大型汽輪發(fā)電機制造中的勵磁方式選型

馮旭

摘要：勵磁系統(tǒng)是近年來應(yīng)用于大型發(fā)電機組的新型技術(shù)，并且勵磁技術(shù)在方式上存在很多種類，其種類不同對于電力系統(tǒng)整個運行的穩(wěn)定狀況以及繼電保護和發(fā)電機的軸系安全的影響也就不同，從而在經(jīng)濟上也會產(chǎn)生差別。文章通過對不同的勵磁系統(tǒng)進行比較，提出自并勵式的勵磁系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機；勵磁系統(tǒng)；制造；選型

同步發(fā)電機中的核心部位便是勵磁系統(tǒng)，其性能對于發(fā)電機整體的運行特性會產(chǎn)生直接性的影響。機械最重要的就是質(zhì)量，尤其是大型機械，而機械整體質(zhì)量的好壞就取決于各個零部件的質(zhì)量好壞，其影響的是整個機組的經(jīng)濟性。并且勵磁系統(tǒng)通過對于發(fā)電機的影響從而影響整個電力系統(tǒng)。

自并勵式的勵磁系統(tǒng)在國外已經(jīng)早在上世紀(jì)就開始普遍的被應(yīng)用于大型的發(fā)電機組，其自身所具有的高速的影響速度以及較短的發(fā)電機軸和較為經(jīng)濟適用的特點，是成為其被廣泛推廣的重要原因。但是我國由于整個電網(wǎng)的建設(shè)都相對落后，因此使用自并勵式的勵磁系統(tǒng)容易造成設(shè)備故障，比如有可能引發(fā)發(fā)電機的出口處的三相短路等，從而威脅系統(tǒng)，故而很少對其進行應(yīng)用。隨著我國在電力方面的投入加大，城鄉(xiāng)建設(shè)進程不斷的推進。電網(wǎng)在容量上也隨之不斷的發(fā)展擴大，勵磁系統(tǒng)開始廣泛的在國內(nèi)的一些大型的發(fā)電機設(shè)備中采用，并展現(xiàn)出應(yīng)有的優(yōu)越性。本文就是通過對多種歷次方式進行相互的比較以及分析，希望可以通過比較對自并勵式的勵磁系統(tǒng)進行推廣。

1 勵磁系統(tǒng)種類

以下就目前所使用的600MW以及600MW以上的大型機組中所使用到的勵磁系統(tǒng)做出簡要的分析。目前應(yīng)用比較多的幾種有：無刷式的勵磁系統(tǒng)、自并勵式的勵磁系統(tǒng)以及P棒式的勵磁系統(tǒng)。

1.1 無刷式的勵磁系統(tǒng)。無刷式的勵磁系統(tǒng)主要的組成部件包括了交流勵磁機，并且?guī)в行D(zhuǎn)整流，包括了用磁副勵磁機還有自動的電壓調(diào)節(jié)裝置等。國際上很多大型的品牌汽輪發(fā)電機都采用了這種無刷式的勵磁系統(tǒng)。諸如：西門子、三菱、阿爾斯通和西屋等知名品牌，并且這些公司往往不是只是用一種勵磁方式而是多種同時采用。另外在國內(nèi)阿爾濱的電機廠以及上海的電機廠在600MW的汽輪發(fā)電機中均都使用了西屋公司提供的起始響應(yīng)高的這種勵磁系統(tǒng)，并取得了一定的經(jīng)驗。

1.2 自并勵式的勵磁系統(tǒng)。這種勵磁系統(tǒng)是利用發(fā)電機的端電壓作用于勵磁變壓器，通過可控硅對發(fā)電機進行勵磁電源的提供，需要注意的是對于可控硅應(yīng)當(dāng)采用靜態(tài)的。國際上采用了這種自并勵式的勵磁系統(tǒng)的主要包括：ABB公司、羅羅公司、美國的GE公司還有日立和東芝公司。而國內(nèi)采用此種勵磁方式的機電廠是東方機電廠，其引進了日立的技術(shù)。東方機電廠設(shè)計的第一臺600MW的汽輪式發(fā)電機是同日立公司合作并以日立作為主導(dǎo)產(chǎn)生的，供給給了鄒縣電廠的五號機，第二臺則是東方機電廠為主導(dǎo)生產(chǎn)的，供給給了鄒縣電廠的六號機。這兩臺均是采用了自并勵式的勵磁系統(tǒng)。此外，哈爾濱以及上海的電機廠也計劃開始使用這種勵磁方式進行600MW的發(fā)電機組生產(chǎn)。

1.3 P棒式的勵磁系統(tǒng)。美國的GE公司在發(fā)電機的定子槽中專門埋設(shè)了線棒以供勵磁電源使用。這種方式便是P棒式的勵磁系統(tǒng)。

2 可行性分析

從國內(nèi)到國外，自并勵式的勵磁系統(tǒng)在大型的發(fā)電機組中的應(yīng)用狀況可以看出，很多國家在對于機械的制造中，開始優(yōu)先對自并勵的勵磁方式進行選擇。在日本，自并勵的勵磁方式已經(jīng)成為了公認(rèn)的可以提高整個電力系統(tǒng)在運行上的穩(wěn)定性基本方式。并且在英國，近些年的機組都是安裝的自并勵式的發(fā)電機組。而對于早期使用的交流勵磁機也逐步的搞成了自并勵式的勵磁機，這也是由于此種勵磁方式對于系統(tǒng)穩(wěn)定性具有的提高作用。

從國內(nèi)的情況來看，主要進口大機組多采用自并勵勵磁方式，如石洞口2×600MW機組，鄒縣電廠三期2×600MW機組等，所有機組并網(wǎng)運行后其自并勵勵磁系統(tǒng)的優(yōu)越性受到用戶的好評。

通過大機組并網(wǎng)運行的實踐以及對大型汽輪發(fā)電機采用自并勵勵磁系統(tǒng)的可行性分析，目前已普遍得出一個共性的結(jié)論，即隨著電力網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，大型汽輪發(fā)電機采用自并勵勵磁系統(tǒng)是可行的。

2.1 對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響

從暫態(tài)功角穩(wěn)定要求考慮，大型汽輪發(fā)電機推廣采用自并勵勵磁系統(tǒng)是可行的。在電網(wǎng)中，個別發(fā)電機采用自并勵勵磁系統(tǒng)時，當(dāng)高壓出口三相短路，在較低強勵倍數(shù)下（在80%額定機端電壓時，強勵倍數(shù)為1.6倍），暫態(tài)功角穩(wěn)定水平與常規(guī)勵磁系統(tǒng)相比，基本相同，而全網(wǎng)均采用自并勵勵磁系統(tǒng)時，在低強勵倍數(shù)下，暫態(tài)功角穩(wěn)定水平優(yōu)于全網(wǎng)機組均采用常規(guī)勵磁系統(tǒng)。強勵倍數(shù)提高后，自并勵系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯。

2.2 對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的影響從暫態(tài)電壓穩(wěn)定要求出發(fā)，大型汽輪發(fā)電機推廣采用自并勵勵磁系統(tǒng)也是可行的，它不會降低系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平，而且可以提高系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平，甚至可以使某些條件下暫態(tài)電壓不穩(wěn)定的系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定。

2.3 對繼電保護的影響

自并勵勵磁方式對繼電保護是有影響的，特別是對發(fā)電機的后備保護，但是實際上，對于600MW機組經(jīng)封閉母線接到主變壓器后直接接入電網(wǎng)的接線方式，雖然由于采用了自并勵勵磁方式在發(fā)電機機端多了一個故障元件（勵磁變壓器），但由于發(fā)電機出口三相短路的幾率很小，一般是不考慮真正的機端故障（若真是機端故障，那么差動保護會在幾十毫秒切除發(fā)電機），考慮到最嚴(yán)重的故障形式應(yīng)是主變壓器高壓側(cè)三相短路.對于這樣的短路形式，也很少出現(xiàn)，而且一旦出現(xiàn)，機組的快速差動保護能正確動作，短路電流不會影響繼電保護動作。

2.4 對發(fā)電機軸系安全的影響

隨著汽輪發(fā)電機組單機容量增大和電網(wǎng)容量不斷擴大，運行中不斷出現(xiàn)新的問題，其中之一是機組軸系扭振問題，到目前為止已出現(xiàn)過好幾起發(fā)電機軸系破壞事故，從已發(fā)生過的事例看，大軸損壞事故都發(fā)生在發(fā)電機與勵磁機之間或勵磁機與副勵磁機之間，由于自并勵勵磁方式?jīng)]有同軸旋轉(zhuǎn)的勵磁機和副勵磁機，比無刷勵磁方式縮短了發(fā)電機大軸，減少了軸系固有扭振模式，大大降低了軸系扭振損壞的可能性，提高了整個機組的安全穩(wěn)定性，到目前為止，除了在電氣性能上滿足電力系統(tǒng)運行要求外，在結(jié)構(gòu)上也應(yīng)有利于發(fā)電機組本身的安全運行，對勵磁系統(tǒng)性能進行分析比較時，勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機軸系安全的影響應(yīng)當(dāng)是選擇勵磁方式時一個不可忽視的因素.故發(fā)電機選用自并勵勵磁系統(tǒng)對改善發(fā)電機軸系的安全運行是十分有利的。