自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁原理與工程應(yīng)用

李 闊

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)是指發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源通過(guò)勵(lì)磁變壓器和整流裝置從發(fā)電機(jī)機(jī)端直接取得。自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部分，便于維護(hù)，在響應(yīng)速度上較無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)具備明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率可控整流裝置的可靠性已經(jīng)大大提高；電力系統(tǒng)中快速保護(hù)的應(yīng)用，可在某些極端異常工況（如機(jī)端三相短路）時(shí)快速切除故障，提高了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的投入，也可有效地提升自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[1]。

圖1 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖

1 汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁原理

在自并勵(lì)機(jī)組的設(shè)計(jì)中，滅磁設(shè)計(jì)十分重要，特別是隨著主機(jī)容量的增加，發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)也越來(lái)越受到重視。滅磁系統(tǒng)原理總體分為兩種：滅磁開(kāi)關(guān)耗能型和移能型滅磁方式。對(duì)于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，目前基本選用移能型滅磁方式。

1.1 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁開(kāi)關(guān)選型

滅磁開(kāi)關(guān)多選用瑞士ABB，賽雪龍UR系列，HPB系列，也有少數(shù)選擇GE滅磁開(kāi)關(guān)。與其他品牌滅磁開(kāi)關(guān)相比，ABB開(kāi)關(guān)價(jià)格便宜，質(zhì)量較好。但 ABB開(kāi)關(guān)因其結(jié)構(gòu)所限，導(dǎo)致其單斷口弧壓很低，在工程實(shí)踐中只能采用將多個(gè)斷口串聯(lián)起來(lái)使用，以此來(lái)提高其弧壓。對(duì)于容量 200MW 以下的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，多選用 ABB系列滅磁開(kāi)關(guān)（E3H或E1B系列）；而對(duì)于容量200MW以上的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，則多選用瑞士賽雪龍（UR或HPB系列）或GE系列滅磁開(kāi)關(guān)。

1.2 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁電阻選型

滅磁電阻可以是線性電阻，非線性氧化鋅或碳化硅滅磁電阻。

如果選用非線性電阻做為滅磁電阻，需要先對(duì)SiC與ZnO這兩種電阻的特性進(jìn)行一下比較說(shuō)明：

1）ZnO的壓敏電壓比SiC的要高，在應(yīng)用中要求滅磁開(kāi)關(guān)有建立較高弧壓的能力。

2）ZnO非線性電阻比SiC非線性電阻滅磁時(shí)間短，漏電流較小。

3）ZnO非線性電阻使用起來(lái)比較方便，可直接跨接進(jìn)行使用。

4）ZnO非線性電阻的老化問(wèn)題比較嚴(yán)重，在受潮和久置后特性容易發(fā)生改變，而SiC滅磁電阻不存在這方面的問(wèn)題。

在工程實(shí)踐中，國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)多采用ZnO滅磁電阻，而進(jìn)口勵(lì)磁系統(tǒng)多采用SiC滅磁電阻[2]。

考慮到汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子巨大的阻尼作用，阻尼繞組中的電流不能迅速衰減，實(shí)現(xiàn)快速滅磁十分困難，在實(shí)際工程實(shí)踐中，除采用ZnO滅磁電阻外，采用線性電阻滅磁也是比較合適的[3]。

如圖2所示，對(duì)于空載發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)為 T′do=Lf/RL，接入滅磁電阻R后變?yōu)長(zhǎng)f/(RL+RM)，理論上講，滅磁電阻的阻值越大，時(shí)間常數(shù)越小，滅磁速度會(huì)更快。

圖2 線性電阻滅磁電路示意圖

滅磁電阻阻值越大，在滅磁過(guò)程中滅磁電阻流過(guò)相同的電流時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)更高，甚至可能會(huì)危害到轉(zhuǎn)子絕緣的安全。汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁技術(shù)條件中要求，在強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)下滅磁時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓值不應(yīng)超過(guò)4～6倍額定勵(lì)磁電壓值[3]。限制過(guò)電壓值，保護(hù)發(fā)電機(jī)安全是滅磁過(guò)程中需要考慮的重要問(wèn)題。實(shí)際滅磁情況非常復(fù)雜，采用線性電阻滅磁，由附加電流而增加的反壓會(huì)很大，為了保證在最嚴(yán)重工況下滅磁時(shí)不產(chǎn)生威脅轉(zhuǎn)子的過(guò)電壓，在工程實(shí)踐中一般選擇線性電阻為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的2.5倍左右，這需要犧牲一定滅磁時(shí)間。

1.3 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁成功的基本條件

滅磁成功的關(guān)鍵為快速將磁場(chǎng)電流從滅磁開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移到滅磁電阻上來(lái)[4]。

要實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)電流的快速轉(zhuǎn)移，必須要滿(mǎn)足磁場(chǎng)電流的轉(zhuǎn)移條件。

以四斷口滅磁開(kāi)關(guān)為例：

式中，Uk為滅磁開(kāi)關(guān)斷口弧壓；Ud為可控硅整流輸出直流電壓；URV為滅磁電阻導(dǎo)通電壓。

1.4 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁原理基本論述

若選用ABB公司（相關(guān)及相近型號(hào)）滅磁開(kāi)關(guān)，其四斷口的最大弧壓總和僅為1400V左右[5]，在嚴(yán)重工況下（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器誤強(qiáng)勵(lì)）可能將導(dǎo)致滅磁失敗，燒毀滅磁開(kāi)關(guān)。因此，在工程實(shí)踐中通常采取交流滅磁技術(shù)。即在跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)之前，將可控硅脈沖封鎖掉，可選用在滅磁開(kāi)關(guān)線圈前一級(jí)接入雙位置繼電器線圈，用雙位置繼電器的輔助結(jié)點(diǎn)來(lái)封脈沖[6]，如圖3所示。

圖3 ABB滅磁開(kāi)關(guān)跳閘操作回路示意圖

假設(shè)跳閘瞬間，三相全控橋中導(dǎo)通的晶閘管為+A相和-C相晶閘管，而此時(shí)脈沖已經(jīng)封閉，其它的四個(gè)晶閘管不可能導(dǎo)通，因轉(zhuǎn)子電流為感性電流不能突變，可保持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)整流橋輸出電壓為陽(yáng)極電壓（一個(gè)周期 20ms），當(dāng)陽(yáng)極電壓來(lái)到負(fù)半周時(shí)，Ud值變?yōu)樨?fù)值，根據(jù)式（1）可見(jiàn)，可以很容易地滿(mǎn)足滅磁換流的條件了。

圖4 交流滅磁等效電路圖

若選用其他品牌滅磁開(kāi)關(guān)（如賽雪龍 HPB系列），該滅磁開(kāi)關(guān)弧壓可達(dá)3500V左右，較ABB滅磁開(kāi)關(guān)有明顯提高，可以保證在發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)期間發(fā)生機(jī)端三相短路，發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵(lì)事故跳閘時(shí)，滅磁開(kāi)關(guān)順利完成移能換流[7]。因該滅磁開(kāi)關(guān)無(wú)放電觸頭，在設(shè)計(jì)時(shí)需采用跨接器將滅磁電阻投入的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。

但在某些極端情況下，如勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路故障，勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓基本為零，經(jīng)過(guò)晶閘管整流橋輸出的電壓也為零，即使采用交流滅磁技術(shù)，也沒(méi)有負(fù)半波電壓可以疊加到滅磁開(kāi)關(guān)的弧壓上，如該滅磁開(kāi)關(guān)的弧壓無(wú)法保證磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移至ZnO中消耗，將可能燒毀滅磁開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。盡管勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路故障的概率極小，但透過(guò)這點(diǎn)可以看出，盡管采用交流滅磁技術(shù)可使滅磁變得更加可靠，但其無(wú)法完美地填補(bǔ)滅磁開(kāi)關(guān)的固有缺陷，在工程實(shí)踐中選用開(kāi)關(guān)弧壓較高的滅磁開(kāi)關(guān)將具有更高的可靠性。

2 滅磁裝置在具體工程實(shí)踐中的應(yīng)用

2.1 ABB滅磁開(kāi)關(guān)配合非線性滅磁電阻滅磁

工程實(shí)例：某工程為國(guó)內(nèi) 2×50MW 自并勵(lì)汽輪發(fā)電機(jī)組，額定勵(lì)磁電壓為159V，額定勵(lì)磁電流1667A，發(fā)電機(jī)直軸開(kāi)路瞬變時(shí)間常數(shù)T′do為6，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻為 0.1Ω，勵(lì)磁變副邊電壓 330V，該工程技術(shù)協(xié)議中要求采用非線性電阻滅磁方式。

非線性滅磁電阻容量計(jì)算

首先計(jì)算轉(zhuǎn)子繞組空載儲(chǔ)能：

W0=0.5×L×，其中 L=Rf×T′do將相關(guān)參數(shù)帶入求解

式中，Wde為滅磁電阻標(biāo)稱(chēng)能量容量，MJ；k1為容量?jī)?chǔ)備系數(shù)，考慮運(yùn)行中30%熔斷器退出后仍可保證可靠滅磁的要求；k2為耗能分配系數(shù)，火電可取0.5；k3為發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)最大儲(chǔ)能系數(shù)，考慮鐵心飽和影響，取為5；k4為均能系數(shù)，取為0.9；If0為空載勵(lì)磁電流，A；Rf為轉(zhuǎn)子繞組直流電阻（75℃時(shí)），Ω。

由此可以算得

考慮必要的安全裕量，實(shí)際選取

滅磁殘壓計(jì)算：

該工程選用ABB公司E3H/E-MS-2500A/1000V滅磁開(kāi)關(guān)。為保證滅磁成功，綜合考慮計(jì)算結(jié)果及安全裕量，選取ZnO壓敏電阻的殘壓為900V[8]。

根據(jù)該工程的實(shí)際參數(shù)可知：Uk1+Uk2+Uk3+Uk4（四斷口弧壓總和）需大于 1600V，才可以保證磁場(chǎng)電流順利轉(zhuǎn)移。因此，需采用交流滅磁技術(shù)，才能保證可靠滅磁。

該工程自2013年5月份改造完成投運(yùn)至今，一直運(yùn)行良好，未發(fā)生因勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁裝置故障而導(dǎo)致的失磁事故。

2.2 賽雪龍HPB滅磁開(kāi)關(guān)配合線性電阻滅磁

工程實(shí)例：某工程為國(guó)內(nèi)2×350MW新投產(chǎn)自并勵(lì)汽輪發(fā)電機(jī)組，額定勵(lì)磁電壓為467V，額定勵(lì)磁電流 2030A，發(fā)電機(jī)直軸開(kāi)路瞬變時(shí)間常數(shù) T′do為 9.86。滅磁電阻為線性電阻，因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻為0.225Ω，故將線性電阻阻值取為0.5 Ω。

線性電阻容量計(jì)算：

強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁儲(chǔ)能量

滅磁電阻吸能量 WFR（考慮大部分能量被轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)渦流消耗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)汽輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際釋放的能量為存儲(chǔ)能量的0.5）

考慮一定的裕度，實(shí)際滅磁電阻能容量取：

轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)回路采用非線性電阻，根據(jù)電力部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)壓保護(hù)殘壓應(yīng)為轉(zhuǎn)子出廠耐壓試驗(yàn)的30%到50%，且過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作電壓最高瞬時(shí)值不得超過(guò)勵(lì)磁繞組出廠對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓的70%：

綜合以上計(jì)算及安全考慮，可取

該工程滅磁開(kāi)關(guān)采用賽雪龍公司HPB45-82S型滅磁開(kāi)關(guān)。

該工程已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)完成了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試，具備并網(wǎng)條件。其滅磁裝置的選配已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)的檢驗(yàn)，得到了用戶(hù)的認(rèn)可。

3 結(jié)論

汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁裝置的選配，是勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要結(jié)合機(jī)組參數(shù)，工程成本，用戶(hù)使用習(xí)慣及相近工程成功范例進(jìn)行綜合考慮，并在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選型計(jì)算，本文所列舉的兩個(gè)工程實(shí)例可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求。成熟的工程設(shè)計(jì)需要考慮現(xiàn)場(chǎng)各種工況下設(shè)備運(yùn)行的可靠性，并不斷在工程實(shí)踐當(dāng)中進(jìn)行改進(jìn)。

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