大型水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)設計的新理念

1、大型水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)設計的新理念批注與討論葛洲壩電廠 黃大可2006年8月20日 清華大學電力系統(tǒng)國家重點實驗室兼職研究員 三峽水電廠勵磁系統(tǒng)高級技術顧問 李基成5.發(fā)電機非全相及失磁異步運行勵磁系統(tǒng)的保護 5.1同步發(fā)電機失步的物理過程 為簡化討論，現(xiàn)以隱極式同步發(fā)電機為例說明失步的物理過程，以標幺值表示發(fā)電機功率，表達式為：（5-1）式中：U為系統(tǒng)電壓，為發(fā)電機內(nèi)電勢Eq與U的夾角，Xd為直軸電抗，Pm為原動機功率。對應的向量圖為51所示。另在圖52中示出了同步發(fā)電機的功率特性曲線圖。 Pm與Pe在功角特性曲線最大值左側(cè)的交點為穩(wěn)定運行點，如圖（53）中的曲線族所示。當發(fā)電機勵磁電流I

2、f減小時，從而也減小了式（51）中的Eq和Pe 。圖（53）中的曲線族由1向2、3、4變動，穩(wěn)態(tài)運行點的功角也隨之增大。當工作點位于曲線3時，如果電磁功率的最大值與原動機功率Pm相等時，此時m90°，發(fā)電機處于臨界同步狀態(tài)。如進一步減小勵磁時， Pe特性降到曲線4或5，發(fā)電機電磁功率在各點均小于Pm ，無法建立穩(wěn)態(tài)運行點，將失去同步。圖5-3中Pas為異步運行時所產(chǎn)生的電磁功率，為此，正常的進相運行應滿足穩(wěn)態(tài)運行點仍處在Pe的幅值大于Pm的范圍內(nèi)，并留有一定裕度區(qū)域內(nèi)，以保證機組的同步運行穩(wěn)定性。 圖5-2 隱極同步發(fā)電機相量圖圖5-3 發(fā)電機失磁失步階段歷程圖1同步振蕩階段；2從同

3、步過渡到異步階段；3穩(wěn)態(tài)異步運行階段5.2失磁失步運行方式的特征 發(fā)電機進相運行時，勵磁電流低于空載額定電壓時勵磁電流值，此時發(fā)電機將從系統(tǒng)吸收無功。但其功角特性的幅值仍大于原動機輸出有功Pm（見圖5-3的曲線2），故仍可與系統(tǒng)同步運行。當發(fā)電機失磁時，其功角特性的幅值將小于原動機輸出有功Pm （見圖5-3的曲線4或5）。除了從系統(tǒng)吸收更多的無功外，由于以無足夠的電磁功率來抵消原動機輸出，因而發(fā)電機將持續(xù)加速，轉(zhuǎn)差率S和功角增大，直至與系統(tǒng)失步。由此可見，發(fā)電機失步主要是由電磁功率Pe幅值是否大于原動機輸出功率Pm所決定的，其后將過渡運行到如下兩個階段：（1）暫態(tài)異步運行階段發(fā)電機失磁失步后進

4、入暫態(tài)異步運行階段，此時由于轉(zhuǎn)差率S的存在，將在轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組、槽齒和槽鍥中感應出按轉(zhuǎn)差頻率變化的電流和脈動磁場，此磁場又可分解為一對轉(zhuǎn)速相同、方向相反、幅值為脈動磁場一半的正反向旋轉(zhuǎn)磁場F+和F-，前者僅引起有功和電流的擺動，其幅值與轉(zhuǎn)子d軸與q軸在結(jié)構(gòu)上的不對稱度有關；后者與定子旋轉(zhuǎn)磁場同步，產(chǎn)生制動性的轉(zhuǎn)距-異步轉(zhuǎn)距Mas,從而產(chǎn)生異步功率Pas（見圖5-3），Mas可用下式表示： （52） 可見當發(fā)電機失步后轉(zhuǎn)子將加速。由式（5-2）可看出轉(zhuǎn)差率S越大，則Mas越大，從而Pas越大。同時發(fā)電機的調(diào)速器為保持轉(zhuǎn)速恒定也將動作減少原動機出力Pm，當下降的原動機功率Pm與上升的因滑差S產(chǎn)

5、生的暫態(tài)異步功率Pas相等時，發(fā)電機就將結(jié)束暫態(tài)異步運行，而進入穩(wěn)態(tài)異步運行階段。（2）穩(wěn)態(tài)異步運行階段穩(wěn)態(tài)異步運行的特點是Pm與Pas相等，不平衡轉(zhuǎn)矩為零，因此發(fā)電機仍然可以穩(wěn)定輸出有功功率，但卻從系統(tǒng)吸收大量的無功，而且轉(zhuǎn)子以一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)差率SK高于旋轉(zhuǎn)的磁場轉(zhuǎn)速運行。水輪發(fā)電機的Xd，Xd，Xd之間和Xq與Xq之間差值較大，故由式（5-3）可知異步轉(zhuǎn)矩也較大，可較快進入穩(wěn)態(tài)異步運行。對于無阻尼繞組水輪發(fā)電機，由于Xd= Xd，Xd= Xd由式（5-2）可知，其轉(zhuǎn)矩中Xd和Xd為零，Mas較小，需經(jīng)過較長時間的暫態(tài)運行時間產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)差率后，才能進入穩(wěn)態(tài)異步運行。 對于有阻尼繞組水輪發(fā)電機

6、組，其特性介于前兩者之間，三種不同參數(shù)機組的特性如圖5-3所示。應特別指出的是，由于水輪發(fā)電機須在較大轉(zhuǎn)差率下才能獲得足夠的異步轉(zhuǎn)矩，達到穩(wěn)態(tài)異步運行的時間也較長，此時在阻尼繞組回路中引起的電流也較大（因阻尼繞組匝數(shù)較?。?，導致阻尼繞組過熱的情況有時會引起阻尼繞組的燒毀，這種事故不乏實例，例如四川太平驛第一水電廠40MW水電機組，湖南拓溪50MW水電機組均發(fā)生過失磁而導致機組阻尼繞組燒毀的情況。圖5-3發(fā)電機的平均異步轉(zhuǎn)矩特性對比關于水輪發(fā)電機在失磁暫態(tài)異步運行狀態(tài)下，有關阻尼繞組中暫態(tài)電流的計算方法文獻中報道極少。在文獻（4）中，根據(jù)多臺水輪發(fā)電機在不對稱運行時阻尼繞組渦流分析的實測結(jié)果，進

7、而間接推廣到水輪發(fā)電機在失磁異步運行狀態(tài)下，阻尼繞組中電流的估算。下面是一臺SF65-24/6440型65MW水輪發(fā)電機阻尼繞組感應電流估算方法。發(fā)電機額定電壓10.5KV，額定定子電流4205A，額定功率因素0.85，額定轉(zhuǎn)子電壓198V，額定勵磁電流1021A。1.阻尼繞組端環(huán)極間連接銅片的電流I，用于下列公式估算IK=KIS （5-3）式中：K-實測系數(shù)，通常0.81.0之間；IS-經(jīng)校正的定子轉(zhuǎn)差電流IS=IGM（nn-nr）/ nn （5-4）式中：IGM -失磁異步運行時的最大定子電流，對本機IGM =11008A； nn-額定轉(zhuǎn)速R.P.M，對本機：nn=250R.P.M；nr

8、-失磁過程中水輪發(fā)電機組的最大轉(zhuǎn)速，對本機實測nr=422R.P.M；將上列數(shù)據(jù)代入式（5-4）中求得IS =11008X(250422） /250=11008X0.688=7573A將IS代入式（5-3）中求得流經(jīng)阻尼繞組連接片的電流為：IK=KIS (0.81.0)X7573=(6058.807573.50)A相應電流密度JK= IK / S （5-5）式中S-極間連接銅片的截面積，對實驗機組S=（10mm×20 mm）=200mm2代入式（5-5）中求得：JK = IK /200=30.2937.88（A/mm2）根據(jù)運行記錄，極間連接銅片，在電流密度30.29-37.88A/

9、 mm2的過電流情況下，持續(xù)運行一分鐘，結(jié)果導致極間連接片在過熱最嚴重處熔斷燒毀。2.磁極上阻尼銅條的電流磁極上阻尼銅條的電流ID，用下列公式估算：ID=KSIS （5-6）式中:KS-實測系數(shù)，通常在0.220.25之間；IS 校正的定子轉(zhuǎn)差電流，由前計算Is=7573.50A則: ID =(0.220.25)X7573.50=1666.17 1893.38（A）；相應阻尼銅條電流密度：JD=ID/SD （5-7）式中SD為阻尼銅條的截面積，其值SD=3.14（d/2）2(d為銅條,直徑10 mm)，則: JD=21.22 24.12A/ mm2由此可見，阻尼銅條的電流密度也較大，局部過熱，

10、高溫將有可能將阻尼繞組燒損，事故后觀察在磁極表面呈現(xiàn)明顯的燒焦實況。（3）失磁異步方式的保護 如上所述，當發(fā)電機失磁后將進入異步運行狀態(tài)，通常在發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路中引起異常的過電壓。當使轉(zhuǎn)子交變過電壓達到轉(zhuǎn)子過電壓回路整定值時，由非線性電阻構(gòu)成的過電壓保護回路導通，并流過交變的過電流。由于定子側(cè)感應到轉(zhuǎn)子勵磁側(cè)的能量是不斷累加的，最終將導致將過電壓保護回路中的非線性電阻燒毀并造成柜體大范圍的損傷，在水、火電廠中這類事故多次發(fā)生。其后由于在異步運行過程中，在定子繞組存在交變的安匝，而轉(zhuǎn)子勵磁繞組側(cè)因失磁而開路，此時與定子平衡的將在匝數(shù)較少的阻尼繞組回路中平衡。由于阻尼繞組匝數(shù)較小，為此其平衡電流將遠

11、超其額定值，引起高達十幾倍的過電流。在失磁保護拒動的情況下，最終將導致阻尼繞組的燒毀，同樣在諸多水電廠中這類事故也不只一次發(fā)生，在當前已成為危害大型水電機組安全運行的首要待解決的重要課題之一。（4）采用線形電阻，吸收失磁時引起的異步運行功率眾所周知，由于線型電阻的材質(zhì)具有較高的熱容量，例如以康銅材質(zhì)構(gòu)成的線形電阻其熔點溫度可達900，鎳銅可達1000，鐵鈦材質(zhì)可達1200，當水輪發(fā)電機出現(xiàn)大滑差異步運行狀態(tài)時，可考慮通過以常閉接點在轉(zhuǎn)子繞組兩端并聯(lián)接入線性電阻，產(chǎn)生宜于和可與定子繞組交變安匝相平衡的安匝，這樣，在短暫的時間內(nèi)（例如幾分鐘）可承受消耗連續(xù)不斷的由發(fā)電機定子側(cè)感應到的轉(zhuǎn)子側(cè)的異步交

12、變能量，這樣在發(fā)電機失磁保護拒動情況下的一段暫短時間內(nèi)，定子側(cè)的交變安匝仍由匝數(shù)較多的勵磁繞組通過線性電阻構(gòu)成平衡安匝回路。在短暫時間內(nèi)，可為失磁保護既后備保護的投入創(chuàng)造了條件，有效防止了因機組失步導致過電壓保護非線性電阻以及阻尼繞組燒毀的事故發(fā)生。（解決轉(zhuǎn)子失步異步運行的最直接方法是：盡快跳開發(fā)電機出口斷路器。采取的方法就是檢測過電壓吸收電阻的電流或者電壓，一旦電阻電流或者電壓超過整定值，馬上跳滅磁開關、跳出口斷路器。Siemens，ABB，GE，RR，維奧等國外勵磁系統(tǒng)都采用此方法。強烈建議我國勵磁廠家采用這個方法）6 結(jié)論與建議1對于三峽機組容量級的大型水輪發(fā)電機組，采用具有固定高起始響

13、應性能的自勵勵磁系統(tǒng)已成為一種發(fā)展的主流，但是在選擇勵磁變壓器的二次額定電壓時，應兼顧到電力系統(tǒng)的需求和保證機組長期安全運行的基本要求，不應片面追求高參數(shù)，結(jié)果導致保證系統(tǒng)穩(wěn)定的作用并未明顯見效。但因采用過高參數(shù)（特別時勵磁變壓器二次額定電壓的不適當選擇）（非常贊成，廣泛宣傳，引起共識）卻引起了正常運行中機組勵磁系統(tǒng)的事故不斷發(fā)生，在國內(nèi)以及引進機組中這類沉痛的教訓屢有發(fā)生。選擇較高陽極電壓所帶來的一些負面影響，并非不可逾越的問題，腳大鞋子小，要改進的是鞋子，而不是切腳指。此外還應特別注意到過高的勵磁變壓器的二次電壓，將使勵磁系統(tǒng)提供的負阻尼轉(zhuǎn)矩進一步增加，導致PSS參數(shù)整定工作更加困難。（應

14、該與PSS參數(shù)整定的易難無關） 2. 在大型水輪發(fā)電機組滅磁系統(tǒng)參數(shù)的選擇上滅磁參數(shù)是為性能和功能服務的，總不能以犧牲基本功能和整體性能來遷就勵磁參數(shù)的選擇，此時真正要反思的不是參數(shù)問題，而是陳舊的觀念和滅磁方式的問題，而文中所謂的滅磁新理念，其立論的基礎和依據(jù)就是錯的，別開玩笑了。應從其基本概念上進行深入地探討與反思，按新理念選擇滅磁電阻的能量。不適宜的滅磁理念，例如按空載誤強勵條件選擇滅磁電阻的容量（現(xiàn)在大都采用此方法，建議大家討論，這是本文的新理念之一。從現(xiàn)在或?qū)砜矗?00MW機組的滅磁容量，三峽設計的最大，其他電廠設計的都比三峽小，李老師的理念得到了支持），以及按發(fā)電機定子三相短路直

15、軸暫態(tài)時間常數(shù)Td3決定滅磁衰減過程，其結(jié)果必然導致選擇了過分的又無濟于解決實質(zhì)問題的冗余設備。根據(jù)發(fā)電機磁鏈守恒原理確定滅磁容量的新概念，可大大簡化滅磁系統(tǒng)的構(gòu)成，并有助于提高滅磁系統(tǒng)的可靠性。同樣地在發(fā)電機突然三相短路條件下，按本文提出的以三相短路轉(zhuǎn)子電流非周期分量時間常數(shù)Ta3 作為估算滅磁電阻容量的依據(jù)是適宜的。（具有創(chuàng)新理念，這是本文中最主要的新理念，建議大家仔細學習和認真討論）按此新理念選擇滅磁電阻的容量，對于三峽容量級機組而言，按上述條件選擇的滅磁電阻最大容量在1012MJ左右，遠小于原設計采用地近24MJ。3.在選擇大型水電機組勵磁系統(tǒng)時，應充分進行交叉專業(yè)之間的溝通與交流，例

16、如發(fā)電機失磁保護與勵磁低勵限制之間的配合，高頻諧波對轉(zhuǎn)子接地保護的影響的協(xié)調(diào)等等。4 在選擇大型水電機組勵磁參數(shù)時，應盡量避免過高參數(shù)的要求三峽機組的滅磁電阻參數(shù)確實過高了，但并不是因為追求高指標，而是因為計算方法不對，自己算不清楚，被人家牽制唿悠，所以技術上的自主創(chuàng)新十分重要，要兼顧到機組正常運行的安全性，設備力求簡單、可靠。5.在選擇勵磁變壓器時應同時考慮到對電壓諧波系數(shù)的影響，過高的電壓諧波系數(shù)會引起勵磁變壓器運行產(chǎn)生過高的噪聲。6.對大功率整流柜采用“在線維修”的新概念，以提高運行的可靠性，是一種保證系統(tǒng)安全運行的適宜選擇。（功率柜刀閘，中國人最早使用，不是一個新概念。五極刀閘倒是一個

17、新設備，值得肯定）7.在發(fā)電機失磁情況下，接入線形電阻并聯(lián)支路是保證勵磁系統(tǒng)安全運行的有效措施之一，在大型水電機組中應予以推廣應用采用“無源零開斷自動滅磁技術”就具備吸收轉(zhuǎn)子回路異步過電壓的能力，并可以綜合解決本文所提及和未提及的一系列滅磁問題。所有批注代表個人觀點，希望有利于對勵磁問題的深入探討，歡迎大家交流。葛洲壩電廠 黃大可。（好理念，但不好應用：由誰判斷？由誰去投入？同滅磁開關如何配合？最好的辦法就是檢測跨接器的電流，一旦電流超過整定值，立即跳閘） 初稿 2003年2月寫于宜昌三峽水電廠 二稿 2004年6月寫于連云港田灣核電站 三稿 2004年8月寫于哈爾濱 四稿 2006年1月寫于廣州