超超临界汽轮发电机试验站励磁系统设计

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(哈尔滨五联电气设备有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

电力电子技术的发展，不单能满足传统机械设备的技术要求，而且更节能、环保。在本文励磁系统设计中，由电力电子整流装置代替旋转励磁机组，节省了设备投资及运行维护。基于电力二极管的单相导通特性，选用电力二极管代替机械快速开关，避免了在试验过程中对机械快速开关严格的合闸同步性要求。

1 励磁系统整流部分设计

本试验站励磁系统采用了电力电子整流装置，电气控制原理如图1所示。由10kV电网供电，经高压开关送到整流变压器1TR，整流变压器1TR为裂解式三绕组变压器，一次侧绕组为三角形(△)接法，二次侧两个绕组一个为三角形(△)接法，一个为星形(Y)接法。二次侧两个绕组输出线电压相等相位相差30°，形成原边12相整流效果，减少了对电网的谐波污染和电流脉动。二次侧两个绕组电压分别送到大功率整流柜，两组整流电源分别经过均衡电抗器LF1、LF2给被试汽轮发电机励磁供电。

每组整流柜安装一个三相全控整流桥，单台整流柜额定电流4 200A、6 000A过载60s，满足励磁装置7 000A、150%过载60s的试验要求。

图1 励磁系统电气控制原理图

在以往电机试验站建设中，励磁系统采用旋转励磁机组提供励磁，主要是需满足电机做突然短路试验对励磁系统的要求，即“励磁系统额定电流值至少应为被试电机空载励磁电流的两倍，而电枢电阻不大于主机励磁机电枢电阻”。

试验时，将电枢电压调节到0.2UN，测取If，本次1 200MW级汽轮发电机在电枢电压调节到0.2UN时所测取的If为830A。根据本励磁系统所采用整流晶闸管的管压降为0.7V，可求得整流装置部分单支整流管的电阻为R1=1.4/(830/2)≈0.00337349Ω。两路中平波电抗器在环境温度15℃时的实测电阻值为0.001611Ω(环境温度15℃)。

R75℃=R15℃×(T+t75℃)/(T+t15℃)

=0.001611×(225+75)/(225+15)

=0.00201375Ω

式中，t15℃—测量时环境温度；T—电阻温度常数(铜线取235，铝线取225)；t75℃—换算温度(75℃)；R15℃—测量电阻值;R75℃—换算温度下电阻值。

励磁系统单支路电阻值为R=R1+R75℃=0.00337349Ω+0.00201375Ω=0.00538724Ω，由系统原理图得整套励磁装置为两条整流支路的并联，因此励磁系统整流装置及平波电抗器的总阻值为0.00269362Ω。

被试发电机转子绕组直流电阻为0.0548Ω(环境温度75℃)，由计算可得励磁系统电阻值远小于被试发电机转子绕组直流电阻值，满足试验标准要求。本试验站做突然短路试验时所拍摄的电流波形如图2所示。

图2 突然短路试验电流波形

通过电机试验验证，在电机做突然短路试验时所拍摄的励磁电流波形效果理想，试验结果与设计参数相符。

3 励磁系统快速开关的设计

在电机试验中采用电枢绕组开路时励磁电流衰减法测定Td0′、采用电枢绕组短路时励磁电流衰减法测定Td′参数时需将励磁系统短路，传统试验站采用机械快速开关实现，线路图如图3、图4所示。

图3 Td0′参数测定试验接线示意图

图4 Td′参数测定试验接线示意图

电机试验时对系统中的三相直流快速开关两相接入励磁支路，单相接入励磁系统正负极之间。接入励磁支路中的两相开关状态与接入励磁系统正负极之间单相开关的状态相反。励磁系统正常供给励磁时两相开关的状态为闭合状态，励磁系统正负极之间单相开关的状态为断开状态。试验操作时分断励磁支路中的两相开关，励磁系统正负极之间单相开关闭合，进行试验测量。电机试验对机械快速开关的动作同步性要求很高，机械维护困难。在本次设计系统中采用电力二极管替代三相开关，励磁支路如图5所示。

图5 电力二极管续流接线示意图

本系统中电机绕组与励磁系统正负极对应接线，电力二极管接线端接至电机绕组与励磁电源正端接线端。励磁系统正常供给励磁时，由电力二极管的单向导电性可知二极管支路反向截止，没有电流。在做试验需要短接励磁装置时，直接断开励磁系统灭磁开关。电机绕组开始放电，相对极性改变，电力二极管起电机绕组线圈的续流作用，完成试验测量。

此励磁接线设计已经过试验验证，由电力二极管完成续流的方案完全满足试验要求。相对于传统的直流快速开关控制，本方案更便于试验的操作。

4 灭磁方案的选择

本试验方案中励磁系统灭磁装置采用单相快开完成，系统原理如图6所示。

图6 励磁系统图

图中通过控制QF快速开关实现励磁系统的灭磁，灭磁线路包括灭磁电阻和电子灭磁装置。被试电机需要断开励磁时，分断QF快速开关，被试电机绕组与灭磁线路串联组成灭磁回路。

5 结语

将现代电力电子技术应用于电机试验站，替代原有的机械直流快速开关设备，是科技发展的必然。经过试验验证，在电机试验站励磁系统中电力电子器件完全可替代原来应用的机械直流快速开关设备，满足电机试验的要求。

本试验站的励磁系统所采用的电力电子设备，节省了试验站的一次投资，使试验操作更简捷，日常维护费用减少很多，降低了噪声污染。

[1] GB 755—2008旋转电机 定额和性能．中国国家标准化管理委员会，2008．

[2] GB 1029—2005 三相同步电机试验方法．中国国家标准化管理委员会，2005．

[3] GB 7409—1987大中型同步发电机励磁系统基本技术条件．中国国家标准化管理委员会，1987．

[4] 汤蕴璆，罗应立．电机学(第3版)．北京：机械工业出版社，2008.5．