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1、励磁系统改造及相关问题的探讨摘 要：本文对励磁改造过程中设备的选择，一次接线方式及相关保护的配置及整定的问题进行了讨论。并对改造过程中应考虑的问题进行了分析。关键词：励磁、谐波、灭磁1 原励磁系统概况：1.1 励磁系统结构华能上安电厂 1#、2 #机励磁系统为美国 GE 公司生产的 Generrex-pps，它与常规的自并励磁系统的不同之处在于主回路，该系统励磁变压器一次侧取自发电机定子绕组内的三根互成 120的励磁专用的 P 棒。励磁变压器为三相式氢冷，与发电机外壳构成一体安装。功率柜为半控桥加续流二极 管方式，整流器每臂 2 个串联元件，冷却方式为水冷，3 组并联整流器。灭磁方式为交流中性
2、点灭磁。调节器为模拟式调节器，励磁调节器的调节功能由反馈量取自发电机机端 TV（PT）的大闭环和取自发电机磁场小闭环构成，并具有各种限制功能. 1.2 运行中出现的故障及存在问题：触发脉冲板故障；交流阻容吸收保护故障；功率柜冷却水管破裂造成短路跳机。另外，该励磁调节器为模拟式励磁调节器，模拟电路板件很多，元件繁多，结构复杂，故励磁调节器试验工作量大、维护及故障处理困难。模拟电路抗干扰能力差，励磁调节器对运行环境的电磁辐射要求较高，严重时会造成励磁系统故障。模拟式 PSS 装置硬件电路繁多，参数整定困难， PSS 功能一直未投入。标准要求励磁系统电压响应比不大与 0.1 秒。该励磁系统为半控桥，
3、无逆变功能。故电压下降时间难以满足要求。标准要求功率桥支路满足 n-1 原则，即退出一桥励磁系统仍能满足机组强励要求。但该励磁系统退出一柜运行，另两柜只能提供 166%额定励磁电流 1min。标准要求功率装置每个功率元件应有快速熔断器保护，但该励磁系统没有此项配置。标准要求励磁系统应装设自动灭磁装置，灭磁采用逆变灭磁和开关灭磁两种方式，在任何情况下自动灭磁装置必须保证可靠灭磁，且灭磁时间要短。而该励磁系统采用交流中性点灭磁，靠续流二极管及转子回路消磁，也没有逆变灭磁功能，所以灭磁时间常数较大。鉴于以上原因，现有励磁系统已严重威胁机组安全运行，并且备件昂贵，已不适应于现代化电网对励磁调节器的要求
4、，因此进行改造。2 改造方案2.1 保留的部分：a) 考虑我厂机组的特殊性，确定改造方案主原则是一次系统不变，既保留 P 棒、励磁变压器及中性点灭磁方式，其余改造部位一定要与主系统相适应。b) 保留原有 P 棒过流、P 棒中性点过压、转子接地保护。c) 保留励磁变二次电压相不平衡的报警和跳闸保护功能。2.2 改造部分：a) 更换原有的非线性电阻转子过压保护装置。b) 采用跨接器，电子元件触发进行灭磁，提供转子过电压保护。c) 考虑国内成熟产品，采用 n-1 冗余，即 4 个功率柜，3 个功率柜就能满足额定运行和强励。整流柜采用强迫风冷。整流柜加装交直流刀闸。要求晶闸管元件采用满足各种运行工况要
5、求的进口元件。整流方式为三相全控桥，具有逆变能力，晶闸管桥不采用串联设计。d) 将原 P 棒中性点的交流灭磁开关更换为性能参数不低于原开关的进口真空断路器。2.3 技术要求部分：a) 调节器保护跳闸要求：励磁变压器二次侧三相不平衡超过 50%要求跳闸。最大励磁、V/F超限仅要求参与限制，不要求跳闸，但要求有投入、退出跳闸的程序控制。b) 励磁控制用电源要求交、直流两路供电，调节器与触发用电源分开，且稳定可靠，应有电源监视回路。c) 要求需实现双路 TV（PT）冗余功能，TV （PT ）断线保护及报警功能。d) 机组带负荷运行时，应闭锁手动灭磁。3 相关问题分析励磁系统改造后，励磁整流主回路由原
6、来半控桥式整流电路改造为全控桥式整流电路，谐波对励磁变发热及温升带来一定影响应进行分析。整流电流有效值损耗对励磁变温升有影响。当在半控桥式整流电路工作时，直流侧电压与交流侧线电压关系式约为： 2)cos(135.Ud而全控桥式整流电路工作时，直流侧电压与交流侧线电压关系式约为： )cs(.2d上两式中 为励磁变副边线电压； 为直流侧整流电压。2 d由半控桥式整流电路工作原理知，交流侧电流有效值与直流侧电流有效值关系式为： )60(816.02 odII即：交流侧电流与直流侧电流之比随控制角 变化。全控桥式整流电路工作时，交流侧电流与直流侧电流关系为： 对全控ddSII816.032桥而言，其
7、与 角无关。SI励磁变在发电机额定负荷及强励工况时温升最大，故以额定工况和强励工况两种负荷情况来分析采用半控桥式整流电路和全控桥式整流电路时，励磁变不同的温升变化情况。额定工况时：U e =425V U2 =700V = 93.7 则 I2 =0.69 Id强励工况时：U max =790V U2 =700V = 47.9 则 I2 =0.816 Id发电机轻负荷时，即控制角 较大时，半控桥方式下交流侧电流明显小于全控桥方式下交流侧电流，即全控桥励磁变损耗在轻负荷下增加较大。因理论计算与实际测量有一定出入，我们以实际测量为依据。当 P 棒电流为 1000A, 转子电流为 2800A，I s /
8、Id =0.69，若只作粗略计算，全控桥使励磁变电流有效值增加 18% (0.816/0.69=1.18)，发热量的比值为（0.816/0.69 ） 2=1.39，即发热量改全控桥以后将大约增加 39，电流增长在 P 棒额定电流之内。发电机满负荷时，半控桥方式与全控桥方式工作下相比，P 棒电流为 1320A, 转子电流为3300A，I s /Id =0.77，全控桥使励磁变电流有效值增加 6% (0.816/0.77=1.06)，发热量的比值为(0.816/0.77)2 =1.12，即发热量改全控桥以后将大约增加 12。励磁变损耗相差较小，且电流增长在P 棒额定电流之内。从励磁变容量上考虑，在
9、 1.1 倍额定转子励磁电流下，全控桥所需励磁变容量如下：S=Kk U e Ie kz =1.1 70035860.816 = 3.902 MVA 33小于励磁变额定容量 4.1 MVA, 由此可得结论：励磁变容量可满足要求。发电机强励工况下， 60，两种方式工作下，励磁变损耗完全相同。励磁变压器容量设计依据必须满足发电机各种工况下励磁电流的要求，且在风冷或氢冷下还应有 1.1 倍以上冗余。励磁变温升问题在额定负荷及强励工况时最为严重。在这两种工况下，半控和全控相比，其励磁变温升相差很小或完全相同。4 灭磁部分 国内励磁设备生产厂家大多均采用直流侧灭磁，利用直流灭磁开关辅助刀闸接通灭磁电阻灭磁
10、，或用氧化锌材质跨接器对转子过电压进行吸收保护。上安采用 P 棒特殊供电方式，为防止对 P 棒及励磁变产生不可知伤害，并减少投资，建议继续保留交流侧灭磁。因此我们要求改造厂家缜密考虑事故灭磁方式下转子能量消耗、全控桥逆变控制、晶闸管反压选择余度及转子过电压保护问题，给出一科学、有把握的改造设计方案。建议采用逆变灭磁投跨接器加线性电阻灭磁方式，最终确定了以下灭磁方案。a) 发电机灭磁采用逆变灭磁和 P 棒中性点装进口 VD4 1220-50 型灭磁开关灭磁，在发电机正常或故障的情况下能可靠动作灭磁。b) 灭磁电阻采用线性电阻，容量考虑可能出现的最严重的工况。c) 发电机转子过电压保护装置简单可靠
11、，动作电压值高于强励后灭磁和异步运行时的过电压值，低于出厂试验时转子绕组工频耐压试验幅值的 70%，装置动作后能自动记录、自动恢复，不使发电机停机。d) 在强励状态下灭磁时，发电机转子过电压值不超过 46 倍额定励磁电压值。e) 灭磁过程控制分为两种方案：正常停机灭磁和保护停机灭磁。正常停机灭磁：由中控室发出停机信号，该信号先起动励磁系统逆变灭磁，延时 2 秒后，灭磁控制系统发出跨接器起动命令，接通灭磁线性电阻灭磁，再延时 3 秒钟后，灭磁控制系统发出 52E开关跳闸命令，跳开 52E 开关。保护停机灭磁：灭磁控制系统收到保护停机信号后，沿用南通二期灭磁方式，同时发出 52E 跳闸、灭磁跨接器
12、起动和逆变灭磁信号，没有延时控制。f) 线性灭磁电阻投切控制设置两台电子跨接器和一台机械跨接器。电子跨接器起动设置两种：逻辑触发和过压触发。机械跨接器合闸信号由灭磁控制系统发出，当机械跨接器合闸后，延时 10 秒钟自动跳闸，机械跨接器仅在灭磁时使用。g) 氧化锌非线性电阻过电压保护，其动作定值设计按照国家标准要求，依据发电机转子耐压值设计，一般在转子耐压的 50%70% 之间。5存在问题及进一步改进的方案a) SAVR2000 励磁调节器 TV（PT ）断线判据延时过长，有待改进，切换时、易造成过压。（现场已经更改判断逻辑，三相电压无压监测由 0V 改为 80V，TV（PT）切换时间从判断到动作由 0.6s 减少为 0.04s,效果良好）b) 发电机保护跳机，0 秒跳灭磁开关，无逆变过程，灭磁时间常数较大。更改为解列灭磁方式，即逆变 2 秒、投跨接器、3 秒后跳开关。这样，可缩短灭磁时间常数 2 秒以上。为防止事故扩大，P 棒保护动作跳闸，仍采用 0 秒跳灭磁开关方式。
