故障形式应是主变压器高压侧三相短路。对于这样的短路形式，也很少出现，而且一旦出现，机组的快速差动保护能正确动作，短路电流不会影响继电保护动作。对后备保护，当发电机外部发生对称或不对称短路时，机端电压下降，励磁电流也随之减小，发电机短路电流衰减很快，会对后备保护带来影响，但此问题可由发电机保护装置本身来解决，如过电流记忆的低电压保护、自保持的过电流保护、电压控制的过电流保护等，这些保护装置延时元件不再受电流值变化的影响，作为后备保护能可靠地动作并切除短路故障。 2.3.3 对发电机轴系安全的影响

随着汽轮发电机组单机容量增大和电网容量不断扩大，运行中不断出现新的问题，其中之一是机组轴系扭振问题。到目前为止已出现过好几起发电机轴系破坏事故，从已发生过的事例看，大轴损坏事故都发生在发电机与励磁机之间或励磁机与副励磁机之间。由于自并励励磁方式没有同轴旋转的励磁机和副励磁机，比无刷励磁方式缩短了发电机大轴，减少了轴系固有扭振模式，大大降低了轴系扭振损坏的可能性，提高了整个机组的安全稳定性。到目前为止，尚未发生过自并励励磁的汽轮发电机组轴系扭振破坏事故。 2.3.4 对电机运行维护的影响

无刷励磁系统取消了集电环和碳刷，彻底消灭了环火，并且根除了碳刷碳粉的污染，省掉了碳刷、集电环的磨损更换，降低了噪声，减少了维护工作量。所以特别适用于大容量(大励磁电流)的机组；全部励磁功率取自轴系，所以励磁电

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源独立，不受电力系统电压波动干扰，可靠性高；取消了灭磁开关，消灭了由灭磁装置引起的故障或事故，但是，由于无刷励磁系统只能在主励磁机磁场回路中设置灭磁装置，发电机只能靠自然衰减灭磁，因而发电机的灭磁时间较长。同时，由于旋转部件较多，主、副励磁机，整流装置均与大轴同时旋转，相对于静止的变压器，故障几率高，并且维护工作量较多；励磁系统故障时，停机时间长，因此要求励磁装置各部件必须十分可靠；轴系较多，机组容易发生振动；自并励励磁系统的静止可控硅整流通过碳刷和集电环供给发电机励磁电流，故碳刷和集电环的维护工作量相对较大。但是自并励励磁系统由于没有旋转整流器、主励磁机、副励磁机等旋转部件，因而接线简单，工作可靠；同时由于没有旋转整流器，以及励磁机和副励磁机，因而使发电机组的轴系缩短，减少了两个连接环节，因而减少了轴系固有扭振模式，大大降低了轴系扭振的振动幅值，提高了轴系稳定性。从1984～1988年大型汽轮发电机励磁系统事故统计资料上，我们可以知道，励磁装置旋转部分事故占国产励磁事故总数的28.2％，远大于功率整流器的事故率(7.6％)。因此，发电机采用自并励励磁系统可提高发电机运行的可靠性。 对无刷励磁系统，其整流器组件安装要求高，正常运行时维护工作量小，但故障检修工作量通常更多。

对自并励励磁系统，其安装较为简单，但维护工作量较大。必须经常性的对集电环－碳刷系统进行检查和精心维护，如维护不当会引起局部过热，产生火花和烧坏，碳粉清理当将降低励磁回路绝缘可靠性。

对无刷励磁系统，无法用常规方法测量转子电压和电流，监视发电机励磁回路的绝缘。但对自并励励磁系统，就不存在这一问题。

由于无刷励磁系统旋转整流元件需进口，价格昂贵；此外，由于自并励励磁系统无主、副励磁机及旋转整流装置在发电机的大轴上，从而缩短了发电机组的轴系，降低了发电机的造价；同时，缩短了汽轮发电机组基座长度也使投资减少。 总之，采用自并励励磁系统发电机组比采用无刷励磁系统发电机组造价低，性能价格比高。通过大机组并网运行的实践以及对大型汽轮发电机采用自并励励磁系统的可行性分析，大型汽轮发电机采用自并励励磁系统是可行的。

3 自并励改造主要设备选择

3.1 自并励系统组成

自并励励磁系统一般由励磁变压器、励磁调节器柜、进线柜、功率柜（4至5柜）（N-1或N-2原则）、灭磁过压保护柜（1至2柜）等构成；配置备用励磁的励磁系统同时配有切换操作柜。励磁调节器柜内安装的是励磁控制器，是励磁反馈控制的核心部分。功率柜内安装的是由大功率可控硅组成的三相全控整流

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