大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵器件和起勵(lì)方式選擇的研究

王海軍，陳小明

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061；2.長江電力有限股份公司，湖北宜昌443002）

1 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，對于電力資源需求也相對嚴(yán)峻，尤其到夏季來臨，在東南沿海地區(qū)出現(xiàn)“拉閘限電”的現(xiàn)象。為了緩解日益增長的電力需求，我國加大了水利電力建設(shè)的力度。

勵(lì)磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)電力系統(tǒng)的核心控制裝置之一，對發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著關(guān)鍵性的作用，所以勵(lì)磁系統(tǒng)中器件的正確選擇對電力系統(tǒng)非常重要，同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、可維護(hù)性、便于操作等性能將影響電力系統(tǒng)的可靠，也影響著后期日常維護(hù)和檢修過程。

2 勵(lì)磁設(shè)計(jì)主要元器件選擇

由于靜止自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)形式接線簡單，維護(hù)方便，并具有固有的高起始快速響應(yīng)特性，使之成為新建發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主流形式，其勵(lì)磁系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 靜止自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖

圖1中，AVR為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，LCB為勵(lì)磁變壓器，ZLQ為可控硅整流器，F(xiàn)MK為發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)。由圖1可知，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制的可控硅整流裝置提供，而勵(lì)磁整流裝置的輸入交流電由并接在發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器提供。因此可知發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要設(shè)備為：勵(lì)磁變壓器、可控硅整流裝置、滅磁開關(guān)。

2.1 勵(lì)磁變壓器的選擇

因?yàn)閯?lì)磁變壓器并聯(lián)在發(fā)電機(jī)機(jī)端，故勵(lì)磁變壓器的原邊額定電壓和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓一致。

勵(lì)磁變壓器副邊額定電壓的設(shè)計(jì)由電力系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中的位置所決定，主要通過對勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)體現(xiàn)。勵(lì)磁變壓器副邊額定電流設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)DL／T583-2006的要求：滿足勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)保證當(dāng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流為發(fā)電機(jī)額定負(fù)載下勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓1.1倍時(shí)，能長期連續(xù)運(yùn)行。

勵(lì)磁系統(tǒng)工作過程中，由于勵(lì)磁變壓器線圈的阻抗會(huì)分擔(dān)一部分電壓，同時(shí)可控硅整流橋在換相過程中也損失一部分電壓。大型水力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)交直流進(jìn)出線一般通過電纜將勵(lì)磁變副邊和勵(lì)磁整流柜、滅磁開關(guān)柜和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，且距離較長，使得電纜本身及轉(zhuǎn)子集電環(huán)也對電壓產(chǎn)生損耗，這些損耗將影響勵(lì)磁系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子施加頂值電壓。因此在分析計(jì)算勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓時(shí)，需要考慮上述因素，否則通過計(jì)算所得到的勵(lì)磁變二次電壓將偏低，影響強(qiáng)勵(lì)的效果。

2.2 可控硅整流裝置的選擇

根據(jù) GB／T7409.3-2007 和 DL／T583-2006 的要求：并聯(lián)運(yùn)行的勵(lì)磁系統(tǒng)整流支路中有一個(gè)支路退出后，剩余支路需要滿足發(fā)電機(jī)所有的功能。為此得到勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備的柜體總數(shù)為N＋1，其中N為滿足強(qiáng)勵(lì)運(yùn)行的功率柜數(shù)量最小值。

對于大型水輪發(fā)電機(jī)組，一般取N＝3，此時(shí)要求整流柜單柜輸出也被確定。整流柜數(shù)量和單柜出力確定后，對于勵(lì)磁整流柜需要選擇整流柜內(nèi)部使用的可控硅元件。選擇可控硅元件時(shí)部分人員存在一個(gè)誤區(qū)，即認(rèn)為選擇額定電流較大的可控硅，就可以提高整流裝置的出力。根據(jù)理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證可知，通過提高可控硅的參數(shù)可以提高整流裝置的出力，但是提高程度很有限，選擇優(yōu)異的散熱器、風(fēng)機(jī)和結(jié)構(gòu)優(yōu)良的風(fēng)道則更有利于增大裝置的出力。

可控硅額定電壓的選擇要依照可控硅可重復(fù)額定電壓定義進(jìn)行，即在額定結(jié)溫和門極斷路情況下，允許重復(fù)加在陽極和陰極間的峰值電壓。由于可控硅陽極和勵(lì)磁變壓器的副邊直接連接，故選擇可控硅額定電壓是要以勵(lì)磁變副邊額定電壓為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇，同時(shí)還需考慮如下各個(gè)因素。由于可控硅整流柜在工作過程中，會(huì)持續(xù)產(chǎn)生換相過電壓，以及勵(lì)磁系統(tǒng)在發(fā)生甩負(fù)荷、誤強(qiáng)勵(lì)等工況時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓會(huì)升高。為了滿足以上工況下勵(lì)磁整流柜仍不被擊穿，選擇的可控硅額定電壓一般不能小于2.75倍額定勵(lì)磁變副邊電壓的峰值。

2.3 滅磁開關(guān)的選擇

滅磁開關(guān)的選擇主要需要考慮的參數(shù)為額定電流、額定電壓、滅磁弧壓、分?jǐn)嗄芰Φ?，這些需要滿足 ANSI／IEEE C37.18 標(biāo)準(zhǔn)要求。

滅磁開關(guān)額定電流需要滿足DL／T583-2006的要求，即其額定電流應(yīng)不低于負(fù)載額定勵(lì)磁電流的1.1倍；額定電壓應(yīng)能滿足開關(guān)的長期工作需要，所以不應(yīng)低于勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓的峰值電壓；額定分?jǐn)嗄芰π铦M足當(dāng)轉(zhuǎn)子被短路時(shí)斷開勵(lì)磁回路的工況。開關(guān)弧壓的選擇與滅磁方式及滅磁速度有關(guān)。

選擇滅磁開關(guān)時(shí)，一般先通過額定電流、額定電壓、分?jǐn)嗄芰Τ醪竭x擇開關(guān)型號(hào)，然后根據(jù)對滅磁時(shí)間的需求，結(jié)合對滅磁電阻殘壓電壓大小，選擇適當(dāng)?shù)臍垑哼M(jìn)行弧壓的選擇。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)回路控制方式的設(shè)計(jì)探討

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)裝置是建立發(fā)電機(jī)初始磁場的裝置。起勵(lì)回路的合理設(shè)計(jì)有利于發(fā)電機(jī)的可靠起勵(lì)。大型水輪發(fā)電機(jī)的他勵(lì)起勵(lì)方式一般采用交流起勵(lì)、直流起勵(lì)方式進(jìn)行，考慮到起勵(lì)電源容量的配置和起勵(lì)速度的要求，所選取起勵(lì)電流的大小要求在不超過轉(zhuǎn)子空載額定勵(lì)磁電流的10%時(shí)可靠起勵(lì)，而起勵(lì)電流的大小主要取決于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對勵(lì)磁同步電壓的檢測能力來決定。

勵(lì)磁系統(tǒng)采用交流起勵(lì)方式時(shí)起勵(lì)回路如圖2所示。

圖2 交流起勵(lì)回路

起勵(lì)回路由起勵(lì)變壓器QLB、三相二極管整流橋V1等構(gòu)成。大型水輪發(fā)電機(jī)其空載額定勵(lì)磁電流一般為2000A左右，但是其轉(zhuǎn)子電阻較小，一般為0.1Ω左右，故直流起勵(lì)電壓一般為20V左右，而起勵(lì)變原邊電源取自AC380V的廠用電，因此大型起勵(lì)變壓器是降壓變壓器。根據(jù)變壓器的性質(zhì)，將變壓器原邊阻抗電路等效到副邊后，相當(dāng)于減小了起勵(lì)回路的輸出阻抗和能量的損耗，使轉(zhuǎn)子更加有效地利用了起勵(lì)電源。起勵(lì)退出時(shí)可以通過先退交流K1，后退直流K2的方式，減小對直流側(cè)接觸器的要求，增加K2的壽命。

圖3 直流起勵(lì)回路

采用直流起勵(lì)方式時(shí)起勵(lì)回路如圖3所示。

起勵(lì)回路由限流電阻R1、隔離二極管V等組成。由于直流起勵(lì)電源來自廠用直流，電壓一般為DC220V／DC110V，電壓比較高，為了限制起勵(lì)電流，必須選擇適當(dāng)?shù)碾娮鑱硐拗疲勾罅康碾娫聪脑诶m(xù)流電阻R上，提高了起勵(lì)接觸器對分?jǐn)嗄芰Φ囊?，甚至對廠用直流有較高的要求都會(huì)威脅廠用直流系統(tǒng)的穩(wěn)定，故對于大型機(jī)組不建議使用直流起勵(lì)方式。

有部分人認(rèn)為直流系統(tǒng)可靠，設(shè)置直流起勵(lì)有利于發(fā)電機(jī)組的黑啟動(dòng)，如果當(dāng)電廠確實(shí)發(fā)生黑啟動(dòng)時(shí)，通過直流起勵(lì)損失大量的的直流電，更會(huì)造成直流的迅速消耗，拉垮直流電造成次生災(zāi)害，但是如果將直流電變成UPS交流電后，通過交流起勵(lì)的方式，將使用較少的能量完成黑啟動(dòng)方式，同時(shí)發(fā)電廠一般都備有柴油發(fā)電機(jī)，很容易得到小功率的交流電。如果給每臺(tái)機(jī)組均配置直流起勵(lì)，電廠對直流的投資是非常大，經(jīng)濟(jì)效益也較差，尤其對機(jī)組較多的大型電廠?？紤]每臺(tái)機(jī)組同時(shí)停機(jī)情況下又需要進(jìn)行黑啟動(dòng)運(yùn)行，這種工況發(fā)生的概率較小，即便真發(fā)生了，也不需要每臺(tái)機(jī)組同時(shí)進(jìn)行黑啟動(dòng)，可以首先用柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行一臺(tái)機(jī)組的起勵(lì)，建立電廠廠用電系統(tǒng)，然后其他機(jī)組逐漸發(fā)電，因此對于大型水輪發(fā)電機(jī)使用直流起勵(lì)方式并不合理。

4 結(jié)論

通過對勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵器件的分析，得出了工程上選用的計(jì)算依據(jù)和方法，并對大型水輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)方式進(jìn)行了探討，得出了大型水輪發(fā)電機(jī)組適宜采用交流起勵(lì)的結(jié)論。

［1］王海軍.提高可控硅整流裝置輸出電流能力的研究及試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.電氣傳動(dòng)，2011.

［2］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.中國電力出版社，2002.

［3］GB／T7409.3-2007同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求.

［4］DL／T583 2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件.

［5］劉立平，.電力電子技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.