自并勵靜止勵磁系統在發電廠勵磁系統改造中的應用

李漢儒，李寶山，趙冬云

（1.鞍山鋼鐵集團公司第二發電廠，遼寧鞍山114012；2.鞍山鋼鐵集團鞍鋼工程技術有限公司，遼寧鞍山114021）

自并勵靜止勵磁系統在發電廠勵磁系統改造中的應用

李漢儒1，李寶山1，趙冬云2

（1.鞍山鋼鐵集團公司第二發電廠，遼寧鞍山114012；2.鞍山鋼鐵集團鞍鋼工程技術有限公司，遼寧鞍山114021）

結合鞍鋼第二發電廠機組勵磁系統的改造，采用自并勵磁方式，用靜止勵磁變壓器替代旋轉勵磁發電機，通過介紹發電機自并勵靜止勵磁系統及其特點，說明該勵磁方式與過去的勵磁方式相比有較大的優越性。

自并勵靜止勵磁系統；勵磁調節器

1 引言

勵磁系統是發電機組重要設備，主要作用是調節勵磁，以維持定子電壓穩定；合理分配各臺機組間無功功率；在發生短路時，強行勵磁以提高系統動態穩定能力、提高輸送功率極限、擴大靜態穩定運行的范圍。勵磁系統對提高發電廠的自動化水平、發電機組運行的可靠性、電力系統的穩定性有著重要的作用。

隨著現代科學技術的發展，勵磁方式已從直流電機勵磁發展到可控硅勵磁，在微機自并勵靜止可控硅整流勵磁系統中，發電機的勵磁電流是由機端的勵磁變壓器經過可控硅整流裝置整流后供給，自動勵磁調節器直接調節發電機的勵磁電流以實現自動調整發電機機端電壓或無功功率，這種勵磁系統具有調節速度快、調節精度高的特點，已成為勵磁系統發展的主流。

2 概述

鞍鋼第二發電廠1.2#機組是1974年捷克進口機組，其勵磁系統采用同軸直流勵磁機勵磁方式（原理如圖1所示）。

采用直流勵磁機供電的勵磁系統，在過去的十幾年間，是同步發電機的主要勵磁系統。長期的運行經驗證明，這種勵磁系統的優點是：具有獨立的不受外系統干擾的勵磁電源，調節方便。

近年來，鞍鋼第二發電廠1.2#機組勵磁系統故障時有發生，主要存在如下問題：

（1）由于原勵磁裝置運行時間久、機件老化、缺陷漸多，嚴重影響機組的安全運行。

（2）調節器元器件老化、板件損壞時有發生，備品供應困難。

（3）改變工況運行時的調節性能差，特別是在系統發生故障時，強勵經常不能滿足電網電壓和系統運行的要求。

（4）換向器和電刷的維護工作量大，運行中更換碳刷時需要帶電作業，且檢修勵磁機時必須停主機，很不方便；另外粉塵、噪音等對作業人員有一定的危害。

（5）運行時整流子與電刷之間火花嚴重并伴有跳動，整流子換相工況惡化，曾經出現過環火，使機組被迫停機。整流子發生換相故障時又會對整流子表面產生灼傷和損壞，絕緣性能下降。

（6）勵磁繞組出現絕緣老化現象，電氣性能下降，引起勵磁接地等故障，直接影響機組的正常運行。2#發電機改造前，勵磁回路絕緣下降，出現接地故障無法消除被迫停機，切換到備用勵磁機運行。

總之，這種同軸直流勵磁機勵磁方式，由于直流勵磁機碳刷的使用，導致運行維護量增大，相復勵勵磁調節器由于制造工藝及其技術原因，在進行發電機勵磁電流調節的時候，存在調節速度慢、不夠穩定及調節精度低等缺點。

圖1 直流勵磁機方式勵磁系統

3 發電機自并勵靜止勵磁系統和三機勵磁系統的比較

常規火電廠發電機的勵磁方式主要有自并勵靜止勵磁和三機勵磁兩大類，靜止勵磁中發電機的勵磁電源取自于發電機機端，通過勵磁變壓器降壓后供給可控硅整流裝置，可控硅整流變成直流后，再通過滅磁開關引入至發電機的磁場繞組，整個勵磁裝置沒有轉動部件，屬于全靜態勵磁系統；而三機勵磁的原理是：主勵磁機、副勵磁機、發電機三機同軸，主勵磁機的交流輸出，經過二極管整流器整流后，供給汽輪發電機勵磁。主勵磁機的勵磁，由永磁副勵磁機輸出經可控硅整流器整流后供給。自動電壓調節器根據汽輪發電機端電壓互感器、電流互感器取得的調節信號，控制可控硅整流器輸出的大小，實現機組勵磁的自動調節。

3.1 組成

自并勵靜止勵磁系統由勵磁變壓器、可控硅功率整流裝置、自動勵磁調節裝置、發電機滅磁及過電壓保護裝置、起勵設備及勵磁操作設備等部分組成。勵磁電源是由接于發電機出口的勵磁變壓器取得，這種方式的勵磁電源取自發電機本身，不受廠用電系統的供電影響。

三機勵磁系統由主勵磁機、副勵磁機、勵磁調節裝置、功率柜、滅磁開關柜及過電壓保護裝置等組成。

3.2 相對于三機勵磁系統，靜態勵磁系統的優點

（1）靜止勵磁用靜止的勵磁變壓器取代了旋轉的勵磁機，用大功率靜止可控硅整流系統取代了旋轉二極管整流盤，由于勵磁系統沒有旋轉部分，設備接線比較簡單，大大提高了整個勵磁系統的可靠性，機組的檢修維護工作量大大減少。

（2）機組采用靜止勵磁方式，取消了勵磁機和旋轉二極管整流盤，其軸系長度縮短，機組軸系的支點減少，使得軸系的震動模式簡單，利于軸系的穩定。

（3）提高效率。采用靜態勵磁的機組，其勵磁損耗(主要為電阻損耗及集電環電刷損耗)較采用三機勵磁的機組相應的損耗少。

（4）可以在發電機轉子回路上安裝高速磁場開關和大容量滅磁電阻，采用的全控整流器在正常停機時可以實現逆變滅磁，在機組出現內部故障或系統有特殊要求時跳高速磁場開關，并將磁場能量轉移到滅磁電阻，實現快速滅磁。而且滅磁速度快、可靠無損傷，有效防止事故的擴大。

（5）靜止勵磁系統沒有了主、副勵磁機，系統接線簡潔，同時靜止勵磁系統的可控硅整流橋有很大的冗余度，可以進行在線維護，提高了運行的安全性和可維護性，經濟效益也是顯著的。

（6）三機勵磁系統的缺點：

①交流主勵磁機有一個“時滯”環節：要調節發電機勵磁電流，必須先調節交流主勵磁機的勵磁電流，有“時滯”存在。

②副勵磁機波形畸變：可控硅整流橋的負載是交流主勵磁機轉子繞組這一電感性負載，因此，勵磁電源副勵磁機的輸出電壓波形將產生畸變，容易出現發電機調節不穩定、無功功率跳動或擺動的情況。而靜止勵磁系統由于取消了勵磁機，減少了機組的慣性滯后環節，靜止勵磁系統具備很高的響應速度，可提高暫態穩定性；還可通過PSS功能作用提供的系統正阻尼大大提高電網系統的穩定性；通過對勵磁變壓器和可控硅整流柜的合理配置，可以方便地提高勵磁系統的容量裕度，大大提高勵磁系統的響應能力。

（7）靜止勵磁系統在機組甩負荷時過電壓水平相對較低：機端過電壓起始值與甩負荷前負荷電流成反比，由于增加了勵磁變分支電流，機端過電壓起始值比三機勵磁系統的小。

在對汽輪發電機勵磁系統的可靠性統計分析中，自并勵磁方式的可靠性要高于旋轉勵磁方式，自并勵勵磁系統事故后恢復正常運行所需要的時間為旋轉勵磁的1/4，事故強迫停機率為旋轉勵磁的1/3，隨著技術水平的不斷進步，自并勵勵磁系統的可靠性還將不斷提高。綜上所述，自并勵靜止勵磁系統要優于三機勵磁系統。

4 勵磁調節裝置的選型

經過大量的調研和比較，我廠決定采用自并勵靜止勵磁系統，選用GEC-2E型全數字式非線性勵磁裝置，該裝置綜合運用了同步發電機的現代勵磁控制理論，從輸入通道的交流采樣到控制脈沖的輸出全部實現數字化，沒有模擬環節，無電位器調整。全數字化大大提高了精度和可靠性，維護十分方便。

GEC-2E型全數字式非線性勵磁裝置主要適用于自并勵勵磁系統，由勵磁調節柜、功率柜、滅磁開關柜、切換操作柜、勵磁變壓器等構成。勵磁調節柜內安裝的是勵磁控制器，是勵磁反饋的核心部分。功率柜內安裝的是由大功率可控硅組成的三相全控整流橋，根據發電機勵磁電流的大小，由兩個功率柜向發電機提供勵磁電流。滅磁開關柜內安裝的是滅磁開關和非線性過壓保護裝置，切換操作柜主要完成主備勵切換等功能。

GEC-2E的基本配置是全雙置，即配備完全獨立的兩個控制器及相應的電源回路，兩套調節器互為備用運行，每套調節器均能滿足包括強勵在內的發電機各種運行工況對勵磁的要求。

5 自并勵靜止勵磁系統組成

從1#發電機的出口母線獲得三相交流電，經過勵磁變壓器變為550 V交流電，再經過兩套可控硅整流裝置即1.2#功率柜后，通過直流刀閘ZLDK到主備勵切換柜，然后到滅磁及過電壓保護柜，最后到發電機轉子，完成了發電機的勵磁過程。1#發電機從廠用380 V得到起勵電源，經過變壓整流到滅磁及過電壓保護柜。

5.1 勵磁變壓器

勵磁變壓器是選用戶內型的三相澆鑄樹脂干式變壓器，采用并接于發電機機端的自并勵典型接線方式。勵磁變壓器的保護設置有：超溫過載保護，低壓側的短路保護，依賴于發電機差動保護的高壓側保護。

5.2 勵磁調節器

它由基本控制和輔助控制兩大部分組成。基本控制由測量比較、綜合放大和移相觸發三個主要單元構成，實現電壓調節和無功功率分配等基本調節功能。輔助控制是為了滿足發電機不同運行工況，改善電力系統穩定性，改善勵磁控制系統動態性能而設置的單元，包括系統電壓跟蹤、通道之間自動跟蹤、故障智能檢測和自動切換、容錯控制、故障錄波和故障記錄、輔助調試和試驗功能等。

我廠1#發電機組選用GEC-2E型勵磁調節器，其電源一部分是來自廠用380 V系統；一部分來自廠直流系統。它的輸入量有系統電壓、機端電壓、儀用機端電壓、轉子電流、定子電流，輸出量是觸發脈沖。

采用雙調節器的全冗余設計，勵磁系統的運行由設為主套的調節器進行調節，設為從套的調節器作為備用調節器。正常情況下，備用調節器自動跟蹤主套調節器，事故情況下，主、從套調節器能夠實現自動無擾動的切換，從而保證了發電機組的安全穩定運行。勵磁調節器設有電壓調節（自動）、電流調節（手動）、無功調節、恒功率因數調節共四種調節模式。

5.3 可控硅整流裝置

此系統配置QLG-2A型發電機勵磁整流柜兩臺，其主要特點是設計合理、結構簡單、元器件少、生產維護量小、設備運行可靠。該勵磁整流柜采用高規格大容量整流管、每個整流柜內裝6只可控硅組成三相全控橋式整流電路，并采用了集中阻容吸收電路，因此從原理到實際裝置都體現了先進性和實用性。

單柜即可滿足1#汽輪發電機組的正常勵磁功率要求,也能滿足機組10 s2倍強行勵磁電流的要求。

對于運行設備，如果發現某一臺勵磁整流柜有異常需要處理時，首先確認當前是兩臺勵磁整流柜在并列運行，這時可人為切掉異常整流柜。

5.4 滅磁及過電壓保護

滅磁及過電壓保護如圖2所示，在發電機轉子繞組回路中，RN2是由多片氧化鋅壓敏電阻串并聯組成的滅磁裝置，它通過二極管D跨接在發電機轉子繞組兩端。在機組正常運行時，轉子繞組兩端的電壓僅有幾百伏，通過RN2的電流也只是微安級，相當于RN2開路狀態。當發電機需要強行快速滅磁時，磁場斷路器FMK（DM4-2500/2）的觸頭將斷開，在觸頭斷口處產生3500 V左右的電壓。此電壓抵消掉整流柜整流電壓（幾百伏）后，施加在RN2兩端（也就是轉子繞組兩端），使RN2的內阻急劇變小，最終RN2被擊穿，這使得轉子繞組中原來流通的電流I1轉移到RN2中。RN2將轉子繞組中存貯的電磁能量轉變為熱能耗盡，轉子中的電流I1很快衰減到0，達到了給發電機快速滅磁的目的。

圖2 滅磁及過壓保護

在滅磁回路中，RN2與RN3串聯在一起，是做為轉子繞組的過壓保護用，它可以吸收轉子繞組兩端出現的任何尖峰過電壓。RN1非線性電阻是作為勵磁電源側的過電壓保護用，它可以吸收電源側出現的任何尖峰過電壓。RD1、RD2是多路保護熔斷器的代號，在每一支路非線性電阻上都串接一個熔斷器，它是特制產品，與氧化鋅非線性電阻配套使用，專門用來保護氧化鋅壓敏電阻。一旦某一支路的氧化鋅被損壞（主要指擊穿短路），該支路的熔斷器都會自動熔斷，從而切掉該支路，確保發電機和裝置的安全。

快速磁場斷路器（FMK）是DM4-2500型雙斷口開關，它的每一個斷口可以產生1700 V左右的電弧電壓，雙斷口可產生3500 V左右的弧壓，這樣可以充分保證RN2被高壓擊穿工作。在RN2回路中串接的電流互感器CT，是用來測量RN2導通次數的。當通過RN2的電流大于60 A以上時，CT二次都感應出足夠大小的電流，它會給計數器一個信號，使計數器記錄一次，同時，在柜體面門上有動作指示信號顯示燈保持發光。RN2動作完畢后，按柜門上的復位按鈕，顯示燈將熄滅，但計數器上的動作次數仍保持。

綜上所述，不難看出本裝置的滅磁及過壓保護原理是極其簡單的，十分有利于現場檢修人員的掌握和維護。

5.5 啟勵裝置

1#機勵磁系統是機端勵磁系統，需加起勵回路，起勵回路設在滅磁柜中。先合上起勵電源開關QLDK，將起勵電源投上，設有起勵按鈕，當按下起勵按鈕，起勵接觸器QLJC動作，接點閉合，起勵變壓器二次交流電通過直流模塊ZLM整流后變為直流電送到滅磁開關主觸頭，如此時滅磁開關閉合，此直流電可通過滅磁開關送到發電機轉子，給轉子勵磁。松開起勵按鈕，起勵接觸器復歸，將起勵回路與勵磁回路斷開，當起勵回路由調節器控制時，投切起勵回路及起勵時間由勵磁調節器控制。有關電路見圖3。

圖3 啟勵裝置

6 應用效果

鞍鋼第二發電廠1.2#機組進行微機自并勵靜止可控硅整流勵磁系統改造后運行安全平穩，已經證明了這種勵磁系統反應速度快、調節靈敏、技術先進，而且由于取消了直流勵磁機及其附屬設備，大大減少了設備維護費用，具有顯著的經濟和安全效益。

[1]楊冠城.電力系統自動調節裝置原理（第5版）[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]GB/T7409-1997，同步電機勵磁系統[S].

App lication of Self-Shunt Static Excitation Device in Reconstruction of the Excitation System of Power Plant

LI Hanru，LI Baoshan，ZHAO Dongyun
(1.TheNo.2PowerPlantofAnshanIronandSteelGroup；2.TheEngineeringTecbnologyCo.Ltd.ofAnshan IronandSteelGroup，Anshan,Liaoning114012,China)

Self shunt excitation was adopted to replace the rotating excitation generator with static excitation transformer in the reconstruction project of the excitation system at the No.2 power plant of Anshan Steel.Through introduction of the self shunt excitation system and its features,the advantages of the system over existing excitation modes are demonstrated.

self shunt static excitation;excitation regulator

TM761.11

B

1006-6764(2014)12-0005-04

2014－09－25

李漢儒（1973－），男，畢業于四川大學電力系統自動化專業，學士學位，工程師，現從事發電廠電氣技術管理工作。