自并励机组启动试脸电源的选择

白石，兀鹏越，何信林，张登宝

(1.华能大庆热电厂，黑龙江省大庆市163159;2.西安热工研究院有限责任公司，西安市710032)

0 引言

自并励发电机组进行启动试验时，为了进行他励状态下的发电机短路试验和空载试验，需另设一路独立的临时他励电源送至励磁变压器高压侧，该电源的容量要能够满足发电机短路、空载试验时所需的励磁电流。在发电厂内，比较合适的电源是高压厂用配电段电源，在机组启动时，该段电源由独立于机组的启动变压器提供。由于该电源属于临时性质，因此不包括在设计院的设计范围，需要试验人员在现场进行选择、计算。

如果临时他励电源未经核算，有可能在机组整套启动进行中才发现电源无法满足启动试验要求，势必影响整个机组试验进度，有可能为机组顺利投产带来不利影响。因此，试验前计算他励电源，才能保证发电机机组的整套启动试验安全、顺利地完成。他励电源选择计算的主要问题是当发电厂高压厂用电的电压等级为6～10 kV，仅为励磁变压器额定电压的1/3～1/2时，能否满足发电机启动试验的要求。另外，当励磁变压器临时接至高压厂用母线后，其原有设置在发电机变压器组保护装置中的励磁变压器继电保护功能将失去作用，还需要设置临时的保护，并结合发电机启动试验这一特殊过程，整定合理的专用保护定值。如果对此考虑不周，有可能出现发电机短路、空载试验达不到预期结果，在某些意外故障下，甚至有可能导致设备的损坏。本文结合我国首台空冷超临界机组的启动调试工作，对自并励机组启动试验励磁电源的选择及保护定值计算进行研究。

1 机组简介

1号机组的系统接线如图1所示，图中虚线部分是机组励磁电源正式接线，在启动试验时需断开。机组参数如表1［1］所示。

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2 励磁电源的选择计算

自并励发电机励磁系统见图2。计算他励电源的步骤为:(1)根据发电机特性曲线，确定试验所需最大励磁电流If，乘以试验转子温度70℃时的转子电阻R70，得到试验所需励磁电压Uf;(2)根据三相全控整流桥关系式求得整流桥阳极电压Us;(3)将阳极电压换算到励磁变压器高压侧，与高压厂用电压比较，判断他励电源是否满足试验要求［1］。

2.1 发电机试验最大励磁电流的确定

根据发电机出厂资料，在发电机特性曲线上，可以查找空载、短路试验时所需最大励磁电流。

GB 50150—2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》［2］规定:“发电机电压应为定子额定电压值的120%，对于发电机变压器组之间无断路器的情况，发电机电压可以升到额定电压值的105%”。查特性曲线(图3)可知，发电机机端电压为1.05Un时，空载励磁电流约为2 017 A;发电机电流达到额定电流时，所需励磁电流约为2 958 A。因此，最大励磁电流为发电机额定短路试验时的励磁电流。

图3 发电机特性曲线Fig.3 Characteristic curves of generator

2.2 计算试验时的最大转子电压

发电机短路试验时的转子电压为Uf=IfdR70，其中Ifd是励磁电流。发电机转子温度无法直接测量，可以通过氢温间接估算，转子温度比热氢温度高20～30℃。试验时，热氢温度测量值为45℃，因此取发电机转子温度为70℃。经计算得到 Uf=244.38 V。

2.3 确定阳极电压

三相全控整流桥的可控硅导通角最小时，输出电压最大。励磁系统最小导通角αmin=30°，励磁变压器低压侧电压为

式中:Kc为强励倍数;Uf为发电机励磁电压;If为发电机额定励磁电流;XΣ为励磁变漏抗，一般取4% ～8%;ΣΔU为馈线回路电压降之和，包括导通两臂的硅元件的电压降，线路电阻压降和转子碳刷与滑环之间的压降，一般取2～4 V。

刚开始试验时，XΣ无法确认，ΣΔU也取为估计值，因此，一般可以把回路总的电压损耗估计为10%，αmin=30°，cosαmin=0.866。由于空载试验时不考虑强励作用，取Kc=1，则可以求得Us=232.25 V。

2.4 计算励磁变压器高压侧电压

将阳极电压折算到励磁变压器高压侧，得到Us=6.308 kV，该机组的高压厂用电为6 kV等级。因此，该电压基本与正常高压厂用电一致，可以满足启动试验要求。

2.5 提高试验励磁电流的措施

根据经验，高压厂用电压为10 kV等级时，完全可以满足发电机短路试验要求。

高压厂用电压为6 kV等级时，还要根据发动机电压和励磁变压器的变比情况，判断高压厂用电是否满足试验要求。表2统计了部分机组的启动试验情况，可见他励临时电源无法满足启动试验的情况比较常见。

表2 部分机组启动试验情况Tab.2 Unit start-up test

如果临时电源无法达到试验要求，可以采取以下措施:

(1)调节启动备用变压器有载调压档位，提高厂用母线电压，原则上母线电压不宜超过6.5 kV。

(2)改变励磁变压器的分接头，如井冈山电厂3、4号机组在调整了分接头以后，就可以满足额定短路电流的试验要求。某些国外的干式变压器不带分接头，如海门电厂1、2号机组采用的ABB进口干式变压器，就无法采用调整分接头的办法来解决这一问题，这在设备采购时要注意。

(3)修改励磁调节器的最小导通角。为了防止颠覆的发生，一般来说最小导通角不能小于15°。

以上措施可以同时采用，以达到尽可能大的励磁电流。也有可能采取了以上措施以后，仍然无法达到试验要求的情况。这是因为设计励磁变压器的变比时未考虑到发电机启动试验这一特殊工况的要求，励磁变压器的变比偏大。例如，华能海门电厂1号机组，在整套启动试验时，短路电流只能达到额定电流90%，采取以上措施后，仍旧无法满足试验要求。后来在3号机组的建设中，将励磁变压器的变比改为27 00/1 100，才满足了启动试验要求。

因此，作为调试人员，在机组启动前应该预先核算试验电源的容量，准备好应对措施，才能保证试验的顺利进行。

3 励磁变压器非全压冲击过程分析

发电机整套启动前，要由高压厂用电向励磁变压器送电。由于这是励磁变压器的首次送电，有可能存在安装、质量问题，因此必须有继电保护装置在发生异常时可靠跳闸。原有励磁变压器保护设置于机组保护中，在启动试验过程中尚未投运，因此临时试验电源需要另设保护。自并励系统中，励磁变压器的额定电压为发电机电压，由于6 kV高压厂用电压远低于此，因此，这种情况下的励磁变压器励磁涌流也不同于正常情况，见下文试验及分析。如果按照正常全压冲击变压器来整定保护定值，有可能会导致事故状况下保护拒动。

2007年9月，在铜川电厂1号机组启动试验中，安装单位错将励磁变压器低压侧绕组安装短路。冲击励磁变压器时，由于速断保护定值按常规考虑躲过励磁涌流，导致动作值过大而未动作。幸亏还有过负荷保护延时10 s跳闸设置，但已经使得励磁变压器在6 kV厂用电压下短路运行10 s。所幸励磁变压器采用过负荷能力极强的干式变压器，未对励磁变压器造成实质性损害［3］。

3.1 变压器非全压合闸励磁涌流分析

本文主要分析额定电压下变压器空载合闸励磁涌流。单相变压器一次回路电压方程为

式中:φ为变压器磁通;R为绕组电阻;Um为变压器电压峰值;ω为电压频率;α为投入时刻初相角［4-5］。

式(1)的解析解为

式中:φr为合闸时刻铁芯剩磁;L为绕组电感［4］;φm的表达式为

式中Im为变压器电流峰值。

式(2)中φ1为稳态磁通;φ2为维持t=0时刻磁通不发生突变而产生的暂态磁通，其初始值大小取决于剩磁大小、极性和α。当α=0时，φ2为最大值φr+2φm，当剩磁 φr与 φm极性相同时，φr+2φm远大于额定磁通。

φr的大小、极性取决于变压器上次分闸的时间，这个时间是随机的。剩磁一般为稳态运行φm的20% ～30%［5］。

在变压器额定电压0°时刻合闸的情况见图4，主磁通φ不对称于时间轴，该磁通产生的励磁电流i'0见图5，也是不对称的，其峰值可能达到变压器额定电流的6～12倍。

3.2 低电压下变压器空载合闸励磁涌流

励磁涌流衰减以后，铁芯中剩下稳态磁通－φmcos(ωt+α)，见图6，是一个对称磁通，该磁通产生一个对称的较小的励磁电流i0.1，即变压器正常励磁电流，其值一般不大于额定电流的1%。

当机组启动试验时，励磁变压器接于6 kV厂用母线，电压仅为励磁变额定电压22 kV的27%，那么主磁通也只有额定主磁通的27%，则剩磁仅为额定主磁通的5.4%～8.1%。

因此，额定电压22 kV的励磁变压器，接于6 kV厂用电源空载合闸时，即使φr与φm极性相同，产生的合成磁通也远远小于额定磁通，也即远远小于铁芯励磁特性曲线的饱和值，所以其产生的励磁电流i0.2将比正常电压下的励磁电流i0.1更小。

图6 正常及低于额定电压时励磁电流Fig.6 Magnetizing inrush current under at normal rated voltage or below rated voltage

将励磁变压器安装正确后，再次进行的送电过程中，用录波器记录了低电压情况下励磁变的励磁涌流情况，发现励磁涌流几乎为0，说明了以上分析的正确性。

4 励磁试验电源选择及保护整定

4.1 机组启动试验所需最大试验电流的确定

发电机启动试验期间的励磁变压器和转子绕组的继电保护由6 kV厂用临时电源间隔提供，需要计算最大负荷电流，也即试验所需最大电流。由发电机空载、短路特性曲线可知，发电机短路试验时的励磁电流为试验所需的最大负荷电流。再将此电流折算到励磁变压器高压侧，来选择开关间隔容量以及高压电缆规格。

根据厂家提供发电机特性曲线，查得发电机短路试验时的励磁电流为2 958 A，再折算为交流电流2 413.7 A，则励磁变压器高压侧电流为88.9 A，该电流即机组启动试验时的最大试验电流。

4.2 速断保护的整定

变压器在额定电压下空载合闸时，速断需要考虑躲过变压器空载励磁涌流，否则有可能导致变压器空载合闸时速断动作［6-8］。但根据上文分析，对于启动试验过程中，励磁变压器临时电源接于厂用电源的情况，速断保护动作电流Iop1只要避开低压侧三相短路电流即可，而不考虑励磁涌流影响。

式中:Kre1为可靠系数，取1.2;Ik是励磁变低压侧三相短路电流;na为CT变比。

4.3 过流保护整定

过流保护动作电流按保证变压器低压侧两相短路时有足够的灵敏度来整定，即

式中:Ksen是灵敏系数。

动作时限t2与整流柜熔断器配合，取t2=0.3 s。

4.4 过负荷整定

过负荷按短路试验最大励磁电流下能可靠返回整定。

式中:Krel取1.05;Kr为返回系数，取0.9;I1是励磁变压器一次侧额定电流。

动作时限t3=10 s，可投跳闸，因为试验过程一般不会过负荷，出现过负荷电流，也可认为故障状态。

4.5 接地保护整定

设置一简单零序过流保护，定值按照高压厂用电6 kV母线接地电流整定，经短时限跳闸。

4.6 熔断器的保护配合

如果选择负荷开关间隔，为了与熔断器特性配合，不设速断保护，而过电流时间与高压侧熔断丝特性配合。

5 结语

(1)自并励机组启动试验的临时励磁试验电源需要预先核算，防止试验过程中电源不能满足试验要求出现，延误时间。

(2)启动试验时，励磁变压器临时接于高压厂用电源，由于该电压远低于额定电压，在变压器空载合闸时产生6～8倍额定电流的励磁涌流，并不会出现可观的励磁涌流。

(3)进行自并励机组启动试验临时电源的保护整定时，速断及过流保护不考虑励磁涌流，这是完全符合实际情况的。

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