机端(静态)励磁方式在发电厂中应用

童建民，邹昌泉，赵义恩

(上海艾能电力工程有限公司，上海 200023)

1 概述

交流同步发电机励磁方式的发展过程一般先从同轴直流励磁机(有主励磁系统碳刷、以下简称有刷)开始，后由于大功率直流发电机制造较困难发展到同轴交流中频(为提高励磁反应速度一般选用100周)主励磁机经静止整流(有刷)励磁；为进一步提高励磁可靠性，美国西屋公司首先发明了将交流励磁机的三相输出由定子变成转子，而其励磁电源变成定子，同时将整流设备也装在同轴转子上，取消了主励磁系统的碳刷，俗称旋转半导体、又称无刷励磁系统；上述无刷励磁系统最大的优点为独立型，不受任何电力系统故障的干扰。在中小型机组中也出现过主励磁电源及信息取自发电机的PT和CT的复式励磁，也基本属独立型励磁系统，但目前制造厂一般也不再制造供货；华东电力设计院曾经与有关制造厂合作研制过在发电机定子中附加励磁线圈的“谐波励磁”系统(基本属独立型)，由于种种原因也未得到推广。

随着大电流碳刷制造技术的不断提高，由于制造较为简单且能减少机组轴长，相对无刷励磁系统可节约投资的机端(静态)励磁系统近年来又得到了较大的推广，但该系统致命的缺点为易受各种形式的电力系统故障的干扰和破坏。例如发电机出口或发电机电压馈线、发电机升压变低压绕组侧三相金属短路故障时励磁输出几乎为“零”值，当升压变高压侧线路故障时也会严重影响励磁输出，使发电机不能迅速强励等，故称之为非独立型励磁。

2 停电事故概述、原因分析及建议改进措施

2.1 事故概述

大连某2×15 MW选用机端(静态)励磁系统的自备热电厂(以下简称该电厂)已商业运行多年，2009年6月28日发生全厂停电事故(以下简称6.28事故)的概述及原因分析。

图1 本电站发、供、配电接线示意图

2009年6月28日该电厂降压变10 kVⅡ段某馈线发生不对称非金属性短路，根据故障录波记录，故障前PT二次相电压57 V、故障瞬间为25 V(额定值的44%)、0.3秒馈线故障切除后电压跌到13 V(额定值的22.5%)、0.7秒低电压保护动作跳所有10 kV馈线，汽机甩负荷、保护动作关主汽门全厂停电。

由于该电厂选用了机端(静态)励磁方式，在发电机电压馈线或母线故障即发电机出口故障时电压瞬间跌至额定值的44%，而目前国内外制造厂设计励磁变一次侧电压为额定值的80%时，才能保证强励及其他正常励磁特性。即在6.28事故时，机端(静态)励磁的固有特性根本无法满足要求，从录波图看出即故障被切除后发电机电压继续下降到额定值的22.5%，低电压保护动作跳所有10 kV馈线，造成事故进一步扩大进而全厂停电。

另从故障录波图中可见为二相短路，故上述0.3秒故障切除后的电压为额定值为22.5%，但估算到如三相短路时电压会小于22.5%，甚至可能会小于起励为20%额定电压的退出值，此时机端励磁更加起不了任何作用了。

2.2 建议改进措施

该电厂2×15 MW发电机中性点采用消弧线圈接地方式，据运行数据分析接地电容电流达70～80 A，宜进一步实测确切的最大最小电容电流值，通过改变消弧线圈参数使之处于过补偿状态，对确保电厂安全运行有一定的作用；另假如能与消弧线圈并联一个合适的高电阻则将更为安全；同时电厂低电压保护整定时间过短，建议适当延长低电压保护起动时间(经分析从0.7秒加大为2秒及以上是可行的)，最大可能延长保护动作时间，通过上述改善励磁系统的性能的措施实施后，类似6.28故障发生时，当故障切除后励磁仍有输出、发电机电压能有一定的上升，可使低电压保护不再动作，从而使事故不再扩大，类似事故发生时可得到一定的改善不再扩大为全厂停电事故。

在出现类似6.28故障时如何提高本厂机端(静态)励磁变的一次电压是关键，理论上故障时可将起励装置自动投入以增加励磁输出，可增加串接发电机CT信息调节励磁电流输出大小的环节(类似复式励磁)来实现，但经与某发电机制造厂励磁专业同志多次联系后认为即使技术上可行，但实际商业制造上对整套励磁系统包括其自动励磁调节装置为二台小机组重新设计不现实、不可行。至此只能选用从现有励磁系统基础上考虑如何设法提高10 kV母线故障情况下励磁变一次侧电压的技术措施，考虑如下三个加装限流式电抗器的方案：

⑴ 所有(包括该电厂厂用电10 kV馈线)10 kV馈线装设电抗器，总共约需20组左右。

选用满足正常运行条件下的限流式电抗器参数经深入计算后，得出10 kV馈线最严重的三相金属性短路情况下10 kV母线(即励磁变一次侧)电压为额定值的62.7%，但随着故障点的切除，62.7%的电压会提供一定的励磁电流而使发电机的励磁系统自动调节使发电机电压恢复到额定值；电厂的低电压保护不再动作(整定值小于62.7%)、且整定时间适当延长，6.28事故时10 kV馈线为非三相金属性短路，此时励磁变一次侧电压会大于62.7%，采取本措施后6.28事故扩大为全厂停电的隐患基本可确保不再重现。

⑵ 发电机出口及该电厂10 kVⅠ、Ⅱ段母线间的分段断路器串接电抗器，二台励磁变串接在发电机与电抗器之间，总共计三组电抗器；选用正常运行条件下使用的电抗器参数经深入计算后得出10 kV馈线最严重的三相金属性短路时二台发电机励磁变的一次侧电压为额定值的30%及45.7%，制造厂起励磁装置的定值为小于20%额定值时即退出，此时励磁变会自行使发电机电压升至额定值。在10kV馈线发生非三相金属性短路时其电压将会大于30%及45.7%，定性分析肯定，在故障切除后励磁输出会增加从而使(适当延长低电压整定时间)低电压保护不动作，最终恢复正常运行，发电机将不会跳闸，但由于目前这一电磁暂态过程静态无法计算，故无法定量得出励磁电压输出值及励磁电压速度上升值，研究讨论认为，应通过适当的模拟试验来验证。

⑶ 仅在发电机出口串接电抗器即总共二组，其技术特性基本如上述第⑵条三组电抗器相似，只是馈线出现三相金属性短路时二台励磁变一次电压都为30%。

上述第⑴方案技术和理论数据上均有把握，可基本确保类似6.28故障出现后不会出现全厂停电，发电机一般情况下会恢复正常运转。同时应实施前面所述的建议延长低电压保护整定时间及对发电机中性点消弧线圈过补偿实测最大最小电容电流值，并与消弧线圈并联一个适当参数的高电阻接地可有效降低发电机单相接地时的机端过电压值；综合实施上述几个改进措施后，把握更大可确保6.28事故全厂停电的不再现。但由于10 kV馈线数量众多，也即新增的电抗器数量太多投资相对较大，现场较难施工、操作困难。

第⑵和第⑶的改进方案由于故障切除后的暂态过程无法计算，只能定性分析得到故障切除后励磁变一次电压大与起励装置自动退出电压(20%额定值)，因已大于起励装置退出电压值，此时发电机将进入励磁升压的正常环节，因此加装电抗器肯定有好处。但因暂态过程无法计算，故尚需适当的模拟试验加以验证。

限流电抗器早在50年代就普遍推广使用作为一种成熟的限流技术，可使电器设备选择轻型化。保证馈线故障时母线电压大于60%的额定电压以确保其他非故障线路用户的安全运行，相关电力设计规范早已有较为明确的规定，同时也有成熟的设计运行经验，其缺点主要是电抗器本身有少量有功损耗，但取其有改善故障情况下提高电厂运行安全性的好功能，增加的有功损耗付出是值得的。

第⑵和第⑶二个改进方案可操作，对避免6.28事故肯定有很大的益处，但电磁暂态过程无法计算，应通过适当模拟试验来验证，故电厂业主还在进一步研究中。

3 发电机机端(静态)励磁方式应用场合的探讨

⑴ 从本文第二节所述可知。不论发电机容量的大小，即使300 MW级及以上机组，国内运行实践也有此先例(国内某电厂的300 MW机组的离相封闭母线也出现过故障造成发电机出现短路的事故)。因此当发电机电压回路出现短路故障且发电机又孤网运行时，机端励磁是无法工作的。在此种情况下机端励磁是不应该且应禁止选用的。

⑵ 大机组一般都经升压系统(例如110、220、500 kV)与系统并网，大型企业如宝钢3×350 MW机组并网，可作为事故及正常情况的补充、使电厂与电网互通有无；而个别有些大电站的大机组由于种种原因无法并入电网运行，此时应禁止使用机端(静态)励磁系统；经升压站送电的自备电厂亦绝对禁止使用机端(静态)励磁系统；其原因为无法避免发电机回路故障及如前述第二节所述事故教训。

⑶ 即使大机组经升压站送电并网运行也应限制不推广并控制其少量使用，以最大可能提高发电机组及电网运行的稳定性和可靠性，如本文第二节第三节第1条所述，即使是大型机组，但发电机电压回路故障也难免且主变低压侧绕组故障的概率也是存在的，因此采用机端励磁的大机组失稳的可能性较大。

升压站高压侧送电线路三相金属性故障时励磁变的一次侧电压估算值见表1。

表1 故障时励磁变的一次侧电压估算值

如表1所述当发电机经升压变压器送电时，考虑高压输电线路三相金属性短路时125～600 MW机组励磁变的一次电压估算为40%～50%之间，当高压输电线路为单相或二相接地短路时励磁变的一次电压会更高，会大于40%～50%，该数值虽大与起励值20%，但不可能达到≥80%额定值，因而无法达到强励2倍快速反应的要求，对机组本体及电力系统的安全可靠性、稳定运行带来较大的危害。其隐患始终存在。1979年全国首次招标引进宝钢2×35 MW机组时，设计单位及业主一起坚决否定了当时日本三菱、东芝、日立三公司极力推荐的机端(静态)励磁。制造厂推荐静态励磁的介绍为：

① 无同轴交流主励磁机，减少轴长度

② 与无刷励磁比可适当降低造价

在1979年招标引进谈判中设计单位与业主取得如下共识：

① 完全独立不受电力系统故障干扰的无刷励磁系统早已商业运行，与机端励磁比又无大电流碳刷，安全可靠。

② 制造厂所述可适当降低工程造价，当时设计单位与业主认为无刷与机端励磁差价很小，当时报价也很接近；虽然可减少轴长，但这点长度差还不可能会减少其机身跨度或(跨)数。为了确保电力系统的安全，坚决否定了机端励磁方案。

但近年来发现国内大机组如600、1000 MW机组机端励磁得到大量推广使用，笔者认为：虽然随着国家电网结构的进一步改善，系统联系更紧密，但确实很多电力公司和电网公司对机端励磁的“不独立性”的致命缺点对电力系统安全威胁的隐患认识不足，片面追求投资少一点是一点。仅节约相对很少的投资，而却忽视了在提高安全可靠性上，机端励磁存在严重不足的致命缺点，因此建议在某些电网规模较小的系统中应禁止机端励磁的选用；在一般较大电力系统宜规定电网中同容量机组机端励磁(即非独立型)不应超过无刷(即独立性)机组的例如为五分之一到四分之一，且应按电气距离平均分布，以确保安全稳定。

[1]DL 5000-2000，火力发电厂设计技术规程[S].

[2]DL/T 5153-2002，火力发电厂厂用电设计技术规定[S].