发电机组自并励系统选型技术探讨

大中型发电机组自并励系统选型质量管理与技术探讨

天富热电（石河子市830000） 王志超

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

出了对大中型发电机组进行自并励基建励磁系统质量管理的必要性和关键控制点；分析了微机自并励机端励磁方式设备选型等相关技术问题。

关键词 自并励励磁；质量管理；可控硅整流桥；继电保护

Keywords: Static Excitation Systems;Quality Managements;Thyristor Rectifier;Relay Protection.

随着国民经济的快速发展，电力工业也获得巨大的发展机会，发电机组装机容量逐年有了很大的提高。其中以单机容量为300MW/600MW等大中型机组为主，励磁系统作为在线连续运行设备，其可靠性和性能指标对于发电机组和电网都是非常关键的。

南热电机组容量为2×125MW，

1 应优先采用自并励励磁系统

国内大中型机组广泛采用的励磁方式有三机交流励磁机励磁方式和自并励励磁方式。 三机无刷励磁系统：由交流励磁机、永磁副励磁机、整流器及自动电压调节器等几部分组成。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。

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。大功率可控硅静止整流桥，直接通过滑环向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。

图2自并励系统接线图

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。 ?

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。 ?

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。 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。

自并励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。

自并励对继电保护的影响：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。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)，但由于采用封闭母线，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、 自并励励磁系统合同质量管理

对于发电机励磁系统，从设备招标到投产后能否安全稳定地运行是一个系统管理工程。因为它涉及到合同谈判、执行标准，设计审核，设备安装调试、电网稳定性计箕、安全可靠性管理等各个方面，其中任一环节出现问题都可能造成严重后果。各电力公司和发电厂也应设专人负责励磁系统的管理，并经常保持和设计生产、安装、调试等部门的联系，希望励磁系统的管理也能象保护装置一样取得\四统一\效果。 2.1 合同评审阶段

严把合同谈判和设计审核关，许多机组的设备技术谈判却由主管发电机本体的人员主谈，当谈判进行不下去时，才改由懂得励磁专业的人去补漏，这样做不易取得满意的结果。许多设备投产后的运行情况表明，凡是技术合同谈判严格执行部颁标准的，设备运行后出故障的概率就低，合同条款规定的越细致周到，未来操作时就越方便，在合同谈判中应特别注

意以下几个方面：

(1)设备的可靠性指标应满足国标并有成熟运行经验。 (2)关注设备的使用环境

我国大部分地区气候环境恶劣，励磁盘的安装地点一般在发电机小间，振动、灰尘很大，对励磁设备运行产生较大影响。 (3)注意技术的引进

在合同谈判中必须写明:\由制造厂提供发电机励磁系统的传递函数图\，并标出可修改的参数的具体应用数据。一方面这些参数是稳定计算所必须的，另一方面他们可作为调度管理部门宏观调控电网的技术手段。 (4)不要轻易改变一次系统的结构

可控硅整流柜中一次侧交、直流母线结构设计问题看似简单，实际上包含了许多技术细节。它涉及到母线间的距离，母线对支撑物的绝缘，通风散热气体旋转方向、流量，甚至母线的形状、弯曲半径等因素。不应轻易改变厂家原设计，如确实因现场某些匹配问题而必须更改时，也应在更改后重新进行出厂检验。

(5)AVR必须采用双套互为热备用，或主、从热备用，保证双套自动AVR和手动FCR之间的切换正常，在问题无扰动切换，在事故状态能成果切换并维持稳定运行，两套CPU完全独立，任何一个器件跟踪可以维持励磁系统和机组稳定运行。 2.2 出厂试验考核内容

按国家和行业标准参加出厂试验： (1)向制造厂索要详细的出厂实验大纲

(2)检查盘内的结构，特别应注意可控硅整流柜交、直流母线的布局和工艺。 (3)静态实验。

(4)要求厂方进行AVR仿真实验检查。仿真实验主要检查AVR的动态性能，一般而言应重点进行阶跃实验及PSS实验。

(5)检查冷却系统是否完善，可控硅整流器有无出厂实验报告等。 (6)检查及记录出厂铭牌。 2.3安装调试注意的问题

(1)励磁系统一次侧设备的安装，应注意的交、直流铜排母线连接的紧固性，冷却风机的牢固性，灭磁开关连接电缆的走向，盘顶密封的完好性且安装完毕后一定要检查有无工具、异物等遗留在这些设备的附近以免造成后患。

(2)励磁变压器，静止励磁系统使用的励磁变压器多为干式变压器，对于前者应特别小心的是其一次引线的连接。安装人员应绝对避免利用其引出线做为支撑架，站在上面进行cT安装等其它工作。因为励磁变压器和发电机的封闭电线之间最搏弱的环节，就是励磁变压器一次侧引线。其绝缘及牢固水平直接危及到发电机，这里若发生绝缘击穿，相当于发电

机的出口短路，会造成严重的后果。

(3)脉冲电缆的连接，AVR盘与可控硅整流柜之间不论距离的远近，其脉冲电缆必须采用双屏蔽电缆，而且各通道使用的双绞线一定要绞接直到端子排，否则不论盘柜的密封、防磁效果多么好，都会造成脉冲信号的干扰，影响发电机的稳定运行。 (4)安全接地线一定妥确保连接完好，尽最大可能减少接地电阻。 (5)进行整流柜通流检查

(6)要重点考核励磁系统动态品质，如阶跃试验、过励、低励限制等均应进行闭环检查， AVR低励限制特性必须与发电机失磁保护相配合，且在保护装置启动前发生作用。 :发电机励磁系统特别是引进设备的质量管理是一个系统工程，它能否安全可靠地运行直接影响发电机乃至电网的稳定性，应引起重视。

3、自并励励磁系统关键技术点

3.1 大功率可控硅整流装置

功率整流装置是励磁系统的重要组成部分，功率整流装置应满足发电机各种工况下（包括强励）对励磁系统运行的要求。近年来其功率单元冷却方式有了很大的发展，使整流装置的可靠性有了显著的提高，并且简化了运行维护工作。但是由于制造质量及管理维护上的原因，运行中的整流装置仍发生了一些问题。例如：有的整流装置因内部积灰造成元件之间或元件对地闪络，使整流元件损坏，甚至烧坏了整流柜;有的因为通风系统故障而造成整流元件过热损坏;有的设计备用容量不足，一个整流柜退出运行时，需要限制强励等等。因此需对整流装置进行改进，以提高其可靠性。在大功率的可控或不可控整流柜中，元件不采用串联或并联，也就没有均压和均流的要求，可大大简化柜内结构。为了确保发电机强行励磁，宜采用n+l的备用原则，不论几个柜并联，一柜退出也应保证发电机强励能力。

功率整流桥应采用可控硅三相全控整流桥，满足功率整流装置（N＋1）配置原则，当一桥故障时，其余桥可满足所有运行工况运行的要求。整流装置不必强调在线检修，由于整流元件的故障率很低，又有充足的裕度，偶尔发生1个元件损坏，并不影响发电机所有的运行方式，因此损坏的元件可在发电机小修时更换，不必带电立时修复。

每个整流桥由6个可控硅与散热器组成模件，安装于柜内，便于维护、检修和更换。在每个可控硅回路中串联1个快速熔断器，由一对常开和一对常闭接点引出，外接显示器，熔断后立即报警。 整流装置的冷却方式： （1）水冷

由于水冷却器直接与带电部分接触，需采用处理后的纯净水，一般只适用于水内冷发电机。有的水冷装置的冷却水直接使用工业水，不但不安全，而且容易腐蚀及结垢，造成故障。 （2）开启式强制风冷

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