大型水轮发电机组励磁系统设计新理念

1、公司公司徽标徽标大型水轮发电机组励磁系大型水轮发电机组励磁系统设计新理念统设计新理念 李基成李基成清华大学国家电力系统重点实验室摘要摘要：结合三峡水电厂700MW水轮发电机组励磁系统投运经验和现场的实测结果，从大系统角度出发论述了兼顾电力系统稳定需求和保证励磁系统安全性合理选择励磁参数的必要性。对大型水轮发电机组灭磁系统，从新理念出发提出了灭磁安匝平衡理念，可为今后灭磁系统设计提供有益的依据与借鉴。关键词关键词：三峡机组；静止自励励磁系统；励磁变压器；灭磁主要内容0. 概述概述 1. 水轮发电机励磁系统参数的选择水轮发电机励磁系统参数的选择 2. 灭磁系统设计理念的演绎与发展灭磁系统设计理念的

2、演绎与发展 3. 结语结语 0. 概概 述述 近年来，我国水电建设事业得到了飞跃的发展，以三峡水电厂建成与投运为表征的左岸14台，右岸12台单机容量为700MW水轮发电机组已相继投运。“十一五”期间，我国将又有一批大容量水轮发电机组投入运行，为此，及时总结已投运的大型水轮发电机组励磁系统的设计及运行经验，结合国际励磁控制技术的最新进展，进一步探讨励磁系统设计及参数选择方面一些关键性技术问题，已成为一项重要和迫切的课题。 从新的设计理念出发，开拓新思维，扩大新视野，重点对大型水电机组励磁系统设计的理念进行分析与探讨，并期望文中的结论和建议，在优化大型水电机组励磁系统性能及提高运行可靠性方面有所裨

3、益。1. 水轮发电机励磁系统参数的选择水轮发电机励磁系统参数的选择1 11 1 顶值电压倍数的选择顶值电压倍数的选择 在确定强励顶值电压倍数时，多以正序电压标么值作为评价励磁顶值电压倍数的基础，因为励磁调节器的作用是以机端电压平均值作为控制量的。 受前苏联技术观点的影响，对顶值电压倍数的选择多趋向于高参数，运行结果表明：高顶值励磁电压往往对系统稳定影响并未呈现明显实际效果，却为正常运行带来了事故不断的后果。例如白山水电厂300MW水轮发电机组原采用的自复励励磁系统，其励磁变压器二次侧电压高达1320V，由于二次电压过高，多次造成脉冲变压器及灭磁开关烧毁事故，最终不得不将其励磁变压器二次电压降低

4、到1000V以下，以保证励磁系统的安全运行。类似的事故亦多次发生在葛洲坝水电厂，造成灭磁开关大量烧毁，最终以降低励磁变压器二次电压的措施保证励磁系统的安全运行。 另外，三峡水电厂左岸机组亦发生了类似情况，由于在标书中选用了过高的励磁顶值电压倍数，机端正序电压为0.8 p.u.时，保证2.5倍强励顶值电压，正序电压为1.0 p.u.时顶值励磁电压为3.125倍，其励磁变压器二次额定电压高达1243V，投运后了发现整流电压波形中尖峰电压过高，在2.0倍以上，危及正常安全运行。为此，三峡水电厂不得不采用在功率整流柜交流输入端加设RC滤波器，以降低尖峰过电压的幅值。如果在设计中考虑到励磁顶值电压倍数选

5、择对全局的影响，取一适宜值，上述情况将会有根本性的改善。 事实上，励磁顶值电压倍数的选择，不仅取决于电力系统稳定的要求，而且还受到其他诸多因素的制约，例如：顶值电压的选择影响到功率整流柜、励磁调节器、灭磁系统的安全运行。为此，应全面兼顾到各方面，以便对顶值电压倍数做出正确和合理的选择。1 12 2 受顶值电压倍数影响的因素受顶值电压倍数影响的因素121 整流桥尖峰过电压 整流阳极电压，即励磁变压器的二次额定电压取值越高，在额定状态下整流器将处于控制角值较大的深控状态，由此引起危及整流元件安全运行的尖峰过电压也越高。从运行安全角度出发，期望对阳极电压的选择在满足电力系统稳定要求的同时，应兼顾到励

6、磁系统安全运行的各种因数。当前对我国引进机组的励磁设备运行参数而言，当整流桥阳极电压超过1000V时，可认为已进入高参数范围。 对于大功率晶闸管整流元件反电压参数应用水平而言，用于三峡机组励磁系统中的晶闸管元件最高反向重复峰值电压为5200V，可认为是高参数元件。 另按我国水电机组励磁系统标书编制准则，晶闸管元件所能承受的反向重复峰值电压应不小于2.75倍励磁变压器二次侧最大峰值电压，依此可求出采用上述反向峰值电压为5200V元件的条件下，允许的励磁变压器二次电压有效值为U=5200/(2.751.414)=1337V，对三峡水电厂右岸阿尔斯通机组而言，其励磁变压器额定电压已应用到1264V，

7、接近于极限值，从安全角度而言，显然是不期望的。1.2.2 RC阻容缓冲器的选择 在自励磁系统中，励磁变压器二次额定电压（以下简称阳极电压）的选择取决于强励顶值电压的倍数，顶值电压倍数越高，阳极电压值也越高。另外，接在励磁变压器二次绕组侧的功率整流桥中的晶闸管元件，在换相中存储的能量将由与整流元件并联的RC阻容缓冲器旁路并消耗，存储与消耗能量之间应达到平衡并有一定的吸收容量储备，否则将导致吸收换相能量的阻容元件的烧毁，进而引起整流桥相间短路等严重事故。这类事故在国内水、火电厂中曾多次发生。例如：扬州第二发电厂美国西屋公司600MW汽轮发电机组以及珠海发电厂美国西屋公司740MW汽轮发电机组励磁系

8、统均发生过由上述原因导致整流柜严重烧毁的事故。 由阻容阻尼器吸收的能量Wu，根据美国西屋公司推荐的计算表达式为： 式中: C为阻尼器中电容值，F； f为电源频率，Hz；U为励磁变压器二次额定线电压，V。 由式（1）可看出，阻容阻尼器吸收的换相磁场能量与外加电压的平方成正比，如分别取励磁变压器二次电压值为1000V及1243V（三峡右岸阿尔斯通机组励磁数据），此时由阻尼器吸收的能量比将为 倍。 由此可见，励磁变压器二次侧的阳极电压越高，与整流元件并联的吸收换相能量阻尼器的容量也越大，而且其容量与励磁变压器二次额定电压的平方成正比，一旦换相阻尼器的允许容量小于阻尼器吸收的能量Wu，将引起阻容缓冲器

9、元件的烧毁，进而导致整流柜相间短路的严重事故。在诸多大型水电机组励磁系统的标书中，多的是片面强调强励顶值电压倍数的高参数选择，而极少考虑到由此引起的危及励磁系统安全且运行的其他方面的影响。 1.2.3 对电力系统稳定器PSS参数的影响 选用过高的强励电压倍数，还将引起由励磁系统提供的负阻尼转矩进一步增长，从而给电力系统稳定器的频率参数整定带来更多的困难。对此，在当前还未被国内励磁界同仁所重视并认识到其负面的影响。1.2.4 发电机空载误强励转子电流的影响 对于大型水轮发电机组，目前基本上选用静止自励励磁系统作为典型励磁方式。对于以发电机端电压为电源的自励励磁系统，在空载误强励条件下，发电机转子

10、励磁电流因受机端电压大于额定值的影响，在极限状态下会达到3倍及以上的额定励磁电流,选用过高的顶值励磁电压倍数，会引起更高的危及到转子励磁绕组的安全运行的励磁电流值。 应强调指出的是：对于大型水轮发电机组而言，为防止其机端过电压危及到发电机定子绕组的安全，按相关规程规定均设有过电压保护，其整定值为1.3倍额定电压值，延时为0.3s。这一整定值是沿袭了过去水轮发电机均采用直流励磁机条件下的设定值一直至今。 但是，对均采用自励励磁系统的大型水轮发电机组，仍采用这一设定值，在发电机空载误强励条件下有可能对发电机的安全运行带来不可估量的严重的后果。 发电机静止自励励磁系统性能特征显著不同于直流大励磁机励

11、磁系统的一点是，在过电压保护动作后及延时过程中，由于发电机的励磁电流是随机端电压的变化而继续上升的，诸多的励磁系统仿真试验表明：当过电压保护达1.3倍设定值时，对应的转子励磁电流约为额定励磁电流值。在其后0.3S的延时过程中，由于发电机励磁绕组磁路处于饱和状态，励磁电流增长速度极快，有可能使发电机电压增加到（1.41.5）倍额定值，发电机转子电流也会增加到使发电机磁路近于饱和的程度，在高顶值直流励磁电压以及高倍数转子励磁电流的作用下，将导致磁场断路器断流困难或发生不能断流的事故，其后果将使发电机励磁电流达到危及转子励磁绕组安全的水平。在采用直流励磁机励磁系统时，在过电压保护动作后及延时过程中，

12、由于发电机电压是不变的，始终保持1.3倍额定值，不会在自励励磁系统和空载误强励条件下发生引起转子电流严重过载的情况。 鉴于当前包括三峡水电厂700MW机组在内的大型水轮发电机组过电压保护均沿用1.3倍额定电压及0.3s延时值，在发生空载误强励条件下存在导致磁场断路器断流不成功，发电机转子回路严重过流的危险。审时度势，取消0.3s延时是十分必要的，这将为大型水轮发电机组的安全运行提供更可靠的保证。2.灭磁系统设计理念的演绎与发展灭磁系统设计理念的演绎与发展 对于水轮发电机机组,一般认为:由于发电机转子磁极具有凸极结构,转子绕阻回路阻尼效应较弱,在灭磁时大部分的磁场能量由灭磁回路吸收,对灭磁电阻的

13、容量提出了更加苛刻的要求。按传统灭磁理念确定灭磁电阻容量可的方式有： （1）发电机空载灭磁； （2）发电机额定灭磁； （3）发电机强励灭磁； （4）发电机空载和负载失控误强励灭磁； （5）发电机突然三相短路灭磁。 发电机及变压器内部故障时引起的灭磁能量小于上述5种灭磁方式之一的相应值。前3种灭磁方式中,以强励状态时的灭磁能量为最大,通常强励电流为2倍的额定励磁电流,在励磁绕组中存储的能量远大于额定及空载状态的磁场能量。 但是理论分析及运行实践表明:强励状态时的灭磁容量和空载误强励以及发电机突然三相短路时引起的灭磁容量比较仍是较小的。为此,灭磁容量的选择取决于后2种方式灭磁容量的最大者，显然依此

14、选择灭磁电阻容量将可完全满足上述5种灭磁方式对灭磁容量的需求。 下面分别对后2种灭磁电阻容量的选择作进一步的分析。2.1 2.1 电机空载失控误强励灭磁状态的分析电机空载失控误强励灭磁状态的分析 首先讨论发电机空载误强励的灭磁状态，在此灭磁方式下，应注意到灭磁过程具有以下几点明显的特征： 由于励磁系统失控，导致晶闸管整流器的控制角接近于最小设定值,励磁系统所有的限制功能均处于失效状态，对于发电机空载失控误强励状态而言，励磁电流的增长是随定子电压的升高而增加的，同时随励磁电流的增加，转子磁路饱和程度的加大，促使转子电流的增加速度进一步加快，直至发电机定子过电压保护动作对发电机进行灭磁。此外还注意

15、到在此过程中随发电机电压变化的励磁电压的增量变化是瞬时完成的，而转子电流的增量变化则决定于对应的由转子磁路的饱和程度所决定的发电机空载时间常数。总的来说这是一个励磁电压源变化引起转子电流变化的过程，两者之间受动态饱和的转子励磁绕组时间常数的影响。但是应强调的是：在励磁电流增长过程中任一瞬间的发电机的电压值总是与发电机稳态空载特性曲线确定的转子电流对应的。例如当定子电压为1.3倍额定值时，此时的转子电流大约与发电机额定励磁电流相当，其后经过0.3s过电压保护延时动作后，跳磁场断路器进行灭磁。 为此，对空载失控误强励工作状态的灭磁，以过电压保护动作后对增长中的转子电流进行截流的灭磁理念是适宜的。

16、考虑到过电压保护动作电压1.3倍额定电压无延时动作跳磁场断路器时，相应开断转子励磁电流与额定励磁电流相当，如果经0.3s延时，相应的发电机电压可能增加到（1.41.5）倍，同时由于发电机空载特性曲线工作点已处于饱和状态，转子电流已近于3倍额定励磁值以上，在这种调节下，加重了磁场断路器的开断负载，甚至导致断路器开断的失败，为此，为保证磁场断路器的开断成功，在大型水轮发电机自励励磁系统中，取消1.3倍过电压保护的0.3s延时是十分必要的。 至于励磁系统发生负载误强励时，发电机仍在电网中并联运行，其端电压仍为额定值，但是由于励磁调节器处于误强励状态，整流桥控制角为最小值，转子电流将急剧增加。对三峡机

17、组而言，最终转子电流值将达到2.5 /0.8=3.125 , 将危及到发电机励磁绕组回路的安全。对此应以发电机和励磁变压器的过流保护作为对转子电流进行“截流”的主要措施。过流保护动作值以及延时设定值应以保证发电机定子及转子绕组回路的安全运行为首要约束条件，并以此确定灭磁电阻容量。显然，以稳态转子电流而不以“截流”时的转子电流作为选择灭磁电阻容量的依据，这一理念是不正确的。2 22 2 发电机突然三相短路灭磁发电机突然三相短路灭磁 理论分析表明：发电机空载额定时定子侧突然三相短路时，计及周期分量转子电流最大值 可以由下式求得： 式中：K为系数，为1.051.10； 为发电机稳态和暂态直轴同步电抗

18、，p.u.； 为发电机空载励磁电流，A。 在发电机定子突然三相短路过程中，转子电流最大值不超过3 。转子回路励磁电流的变化曲线见图1。图1 发电机定子三相突然短路时转子励磁电流的变化通常此曲线可作为确定发电机灭磁电阻容量的依据。 当发电机定子侧发生三相突然短路后，经过一定的故障持续时间，通常不超过0.1S，磁场断路器动作并接入灭磁电阻后，此时转子非周期分量的直流电流将按相应定子绕组三相短路时间常数而衰减，如图1所示。当发电机定子绕组突然发生三相短路故障时，按传统灭磁理论，将依下列思路确定灭磁电阻容量： 在三相短路暂态过程中，定子短路电流在转子绕组中感应的电流分别由非周期、次暂态分量以及周期分量

19、三部分电流所组成。由于定子短路电流产生的与转子回路耦合的磁链对转子回路为去磁作用，从三相短路开始瞬间至灭磁左右开始前期间，转子磁路处于不饱和状态，转子电感为常数，并依此作为计算存储在转子励磁绕组中的磁场能量的依据，而不饱和转子电感值则由与发电机定子三相短路相应的直轴暂态时间常数 予以确定，传统的灭磁计算理论均基于此基础。传统的灭磁计算理论均基于此基础。依此理念，对三峡VGS型机组而言， 3.2s，相应转子绕组不饱和电感: 相应磁场能量 按此式计算的磁场能量高达30MJ以上。 但是，无论从励磁系统仿真计算机结果，还是从发电机三相突然短路实测试验结果来看，在发电机突然三相短路过程中，转子电流的衰减

20、过程是及其迅速的，远远快速于按发电机定子三相短路直轴暂态时间常数 决定的衰减过程。 图2中示出了三峡机组发电机三相突然短路时的发电机定子及转子电流的仿真计算结果，可看出转子电流整个衰减过程在0.6s左右，基本上与定子绕组三相短路时间常数 相对应，而不是由三相短路直轴暂态时间常数 所决定，对三峡VGS型机组而言， 0.32s而 =3.2s，为此在估算磁场灭磁电阻容量时，可用与实际结果相近的时间常数 来估算相应磁场能量是适宜的，其结果具有工程应用上的实用性。 图2 三相发电机组定子三相突然短路仿真试验结果 另外，三峡机组真机在进行55额定电压三相突然短路时所录取的转子电流衰减全过程实测结果来看，转

21、子电流衰减全过程在1s左右（图3），同样也近似是按 0.32s衰减的，更进一步证明了上述工程估算灭磁理念的正确性。图3 三峡机组55额定电压突然三相短路定子电流及转子励磁电流的变化曲线 此外，发电机三相突然短路时，转子电流非周期分量最大值按ANSI/IEEEC37.18标准建议值为3 。但是在确定灭磁电阻容量时，不应以此电流作为选择磁场存储能量的依据，因为在切除外部故障瞬时，通常短路持续时间在0.1s以内，此时衰减的转子电流非周期分量，已接近于60%70%初始值，使灭磁电阻所承受的灭磁容量更进一步大大降低。 再次，还应注意到当接入灭磁电阻后，转子电流将按比原时间常数更小的等效响应时间常数而衰减

22、，这将使灭磁过程进一步加速结束。 另外，在选择灭磁电阻的容量时还应该考虑到灭磁电阻短路时的过载能力，这样依据本文提出的灭磁理念，可使灭磁电阻标称容量的选择更加合理。 应该强调的是：在发电机定子突然三相短路时，此时相当于电制动过程，将有大量的磁场能量消耗在定子绕组中，在估算发电机突然三相短路灭磁能量时，应予以考虑，其影响必将有助于降低灭磁电阻的容量。2.32.3按发电机磁链守恒原理确定灭磁容量的新概念按发电机磁链守恒原理确定灭磁容量的新概念 虽然对传统灭磁理念进行了修正，但这种修正仍是不完善的，因为实际上在灭磁过程中，特别是发电机转子电流的变化并非按灭磁前工作方式所确定的初始值而变化的，而是依据

23、发电机磁链守恒原理做阶跃式的变化。作为实例，可从图4所示的水轮发电机甩负载励磁系统的示波图得到正确的结论，测试机组为三峡700MW水轮发电机组，甩负载前有功负载350MW，无功141Wvar；甩负载后发电机频率瞬时上升f34 ,机端电压上升瞬时5 。因此，应特别关注发电机甩负载后，转子励磁电流值由额定励磁电流值瞬时跌落到近似于空载额定励磁电流值，其后逐渐上升到空载额定励磁电流值。图4清晰地说明了在灭磁过程中转子电流并不是按初始值和相应的时间常数进行衰减的，而是以近似按空载励磁电流进行衰减的，这一物理现象可以理解为由于发电机磁场回路遵循磁链守恒原则，当发电机突然甩负载后，由于定子安匝急剧下降到零

24、值，为遵循磁链守恒原则，保持发电机磁路中气隙合成电势不变，转子电流必须下降到与合成气隙电势相对应的数值，此电流近于空载励磁电流值。在甩负载过程中，甩负载前储存在发电机磁场回路的能量，部分的通过气隙分配到各耦合电磁回路以及消耗在接在发电机升压变压器高压断路器断口中，其后的灭磁过程将等同于发电机空载灭磁。 基于上述发电机磁链守恒基本概念，对于发电机其他负载运行方式的灭磁，例如发电机额定灭磁以及强励状态下各种灭磁的灭磁方式，一旦发电机高压侧出口断路器跳闸，其灭磁容量均可以按空载灭磁考虑。 作者这一灭磁理念，与美国GE公司考虑灭磁能量的观点，即带负载的发电机，一旦主断路器跳闸，不论其原始励磁电流如何，

25、均可按发电机空载状态作为选择灭磁能量的依据是一致的。 至于发电机突然三相或两相短路以及单相对地短路等故障方式的灭磁，概括起来基本有2种：第一种是故障发生后在图4 水轮发电机甩负载时励磁系统各参量的变化相应继电器保护作用范围内通过总出口继电保护跳闸发电机出口断路器及灭磁磁场断路器进行灭磁，其后灭磁过程类似于空载灭磁，仍可按发电机空载灭磁考虑灭磁电阻的容量；第二种是当发电机机端发生直接短路时，由于发电机主断路器分断后无法切除短路点，定子仍处于短路状态，发电机转子电流的变化将分别按次暂态、暂态而衰减，在灭磁磁场断路器动作后，流过灭磁电阻的电流视故障方式而定，一般来说，此时的灭磁容量远大于空载灭磁容量

26、，其后继电保护动作，跳磁场断路器进行灭磁。但是应该说明的是在发电机采用分相封闭母线情况下发电机发生三相直接短路的机率是极低的。如果认为有必要，可考虑选择一种合理的短路方式，例如两相短路或单相接地等故障作为选择灭磁电阻容量的依据是可行的。2 24 4 灭磁时间灭磁时间 对于大型水轮发电机励磁系统灭磁时间的定义不尽相同，通常应用较多的有以下几种：（1）按发电机端电压下降到接近残压或小于500V作为灭磁时间，因为当定子电压小于500V时铁芯接地故障点的电弧会自动熄灭。（2）按发电机转子电流为零的时间，定义为灭磁时间。（3）按合同规定，当转子电流下降到10初始值定义为灭磁时间，例如对于三峡水电厂机组的灭磁系统以及委内瑞拉古里（）水电厂机组的灭磁系统外商即采用这一定义标准。对于灭磁时间的定义应该明确是：以发电机电压为零定义灭磁时间最为直接反映灭磁的效