电厂电气总起动试验中励磁系统相关问题探讨

刘世富，王泽众，陈 茜

（1.山东电力研究院，山东 济南 250002；2.华北电力大学，北京 102206）

0 引言

发电机励磁系统是给同步发电机提供励磁电流的电源及其附属设备统称，它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。电气总起动中的发电机短路、空载等试验均需要励磁系统来配合完成，因此励磁系统试验在一定程度上直接决定着电气总起动的成败。

1 励磁变压器

目前电厂电气总起动试验中，90%以上机组的励磁系统采用自并励励磁 （图1）。励磁变压器是自并励励磁系统重要的组成部分，励磁变压器是专门为发电机励磁系统提供三相交流电源的装置。 电气总启动试验中的发电机短路和空载试验励磁系统给发电机提供励磁电流，然而试验中，由于励磁变高压侧连接发电机出口的电压不能满足试验要求，因此需要外接临时电源。现场一般采用励磁变高压侧连接高压厂用电源的方式，这种连接方式在试验准备的过程中需要注意以下问题。

图1 自并励系统

1.1 励磁变压器临时电缆规格

电气总起动试验中，自并励励磁系统试验需要外接他励电源进行。因此，现场试验前的准备工作，需要从高压厂用电引一路电源连接励磁变高压侧，厂用电源与励磁变高压侧之间的电缆选取原则是，电缆能否提供满足励磁系统的短路空载试验所需要的励磁电流。

图2 典型的发电机短路空载特性图

满足励磁系统的短路空载试验所需要的励磁电流的电缆规格必须符合厂用电源电压与试验电流两个条件。在电压已知的情况下，发电机的短路空载试验决定了励磁电流大小，进而决定了励磁变高压侧电缆所需电流。 由典型发电机短路空载特性图（图2）可知，在发电机短路特性试验中，发电机定子电流达到额定值需要0.7 Ifn，空载时发电机额定定子电压时需要0.35 Ifn，1.05 Ugn所需要的励磁电流0.4 Ifn。另外，试验中需要注意电刷与集电环之间的接触压降是一个变数，新换的电刷接触压降较小，电刷越磨损接触压降越大，计算时候通常按照5 V考虑，这是因为确定电缆规格需要考虑一定的余量。

注意事项：将图1的连接处断开，安全距离应考虑发变组空载特性试验时机端电压达到1.05 Ugn的要求。

1.2 励磁变压器分接头

按照试验要求，励磁变压器高压侧外接了符合要求的厂用电源，短路试验过程中，增加励磁到可控硅最小触发角，如果发电机定子电流依然未达到发电机的额定定子电流，试验数据就不符合措施要求。这个问题需要外接电缆之前加以考虑，计算励磁变二次侧电压即可控硅的阳极电压是否满足短路试验要求。如果可控硅阳极电压不满足试验要求，则需要按照励磁变压器说明书进行相应的调整，使之抬高励磁变二次侧电压，进而满足短路试验所需要的发电机励磁电流。

1.3 临时电源开关柜保护定值

厂用电源开关柜综保装置电流需要按试验进行临时的修改，过流保护定值需要按照高压开关、励磁变、临时电缆等设备的电流瓶颈整定。由于电缆是按照试验的最低标准要求选择配备，因此过流保护定值应按照电缆的电流整定。

1.4 励磁变压器相序及电压

励磁变的二次电压重要性上文已经提到，二次侧相序也同样重要，反相序会导致励磁系统误强励，后果非常严重。因此试验前，需要测量可控硅的阳极电源幅值及相序，要求电压相序为正相序，测量电压要求大于计算电压1.1倍。

2 发变组短路试验

2.1 短路特性试验

在短路特性试验中，确定一个短路点，并满足发电机定子额定短路电流，送上励磁变临时电源，缓慢增加励磁，定子电流升至额定，然后单调的减磁到零，监视定子电流、励磁电流，定子电流不超过额定值，励磁电流不超过0.8 Ufn。短路曲线是线性的曲线，在短路试验中，可以在上升过程和下降过程中，分别记录8～10个点的模拟量。例如华润菏泽厂600MW机组短路特性曲线，如图3。

图3 600MW机组短路特性曲线

2.2 电压回路的检查

在发变组短路试验中，短路点在主变高压侧，发电机的极端电压会因为主变压器的短路阻抗随定子电流的增加而升高，因此通过电压回路的检查可以提前发现电压回路的危险点，使危险点消除在短路试验的过程中，大大降低人身、设备的损害。可参考几个发电厂的短路试验数据，见表1。

表1 几个电厂短路数据统计

从表1可以看出，目前新建机组的主变短路阻抗大多在13%～19%之间，因此在短路试验的期间，根据定子电压幅值完全满足电压回路的检查要求，确认是否存在短路点，及早排除安全隐患。

3 发变组空载试验

一般空载试验都是发变组的试验，由于发电机定子电压达到1.3 Ugn时会使变压器产生过激磁，措施要求发变组空载试验将发电机定子电压升至1.05 Ugn。当具备空载试验条件时，缓慢增加励磁，使定子电压升至1.05 Ugn，然后减磁到零，监视定子电压、励磁电流，定子电压不超过1.05 Ugn，励磁电流不超过0.4 Ufn。由典型发电机特性曲线可知，定子电压在0.75 Ugn以下为线性关系，定子电压继续升高时为饱和曲线。发变组空载特性曲线的线性部分和饱和曲线部分的模拟量记录需要分别对待，定子电压在0.75 Ugn以下，记录6～8个点；定子电压0.75 Ugn～1.05 Ugn之间，记录8～9个点。例如华润菏泽厂600MW机组空载特性曲线，如图4。

图4 600MW机组空载特性曲线

4 励磁系统空载试验

根据不同的励磁调节器、不同的励磁方式，试验项目也有所不同，以Unitrol5000为例，励磁方式为自并励方式，试验项目如下：

手动方式起励升压；

手动方式3%阶跃试验；

手动方式逆变灭磁；

自动方式起励升压；

自动方式10%阶跃试验，调整PID参数；

手自动方式切换；

自动方式跳灭磁开关灭磁；

EGC阶跃试验；

V/Hz限制器试验；

PT断线试验；

手自动方式切换；

自动方式通道切换；

手动方式通道切换；

整流柜的均流试验。

两个通道分别进行上述项目试验。

5 励磁系统参数测试

发电机励磁控制系统对电力系统静态稳定性、动态稳定性和暂态稳定性的影响较大。 在电力系统稳定计算中，励磁系统模型和参数不同，计算结果也将出现较大的差异。因此选择能够正确反映设备实际运行状态的数学模型和设备参数是进行电力系统稳定计算的关键，也是保证电网安全运行、提高电力生产效率的有效措施之一。根据电网安全的要求，新建机组必须进行励磁系统模型参数实测工作，励磁系统参数测试的工况要求，基本和电气总起动要求一致，因此将励磁系统参数测试工作融入到电气总启动试验中是非常经济的做法。

5.1 发电机空载特性试验

空载特性试验项目与电气总起动试验项目重叠，只是参数测试的数据要求后期仿真分析，而总起动的数据可以作为现场第一手资料留下，作为以后大修试验比对数据。因此准确严格的试验数据，可以供两个试验使用。

5.2 发电机时间常数Td0′的测试

发电机纵轴暂态开路时间常数Td0′测试，实际是在发电机空载不饱和时，测量发电机转子回路充电或放电的时间常数。 按照此原则，使转子电压发生上阶跃或下阶跃时，转子电流上升或下降的时间常数即为Td0′。针对自并励发电机组，在临时励磁电源下可控硅定角度阶跃法测量Td0′或断开临时电源的方法测量Td0′。因此发电机时间常数Td0′的测试需安排在电气总起动空载特性完成后，临时电源还未拆除时进行。这就需要将电气总起动与模型参数测试措施进行综合考虑，合理安排试验步骤。

5.3 检查可控硅触发角范围的测量试验

自并励机组的可控硅阳极电压随极端电压变化而变化的，在进行大阶跃试验时，可控硅的阳极电压是不稳定的，这样给后期数据处理带来很大的麻烦，而且数据也不够准确，因此检查可控硅触发角范围的测量试验一般在他励的工况下进行，其优点是阳极电压稳定、计算的触发角范围准确。 需要注意的是，计算时应该使用在可控硅导通的情况下的阳极电压测量值，而不能使用可控硅未导通的情况下的阳极电压测量值，否则计算结果误差比较大。

5.4 阶跃响应试验

按照国家标准和行业规程要求，励磁系统空载试验应进行10%阶跃响应试验；按国网企业标准，参数测试试验需要进行5%、10%、20%的阶跃响应试验。调试的励磁系统中，10%阶跃响应试验会使调节器的某个限制器动作影响到试验品质，因此建议按5%阶跃响应试验指标调整PID参数，然后根据试验要求进行10%、20%阶跃响应试验并录取波形分析。

6 结语

作者曾参加过不同容量机组三十多次电气总起动试验，上文励磁系统相关问题的探讨是这些试验中总结的一些实际经验，希望与同行交流和共同探讨。