機端(靜態)勵磁方式在發電廠中應用

童建民，鄒昌泉，趙義恩

(上海艾能電力工程有限公司，上海 200023)

1 概述

交流同步發電機勵磁方式的發展過程一般先從同軸直流勵磁機(有主勵磁系統碳刷、以下簡稱有刷)開始，后由于大功率直流發電機制造較困難發展到同軸交流中頻(為提高勵磁反應速度一般選用100周)主勵磁機經靜止整流(有刷)勵磁；為進一步提高勵磁可靠性，美國西屋公司首先發明了將交流勵磁機的三相輸出由定子變成轉子，而其勵磁電源變成定子，同時將整流設備也裝在同軸轉子上，取消了主勵磁系統的碳刷，俗稱旋轉半導體、又稱無刷勵磁系統；上述無刷勵磁系統最大的優點為獨立型，不受任何電力系統故障的干擾。在中小型機組中也出現過主勵磁電源及信息取自發電機的PT和CT的復式勵磁，也基本屬獨立型勵磁系統，但目前制造廠一般也不再制造供貨；華東電力設計院曾經與有關制造廠合作研制過在發電機定子中附加勵磁線圈的“諧波勵磁”系統(基本屬獨立型)，由于種種原因也未得到推廣。

隨著大電流碳刷制造技術的不斷提高，由于制造較為簡單且能減少機組軸長，相對無刷勵磁系統可節約投資的機端(靜態)勵磁系統近年來又得到了較大的推廣，但該系統致命的缺點為易受各種形式的電力系統故障的干擾和破壞。例如發電機出口或發電機電壓饋線、發電機升壓變低壓繞組側三相金屬短路故障時勵磁輸出幾乎為“零”值，當升壓變高壓側線路故障時也會嚴重影響勵磁輸出，使發電機不能迅速強勵等，故稱之為非獨立型勵磁。

2 停電事故概述、原因分析及建議改進措施

2.1 事故概述

大連某2×15 MW選用機端(靜態)勵磁系統的自備熱電廠(以下簡稱該電廠)已商業運行多年，2009年6月28日發生全廠停電事故(以下簡稱6.28事故)的概述及原因分析。

圖1 本電站發、供、配電接線示意圖

2009年6月28日該電廠降壓變10 kVⅡ段某饋線發生不對稱非金屬性短路，根據故障錄波記錄，故障前PT二次相電壓57 V、故障瞬間為25 V(額定值的44%)、0.3秒饋線故障切除后電壓跌到13 V(額定值的22.5%)、0.7秒低電壓保護動作跳所有10 kV饋線，汽機甩負荷、保護動作關主汽門全廠停電。

由于該電廠選用了機端(靜態)勵磁方式，在發電機電壓饋線或母線故障即發電機出口故障時電壓瞬間跌至額定值的44%，而目前國內外制造廠設計勵磁變一次側電壓為額定值的80%時，才能保證強勵及其他正常勵磁特性。即在6.28事故時，機端(靜態)勵磁的固有特性根本無法滿足要求，從錄波圖看出即故障被切除后發電機電壓繼續下降到額定值的22.5%，低電壓保護動作跳所有10 kV饋線，造成事故進一步擴大進而全廠停電。

另從故障錄波圖中可見為二相短路，故上述0.3秒故障切除后的電壓為額定值為22.5%，但估算到如三相短路時電壓會小于22.5%，甚至可能會小于起勵為20%額定電壓的退出值，此時機端勵磁更加起不了任何作用了。

2.2 建議改進措施

該電廠2×15 MW發電機中性點采用消弧線圈接地方式，據運行數據分析接地電容電流達70～80 A，宜進一步實測確切的最大最小電容電流值，通過改變消弧線圈參數使之處于過補償狀態，對確保電廠安全運行有一定的作用；另假如能與消弧線圈并聯一個合適的高電阻則將更為安全；同時電廠低電壓保護整定時間過短，建議適當延長低電壓保護起動時間(經分析從0.7秒加大為2秒及以上是可行的)，最大可能延長保護動作時間，通過上述改善勵磁系統的性能的措施實施后，類似6.28故障發生時，當故障切除后勵磁仍有輸出、發電機電壓能有一定的上升，可使低電壓保護不再動作，從而使事故不再擴大，類似事故發生時可得到一定的改善不再擴大為全廠停電事故。

在出現類似6.28故障時如何提高本廠機端(靜態)勵磁變的一次電壓是關鍵，理論上故障時可將起勵裝置自動投入以增加勵磁輸出，可增加串接發電機CT信息調節勵磁電流輸出大小的環節(類似復式勵磁)來實現，但經與某發電機制造廠勵磁專業同志多次聯系后認為即使技術上可行，但實際商業制造上對整套勵磁系統包括其自動勵磁調節裝置為二臺小機組重新設計不現實、不可行。至此只能選用從現有勵磁系統基礎上考慮如何設法提高10 kV母線故障情況下勵磁變一次側電壓的技術措施，考慮如下三個加裝限流式電抗器的方案：

⑴ 所有(包括該電廠廠用電10 kV饋線)10 kV饋線裝設電抗器，總共約需20組左右。

選用滿足正常運行條件下的限流式電抗器參數經深入計算后，得出10 kV饋線最嚴重的三相金屬性短路情況下10 kV母線(即勵磁變一次側)電壓為額定值的62.7%，但隨著故障點的切除，62.7%的電壓會提供一定的勵磁電流而使發電機的勵磁系統自動調節使發電機電壓恢復到額定值；電廠的低電壓保護不再動作(整定值小于62.7%)、且整定時間適當延長，6.28事故時10 kV饋線為非三相金屬性短路，此時勵磁變一次側電壓會大于62.7%，采取本措施后6.28事故擴大為全廠停電的隱患基本可確保不再重現。

⑵ 發電機出口及該電廠10 kVⅠ、Ⅱ段母線間的分段斷路器串接電抗器，二臺勵磁變串接在發電機與電抗器之間，總共計三組電抗器；選用正常運行條件下使用的電抗器參數經深入計算后得出10 kV饋線最嚴重的三相金屬性短路時二臺發電機勵磁變的一次側電壓為額定值的30%及45.7%，制造廠起勵磁裝置的定值為小于20%額定值時即退出，此時勵磁變會自行使發電機電壓升至額定值。在10kV饋線發生非三相金屬性短路時其電壓將會大于30%及45.7%，定性分析肯定，在故障切除后勵磁輸出會增加從而使(適當延長低電壓整定時間)低電壓保護不動作，最終恢復正常運行，發電機將不會跳閘，但由于目前這一電磁暫態過程靜態無法計算，故無法定量得出勵磁電壓輸出值及勵磁電壓速度上升值，研究討論認為，應通過適當的模擬試驗來驗證。

⑶ 僅在發電機出口串接電抗器即總共二組，其技術特性基本如上述第⑵條三組電抗器相似，只是饋線出現三相金屬性短路時二臺勵磁變一次電壓都為30%。

上述第⑴方案技術和理論數據上均有把握，可基本確保類似6.28故障出現后不會出現全廠停電，發電機一般情況下會恢復正常運轉。同時應實施前面所述的建議延長低電壓保護整定時間及對發電機中性點消弧線圈過補償實測最大最小電容電流值，并與消弧線圈并聯一個適當參數的高電阻接地可有效降低發電機單相接地時的機端過電壓值；綜合實施上述幾個改進措施后，把握更大可確保6.28事故全廠停電的不再現。但由于10 kV饋線數量眾多，也即新增的電抗器數量太多投資相對較大，現場較難施工、操作困難。

第⑵和第⑶的改進方案由于故障切除后的暫態過程無法計算，只能定性分析得到故障切除后勵磁變一次電壓大與起勵裝置自動退出電壓(20%額定值)，因已大于起勵裝置退出電壓值，此時發電機將進入勵磁升壓的正常環節，因此加裝電抗器肯定有好處。但因暫態過程無法計算，故尚需適當的模擬試驗加以驗證。

限流電抗器早在50年代就普遍推廣使用作為一種成熟的限流技術，可使電器設備選擇輕型化。保證饋線故障時母線電壓大于60%的額定電壓以確保其他非故障線路用戶的安全運行，相關電力設計規范早已有較為明確的規定，同時也有成熟的設計運行經驗，其缺點主要是電抗器本身有少量有功損耗，但取其有改善故障情況下提高電廠運行安全性的好功能，增加的有功損耗付出是值得的。

第⑵和第⑶二個改進方案可操作，對避免6.28事故肯定有很大的益處，但電磁暫態過程無法計算，應通過適當模擬試驗來驗證，故電廠業主還在進一步研究中。

3 發電機機端(靜態)勵磁方式應用場合的探討

⑴ 從本文第二節所述可知。不論發電機容量的大小，即使300 MW級及以上機組，國內運行實踐也有此先例(國內某電廠的300 MW機組的離相封閉母線也出現過故障造成發電機出現短路的事故)。因此當發電機電壓回路出現短路故障且發電機又孤網運行時，機端勵磁是無法工作的。在此種情況下機端勵磁是不應該且應禁止選用的。

⑵ 大機組一般都經升壓系統(例如110、220、500 kV)與系統并網，大型企業如寶鋼3×350 MW機組并網，可作為事故及正常情況的補充、使電廠與電網互通有無；而個別有些大電站的大機組由于種種原因無法并入電網運行，此時應禁止使用機端(靜態)勵磁系統；經升壓站送電的自備電廠亦絕對禁止使用機端(靜態)勵磁系統；其原因為無法避免發電機回路故障及如前述第二節所述事故教訓。

⑶ 即使大機組經升壓站送電并網運行也應限制不推廣并控制其少量使用，以最大可能提高發電機組及電網運行的穩定性和可靠性，如本文第二節第三節第1條所述，即使是大型機組，但發電機電壓回路故障也難免且主變低壓側繞組故障的概率也是存在的，因此采用機端勵磁的大機組失穩的可能性較大。

升壓站高壓側送電線路三相金屬性故障時勵磁變的一次側電壓估算值見表1。

表1 故障時勵磁變的一次側電壓估算值

如表1所述當發電機經升壓變壓器送電時，考慮高壓輸電線路三相金屬性短路時125～600 MW機組勵磁變的一次電壓估算為40%～50%之間，當高壓輸電線路為單相或二相接地短路時勵磁變的一次電壓會更高，會大于40%～50%，該數值雖大與起勵值20%，但不可能達到≥80%額定值，因而無法達到強勵2倍快速反應的要求，對機組本體及電力系統的安全可靠性、穩定運行帶來較大的危害。其隱患始終存在。1979年全國首次招標引進寶鋼2×35 MW機組時，設計單位及業主一起堅決否定了當時日本三菱、東芝、日立三公司極力推薦的機端(靜態)勵磁。制造廠推薦靜態勵磁的介紹為：

① 無同軸交流主勵磁機，減少軸長度

② 與無刷勵磁比可適當降低造價

在1979年招標引進談判中設計單位與業主取得如下共識：

① 完全獨立不受電力系統故障干擾的無刷勵磁系統早已商業運行，與機端勵磁比又無大電流碳刷，安全可靠。

② 制造廠所述可適當降低工程造價，當時設計單位與業主認為無刷與機端勵磁差價很小，當時報價也很接近；雖然可減少軸長，但這點長度差還不可能會減少其機身跨度或(跨)數。為了確保電力系統的安全，堅決否定了機端勵磁方案。

但近年來發現國內大機組如600、1000 MW機組機端勵磁得到大量推廣使用，筆者認為：雖然隨著國家電網結構的進一步改善，系統聯系更緊密，但確實很多電力公司和電網公司對機端勵磁的“不獨立性”的致命缺點對電力系統安全威脅的隱患認識不足，片面追求投資少一點是一點。僅節約相對很少的投資，而卻忽視了在提高安全可靠性上，機端勵磁存在嚴重不足的致命缺點，因此建議在某些電網規模較小的系統中應禁止機端勵磁的選用；在一般較大電力系統宜規定電網中同容量機組機端勵磁(即非獨立型)不應超過無刷(即獨立性)機組的例如為五分之一到四分之一，且應按電氣距離平均分布，以確保安全穩定。

[1]DL 5000-2000，火力發電廠設計技術規程[S].

[2]DL/T 5153-2002，火力發電廠廠用電設計技術規定[S].