勵(lì)磁系統(tǒng)性能指標(biāo)及可靠性研究

蘇超 李剛剛 賀超逸

摘要：在交流同步發(fā)電機(jī)的演變過(guò)程中，勵(lì)磁系統(tǒng)己逐漸成為其核心。當(dāng)今，在運(yùn)行和新設(shè)計(jì)的中大型同步發(fā)電機(jī)中常用的勵(lì)磁方式主要有他勵(lì)式和自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式，他勵(lì)式又分為同軸直流勵(lì)磁和同軸交流勵(lì)磁方式。而直流勵(lì)磁方式一般用于中小型機(jī)組，多見(jiàn)于七十年代以前，因此結(jié)合目前大型汽輪發(fā)電機(jī)主要的兩種勵(lì)磁方式，即無(wú)刷勵(lì)磁和自并勵(lì)靜止勵(lì)磁的結(jié)構(gòu)及其主要性能進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁;系統(tǒng)性能;可靠性

我國(guó)發(fā)電機(jī)在歷經(jīng)數(shù)年的發(fā)展后，如今發(fā)電機(jī)容量已從最初的6MW發(fā)展到目前開(kāi)發(fā)研制的1800MW，實(shí)際應(yīng)用的勵(lì)磁方式也有多種，從早期只有同軸直流勵(lì)磁的方式到目前開(kāi)發(fā)的1800MW核電發(fā)電機(jī)配套的無(wú)刷勵(lì)磁的勵(lì)磁方式。不同的勵(lì)磁方式各具優(yōu)勢(shì)：其中，同軸交流勵(lì)磁方式中的無(wú)刷勵(lì)磁方式穩(wěn)定性好，能有效改善發(fā)電機(jī)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的機(jī)端短路所造成的危害，從而提高系統(tǒng)的靜穩(wěn)、動(dòng)穩(wěn)及暫穩(wěn)特性，但其運(yùn)行中需要旋轉(zhuǎn)，且部件較多，使得轉(zhuǎn)子軸系變長(zhǎng)，對(duì)發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)平衡產(chǎn)生影響，且發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的滅磁功能相對(duì)較差。自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)（含集電環(huán)裝置）的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)組的軸系長(zhǎng)度短，降低了基礎(chǔ)設(shè)施和主機(jī)檢修維護(hù)的成本，勵(lì)磁電壓從發(fā)電機(jī)機(jī)端獲取，響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)短，由可控硅元件直接控制轉(zhuǎn)子電壓。在發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)甩負(fù)荷問(wèn)題時(shí)，機(jī)組的過(guò)電壓要比同軸的勵(lì)磁系統(tǒng)低。但如果發(fā)電機(jī)出口端短路故障，故障清除時(shí)間較長(zhǎng)，自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)表現(xiàn)出不足的強(qiáng)勵(lì)能力，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面不如旋轉(zhuǎn)整流無(wú)刷勵(lì)磁方式。

1無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性分析

在無(wú)刷旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁系統(tǒng)中，無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源不依賴于發(fā)電機(jī)的極端電壓，而是由旋轉(zhuǎn)整流裝置和無(wú)刷交流勵(lì)磁構(gòu)成。電流通過(guò)電樞、整流盤、轉(zhuǎn)子線圈，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁。因此無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源不依賴于發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓，不受電力系統(tǒng)擾動(dòng)的影響。

無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的強(qiáng)勵(lì)頂值及高起始響應(yīng)特性在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，有效地提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該特性在單機(jī)大容量發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定中，尤為突出。有研究表明：盡管在提高發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并列運(yùn)行的動(dòng)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性方面可以有多種措施，如長(zhǎng)線串聯(lián)補(bǔ)償電容或繼電保護(hù)快速切除短路或自動(dòng)重合閘裝置等，但采用快速自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁和強(qiáng)行勵(lì)磁方法是最經(jīng)濟(jì)和最有效的。

且無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的整流盤設(shè)計(jì)選用合理，有大余量的電流和電壓，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性大大增加。勵(lì)磁繞組、電樞、整流組件之間無(wú)任何接觸部件，正因?yàn)槿绱?，使得轉(zhuǎn)子電流免受來(lái)自這些部件技術(shù)條件的約束，所以比較適合較大容量發(fā)電機(jī)組。勵(lì)磁電流通入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，使得電流強(qiáng)度難以測(cè)量，需通過(guò)電壓相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出，所以計(jì)算出的電流可能會(huì)存在一定的偏差。

2自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性分析

自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電源來(lái)自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，屬于高起始勵(lì)磁系統(tǒng)，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)短。從勵(lì)磁電源到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組之間沒(méi)有大的慣性環(huán)節(jié)，能更好的抑制發(fā)電機(jī)突甩負(fù)荷后定子過(guò)電壓水平。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流易于獲得，并獲得較精確的數(shù)值。自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，機(jī)組軸系簡(jiǎn)化，安全性與運(yùn)行可靠性提高。但自并勵(lì)整流系統(tǒng)必須依靠外部提供的起勵(lì)電源，當(dāng)外部系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)對(duì)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)影響較大，機(jī)端自并勵(lì)整流系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)則受到發(fā)電機(jī)端電壓下降的影響，可能會(huì)造成勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電流。因此不適宜在單機(jī)單網(wǎng)、自備電廠中使用。靜態(tài)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的三相短路故障切除時(shí)間較長(zhǎng)，強(qiáng)行勵(lì)磁能力不足，不利于電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，需要對(duì)后備保護(hù)進(jìn)行改動(dòng)。另外它還有一個(gè)較大的薄弱環(huán)節(jié)一一滑環(huán)?；h(huán)屬于滑動(dòng)接觸元件，轉(zhuǎn)子電流會(huì)因?yàn)榘l(fā)電機(jī)容量的增大而增大，所以存在滑環(huán)通流極限的限制，也給滑環(huán)的正常運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)了困難。

3大型同步汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)其它特性分析

3.1經(jīng)濟(jì)性

無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)本身，軸系長(zhǎng)，包含電樞線圈、整流盤、二極管等多個(gè)部件，造價(jià)較高，電廠廠房等成本也會(huì)相應(yīng)增加。而集電環(huán)可以適當(dāng)縮短廠房跨距，不需要?jiǎng)?lì)磁機(jī)基礎(chǔ)，節(jié)約投資。

3.2維護(hù)檢修

無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有電刷，從而規(guī)避了因?yàn)殡娝⒔佑|不良而發(fā)熱的問(wèn)題，也不會(huì)出現(xiàn)電火花，燒壞設(shè)備。發(fā)電機(jī)端部沒(méi)有磨損、清潔度高，維護(hù)工作量小，適用于防爆場(chǎng)合。無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)整流裝置中一旦有故障產(chǎn)生，必須停機(jī)后檢修，維修成本高，并且還有可能影響機(jī)組的正常運(yùn)行。而機(jī)端自并勵(lì)整流系統(tǒng)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)有的會(huì)具備單柜退出更換功率元件的功能，便于不停機(jī)維護(hù)。集電環(huán)裝置缺點(diǎn)主要是由于電刷的存在，使得接觸電阻增大，如果勵(lì)磁電流不斷增大，電刷和滑環(huán)有可能會(huì)因?yàn)榻佑|不良導(dǎo)致持續(xù)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生環(huán)火，燒壞滑環(huán)及刷架，如果電刷質(zhì)量較差，會(huì)嚴(yán)重影響到正常運(yùn)行，產(chǎn)生較高的故障率。此外，磨損產(chǎn)生的碳粉末不僅影響環(huán)境衛(wèi)生，還污染軸承座，損害絕緣，產(chǎn)生安全隱患。由于電刷存在磨損，運(yùn)行人員要經(jīng)常巡視、更換電刷，大大增加了日常維護(hù)的工作量。但集電環(huán)裝置沒(méi)有旋轉(zhuǎn)設(shè)備，檢修方便，工作量小。

3.3軸電壓

因自并勵(lì)靜止系統(tǒng)存在300HZ鋸齒波形和油膜對(duì)地分布電容，從而形成軸對(duì)地電壓。經(jīng)實(shí)測(cè)，當(dāng)軸對(duì)地的峰值電壓可達(dá)35V以上，如不采取措施，可能因擊穿油膜而損壞軸承和軸瓦，設(shè)置在整流裝置的電阻，電容形成軸電壓抑制器控制。無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的軸電壓非常小，影響可以忽略不計(jì)。

3.4滅磁方面

當(dāng)發(fā)生電氣短路或接地故障的情況下，為減小故障帶來(lái)的損失，發(fā)變組應(yīng)盡快將故障清除。由于自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)具有滅磁開(kāi)關(guān)，可以對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線路進(jìn)行直接滅磁，因而滅磁時(shí)間短。而無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，不可能設(shè)置發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)滅磁開(kāi)關(guān)，因而不能對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路直接滅磁，只能自然衰減滅磁，滅磁時(shí)間長(zhǎng)，故障電流衰減慢，延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的時(shí)間。如果沒(méi)有發(fā)電機(jī)出口斷路器，主變壓器的內(nèi)部故障，由于發(fā)電機(jī)的故障電流的慢衰減，可以持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間。

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