自并励励磁装置[摘要] 结合上海南市发电厂60MW自并励汽轮发电机组的运行情况，对自并励接线方式，励磁变的选择，自并励的起励、试验电源，保护可靠性等分别予以讨论。

[关键词] 自并励励磁装置探讨在发电机的各种励磁方式中，自并励方式以其接线简单，可靠性高，造价低，电压响应速度快，灭磁效果好的特点而被广泛应用。

随着电子技术的不断发展，大容量可控硅制造水平的逐步成熟，大型汽轮发电机采用自并励励磁方式已成为一种趋势。

国外某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。

近二十年来，美国、加拿大对新建电站几乎一律采用自并励励磁系统，加拿大还拟将火电厂原交流励磁机励磁系统改为自并励励磁系统。

在国内，虽然国产大中型机组大都采用三机励磁方式，但近年来进口的大中型机组大都装备的是自并励励磁系统，对于600MW以上汽轮发电机组，自并励励磁已基本成为定型方式。

随着电网的不断扩大，对于大型机组业界人士也越来越倾向于采用自并励方式。

因为从国内外运行情况来看，采用自并励励磁和附加励磁控制，已成为改善电力系统稳定性的有效措施。

南市电厂#10发电机(60MW)自基建投运即使用自励半导体励磁系统，具体接线型式为一台励磁变压器并联在发电机机端(主变压器的低压侧)，属自并励型式(简称机端励磁)。

由于种种原因，该装置自1999年6月19日至2000年2月间，多次发生故障，并经历了一次小系统运行。

本文就对该发电机励磁装置运行、维护谈谈自并励汽轮发电机励磁电源的几个问题: 自并励接线方式，励磁变的选择，自并励的起励、试验电源，保护可靠性等。

1 自并励装置特点自并励静止励磁系统由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、发电机灭磁及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。

以南市电厂#10发电机的WKKL型微机型自并激励磁系统为例，整套装置由两台调节柜(一台运行，一台备用)，三台整流柜(正常时单柜运行)，一台灭磁电阻柜及一台转子开关柜组成。

自并励静止励磁方式与旧有的励磁方式相比，具有以下几方面的优点。

1.1 励磁系统可靠性增强旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的一部分，但由于自并励静止励磁方式取消了旋转部件，大大减少了事故隐患，可靠性明显优于交流励磁机励磁系统，而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。

该励磁系统对运行、维护的要求相对较低。

1.2 电力系统的稳态、暂态稳定水平提高由于自并励静止励磁系统响应速度快，电力系统静态稳定性大大提高。

自并励方式保持发电机端电压不变，对单机无穷大系统静态稳定极限功率为:Pmax=VgVs/Xe，(1)式中Vg--机端电压;Vs--系统电压;Ve--发电机与系统的等值电抗。

而常规系统在故障过程中只能保持发电机暂态电势Eq′不变，其极限功率为:Pmax'=Eq'Vs／(Xe+Xd')，(2)式中Eq'--发电机Q轴暂态电势;Xd'--发电机D轴暂态电抗。

根据公式(1)和(2)计算得出Pmax大于Pmax'，说明大大提高了静态稳定极限。

对于可能引起的系统低频震荡，可采用先进的控制规律或配置PSS电力系统稳定器加以解决。

发电机出口三相短路是自并励静止励磁系统最不利的工况，此时机端电压及整流电源电压严重下降，即使故障切除时间很短，短路期间励磁电流衰减不大，但在故障切除后机端电压的恢复需一定的时间，自并励系统的强励能力有所下降。

为解决这一问题，在系统设计中计算强励倍数时，整流电源电压按发电机额定电压值的80%计算，即机端电压为额定时强励能力提高25%，且目前大中型机组发电机出口均采用了封闭母线，发电机端三相短路可能性基本消除。

因此，自并励系统强励倍数高，电压响应速度快，再加上选择先进的控制规律，能够有效地提高系统暂态稳定水平。

1.3 减少发电机轴系扭振及机组投资自并励静止系统与三机励磁系统相比，取消了主、副励磁机，缩短了机组长度，减少了大轴联接环节，因而缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性，同时降低厂房造价，减少机组投资。

2 自并励接线方式2.1 接于发电机出口母线这是自并励的典型接线方式，励磁电源取自发电机机端并联变压器。

接线方式比较简单，只要发电机在运行，就有励磁电源。

该接线方式可靠性高，当外部短路切除后，强励能力便迅速发挥出来。

缺点是励磁电源受机端电压影响，当线路首端发生三相短路故障时，由于机端电压下降，会使强励作用有所减弱，对暂态稳定不利，在负荷中心的发电机则可能对系统的电压稳定产生影响，如果较长时间短路未被切除，则不能保证励磁。

目前现代大型机组大都采用单元接线方式，发电机经封闭母线接到变压器后直接接至高压电网，发电机出口三相短路的可能性很小，其产生的不利影响可按升压变高压侧故障考虑。

对于机端单相接地故障(占短路故障总数的80％左右)，机端电压可达0.7P.U以上，仍可有效进行强励。

而且对于这种接线方式，机端故障后应切除发电机，自并励的缺点并不影响发电机。

对于发电厂高压母线出口近端三相短路，虽然母线电压大幅度下降会影响强励倍数，但现代电网大都配有快速动作的继电保护装置及快速断路器，能够将短路迅速切除(0.1-0.2s)，短路故障一旦切除，发电机电压迅速恢复，强励能力也就跟着恢复。

可以说采用现代技术的继电保护及快速断路器，不但弥补了自并励励磁系统在这方面的缺点，而且对保持暂态稳定来说，快速切除故障比提高励磁系统性能更为重要。

如果不能迅速地将近端三相短路故障切除，即使采用其它励磁方式，也不能维持发电机的暂态稳定。

由于采用机端励磁电源，靠发电机剩磁无法建立电压，需要外加起励电源，另外，在机组调试阶段及机组大修后进行发电机特性试验时，还需要一大容量的试验电源。

2.2 接于厂用母线这种接线方式不需要起励及试验电源装置。

但当外部短路切除后，厂用电动机在转速恢复过程中吸收大量无功电流，在厂用变压器上造成较大的电压降落，影响厂用母线电压及时恢复正常，从而影响励磁装置的强励能力。

另外，励磁变通过厂用变这个中间环节供电，不但增加了厂用变压器的容量，而且受厂用电运行情况的影响，供电可靠性差。

因此，这种接线方式要求所在厂用母线具有相对独立性，并有可靠自投的备用电源，而且最好投入之后母线电压能保证额定值的85％以上。

2.3 接于系统侧励磁电源直接取自发电厂升压站高压母线，可以解决起励电源及试验电源问题。

但是对于这种接线方式，当系统发生事故发电机跳闸后，由于系统电压低，励磁装置不能主动地恢复正常; 在系统电压极低的情况下，往往可能失去励磁。

另外从投资经济角度上来说，励磁变接于升压站母线，升压站就需增加一间隔，需加装断路器、隔离刀闸、接地刀闸等一次设备，增加了设备投资及设备维护量，并且这种接线方式受运行方式影响较大，可靠性不是很好。

比较三种接线方式，接于机端发电机出口母线是一种简单、优先的方案。

南市电厂#10发电机励磁电源接线方式为主变低压侧接线(见图1)。

下面问题的讨论仅限于第一种接线方式，即励磁变接于发电机出口母线。

3 励磁变的选择励磁变绕组的联接组别，通常为Y，yo，对于副方电流大的情况下，采用Y，dll组别。

励磁变就设计和结构来说，与普通配电变压器一样，短路电压4％－8％。

考虑到励磁变必须可靠，强励时要有一定的过载能力，且励磁电源一般不设计备用电源，因此宜选用维护简单、过载能力强的干式变压器。

从目前国内干式变压器制造工艺水平来说，已能生产容量达16000kVA、电压等级35KV的干式变压器，以满足大型机组的需要。

若从降低励磁系统造价来说，采用油浸变压器也是可行的。

当励磁变压器安装在户外时，由变压器副方到整流桥之间的馈线，由于有电抗压降，不宜太长，特别是在励磁电流很大的情况下，这一点必须考虑。

还有不宜用单芯铠装电缆，而应选用橡皮电缆。

因为单芯铠装电缆通以交流电时，在钢甲中需要感应较高的电压以及不能忽略的电流，并对通信电缆造成干扰。

三相励磁变的选择计算如下;计算变压器的变比和容量用到以下参数: (南市发电厂实际值)发电机额定励磁电流Ifn＝1310A发电机额定励磁电压Ufn＝225V强励倍数Kc＝2可控硅最小控制角αmin＝10。

变压器漏抗Xk一般取4％一8％馈电回路电压降之和ΣΔU: 一般为2-4V按照可控硅全控桥整流计算方法计算励磁变低压侧Us:1.35 Us COSαmin = Kc Ufn + 3Kc Ifn Xk /π + ΣΔU由于在初设时Xk无法确认，ΣΔU也为估计值，因此可以把回路中总的电压损失估计为15％。

由COSαmin≈COS0。

=1则: 上式可变为Us ＝Kc Ufn ／(85％×1.35)＝2×225／(85％×1.35)＝392.15V实际取励磁变副边电压Us＝380V主变低压侧电压同发电机出口电压为6300V，所以励磁变变比为6300V／380V。

励磁变压器也可以由直流侧电流折算，取裕度系数为1.15，则副边电流为:Is＝1.15×0.816×Ifn＝1.15×0.816×1310＝1229.3A实际取励磁变副边电流Is＝1300A由Is、Us可以计算出励磁变容量:S＝KVA实际变压器容量S＝900KVA，留有一定的裕量。

4 自并励方式的起励与试验电源当发电机被汽轮机拖动至额定转速时，发电机转子铁芯剩磁可能使发电机电压升至几十伏或数百伏(约为额定电压的1％一2％)，对于励磁变接于机端的方式，励磁调节器由于同步电压太低，无法形成触发脉冲，励磁回路无法导通，这就需要采取措施，其中最常见的办法就是外加起励电源，供给初始励磁，待发电机电压升到一定值时自动退出，由调节器自动升压到额定值。

自并励机组的起励，除了外加起励电源的它励方式外，利用残压起励也是值得考虑的方法之一。

解决的方法可以从两个方面着手: 一是对残压进行全波整流。

作为发电机的初始电流，具体方法可以考虑用外加触发脉冲，使可控硅整流桥在起励初始时完全导通; 另一方法是将由接触器控制投退的全波整流桥和可控硅整流桥并联，起励时投入，发电机电压上升到一定值时退出。

二是对调节器的同步电压信号进行改造，使发电机电压在小于1％Ug时，也能提供有效的同步电压信号，以便调节器在残压下也能可靠工作。

在考虑采用残压起励时，应该注意到残压每一次开机后不一定一样，要实现自动建压，必须满足一定条件：即发电机特性曲线应在整流特性曲线之上，而且二者差值越大，自动建压越快。

因此在选择起励方式时，可以把它励方式和残压起励方式结合起来，既可以保证残压起励的可靠性，又可以降低外加起励电源的容量(仅相当于充磁)。

南市电厂#10发电机与主变间有主开关，机组并网一般在投入主变后进行，励磁变电压取自主变低压侧，故大大简化了起励问题。