大型汽轮发电机制造中的励磁方式选型

冯旭

摘要：励磁系统是近年来应用于大型发电机组的新型技术，并且励磁技术在方式上存在很多种类，其种类不同对于电力系统整个运行的稳定状况以及继电保护和发电机的轴系安全的影响也就不同，从而在经济上也会产生差别。文章通过对不同的励磁系统进行比较，提出自并励式的励磁系统。

关键词：发电机；励磁系统；制造；选型

同步发电机中的核心部位便是励磁系统，其性能对于发电机整体的运行特性会产生直接性的影响。机械最重要的就是质量，尤其是大型机械，而机械整体质量的好坏就取决于各个零部件的质量好坏，其影响的是整个机组的经济性。并且励磁系统通过对于发电机的影响从而影响整个电力系统。

自并励式的励磁系统在国外已经早在上世纪就开始普遍的被应用于大型的发电机组，其自身所具有的高速的影响速度以及较短的发电机轴和较为经济适用的特点，是成为其被广泛推广的重要原因。但是我国由于整个电网的建设都相对落后，因此使用自并励式的励磁系统容易造成设备故障，比如有可能引发发电机的出口处的三相短路等，从而威胁系统，故而很少对其进行应用。随着我国在电力方面的投入加大，城乡建设进程不断的推进。电网在容量上也随之不断的发展扩大，励磁系统开始广泛的在国内的一些大型的发电机设备中采用，并展现出应有的优越性。本文就是通过对多种历次方式进行相互的比较以及分析，希望可以通过比较对自并励式的励磁系统进行推广。

1 励磁系统种类

以下就目前所使用的600MW以及600MW以上的大型机组中所使用到的励磁系统做出简要的分析。目前应用比较多的几种有：无刷式的励磁系统、自并励式的励磁系统以及P棒式的励磁系统。

1.1 无刷式的励磁系统。无刷式的励磁系统主要的组成部件包括了交流励磁机，并且带有旋转整流，包括了用磁副励磁机还有自动的电压调节装置等。国际上很多大型的品牌汽轮发电机都采用了这种无刷式的励磁系统。诸如：西门子、三菱、阿尔斯通和西屋等知名品牌，并且这些公司往往不是只是用一种励磁方式而是多种同时采用。另外在国内阿尔滨的电机厂以及上海的电机厂在600MW的汽轮发电机中均都使用了西屋公司提供的起始响应高的这种励磁系统，并取得了一定的经验。

1.2 自并励式的励磁系统。这种励磁系统是利用发电机的端电压作用于励磁变压器，通过可控硅对发电机进行励磁电源的提供，需要注意的是对于可控硅应当采用静态的。国际上采用了这种自并励式的励磁系统的主要包括：ABB公司、罗罗公司、美国的GE公司还有日立和东芝公司。而国内采用此种励磁方式的机电厂是东方机电厂，其引进了日立的技术。东方机电厂设计的第一台600MW的汽轮式发电机是同日立公司合作并以日立作为主导产生的，供给给了邹县电厂的五号机，第二台则是东方机电厂为主导生产的，供给给了邹县电厂的六号机。这两台均是采用了自并励式的励磁系统。此外，哈尔滨以及上海的电机厂也计划开始使用这种励磁方式进行600MW的发电机组生产。

1.3 P棒式的励磁系统。美国的GE公司在发电机的定子槽中专门埋设了线棒以供励磁电源使用。这种方式便是P棒式的励磁系统。

2 可行性分析

从国内到国外，自并励式的励磁系统在大型的发电机组中的应用状况可以看出，很多国家在对于机械的制造中，开始优先对自并励的励磁方式进行选择。在日本，自并励的励磁方式已经成为了公认的可以提高整个电力系统在运行上的稳定性基本方式。并且在英国，近些年的机组都是安装的自并励式的发电机组。而对于早期使用的交流励磁机也逐步的搞成了自并励式的励磁机，这也是由于此种励磁方式对于系统稳定性具有的提高作用。

从国内的情况来看，主要进口大机组多采用自并励励磁方式，如石洞口2×600MW机组，邹县电厂三期2×600MW机组等，所有机组并网运行后其自并励励磁系统的优越性受到用户的好评。

通过大机组并网运行的实践以及对大型汽轮发电机采用自并励励磁系统的可行性分析，目前已普遍得出一个共性的结论，即随着电力网规模的不断扩大，大型汽轮发电机采用自并励励磁系统是可行的。

2.1 对系统暂态功角稳定的影响

从暂态功角稳定要求考虑，大型汽轮发电机推广采用自并励励磁系统是可行的。在电网中，个别发电机采用自并励励磁系统时，当高压出口三相短路，在较低强励倍数下（在80%额定机端电压时，强励倍数为1.6倍），暂态功角稳定水平与常规励磁系统相比，基本相同，而全网均采用自并励励磁系统时，在低强励倍数下，暂态功角稳定水平优于全网机组均采用常规励磁系统。强励倍数提高后，自并励系统的优势明显。

2.2 对系统暂态电压稳定的影响从暂态电压稳定要求出发，大型汽轮发电机推广采用自并励励磁系统也是可行的，它不会降低系统的暂态电压稳定水平，而且可以提高系统的暂态电压稳定水平，甚至可以使某些条件下暂态电压不稳定的系统变为稳定。

2.3 对继电保护的影响

自并励励磁方式对继电保护是有影响的，特别是对发电机的后备保护，但是实际上，对于600MW机组经封闭母线接到主变压器后直接接入电网的接线方式，虽然由于采用了自并励励磁方式在发电机机端多了一个故障元件（励磁变压器），但由于发电机出口三相短路的几率很小，一般是不考虑真正的机端故障（若真是机端故障，那么差动保护会在几十毫秒切除发电机），考虑到最严重的故障形式应是主变压器高压侧三相短路.对于这样的短路形式，也很少出现，而且一旦出现，机组的快速差动保护能正确动作，短路电流不会影响继电保护动作。

2.4 对发电机轴系安全的影响

随着汽轮发电机组单机容量增大和电网容量不断扩大，运行中不断出现新的问题，其中之一是机组轴系扭振问题，到目前为止已出现过好几起发电机轴系破坏事故，从已发生过的事例看，大轴损坏事故都发生在发电机与励磁机之间或励磁机与副励磁机之间，由于自并励励磁方式没有同轴旋转的励磁机和副励磁机，比无刷励磁方式缩短了发电机大轴，减少了轴系固有扭振模式，大大降低了轴系扭振损坏的可能性，提高了整个机组的安全稳定性，到目前为止，除了在电气性能上满足电力系统运行要求外，在结构上也应有利于发电机组本身的安全运行，对励磁系统性能进行分析比较时，励磁系统对发电机轴系安全的影响应当是选择励磁方式时一个不可忽视的因素.故发电机选用自并励励磁系统对改善发电机轴系的安全运行是十分有利的。