大型同步发电机组非线性灭磁电阻控制电压选取的探讨

王海军，霍乾涛

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210061）

1 引言

随着科技的发展和进步，人类社会对电力能源的需要越来越大，因而电力系统建设得到了长足的发展。与此同时，有限的一次能源、人类对环境保护的要求和发电机运行经济能效的考虑，使得新建的发电机机组以超临界、超超临界火力发电机组和巨型水轮发电机组为主流。发电机机组单机容量的增大，带来了一系列的需要进行思考和研究的课题，如生产工艺、系统绝缘、冷却、大容量励磁系统等。

作为发电机和电力系统稳定可靠运行保护的灭磁系统，正是由于励磁系统容量的增大，给其带来了巨大的挑战。如果没有较好的灭磁控制方案或合适容量的灭磁电阻就会产生发电机转子绝缘击穿、烧坏的风险，因此需要有合理的灭磁控制方案及器件参数的选取。

2 灭磁回路设计原理

励磁系统主回路设计一般采用如图1所示的接线图。

图1 励磁主回路典型图

图1中，SCR为三相晶闸管整流桥，FMK为磁场断路器，L为发电机转子绕组，D为止逆二极管，Rf为非线性灭磁电阻，Uz为晶闸管整流桥输出电压，UK为磁场断路器开关电压，UM为灭磁电阻控制电压

要使励磁系统灭磁成功，其回路在灭磁过程中灭磁电路电压应该满足式（1）：

其中：UK为磁场断路器的最大分断电压；UMmax为灭磁电阻控制电压；UZmax为整流装置输出的最大电压。

磁场断路器的最大分断电压是开关弧压。弧压选取较低将会造成励磁电流引入灭磁回路失败，不能有效保护发电机；弧压选取太高，首先对开关的制造提出了严峻的挑战，其次一旦发生严重故障，有可能由于弧压太高影响主回路的绝缘。因此磁场断路器的开关弧压要适当，现阶段大型机组使用的磁场断路器弧压一般为4000V。

可控硅整流装置输出的最大电压与励磁变压器低压侧电压有关。根据电力系统对强励能力的需求，励磁变压器低压侧电压一般设计为1.8倍－2倍的励磁电压。

同时由式（1）可知，当UMmax恒定时，UK的取值与UZmax有关。因此对于大型自并励机组，当机组空载误强励时需要的磁场断路器弧压最大，当机组短路时，需要的磁场断路器弧压最小。

3 大型同步发电机组灭磁控制电压设计依据

现阶段指导我国大型机组励磁系统设计的标准主要有《GB/T7409.3-2007 同步电机励磁系统大中型同步发电机励磁系统技术要求》（以下简称GB/T7409.3）、《DL/T843-2010 大型汽轮发电机励磁系统技术条件》（以下简称DL/T843）、《DL/T583-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》（以下简称DL/T583）。

以上三个标准对灭磁控制电压的选取各有不同。GB/T7409.3主要从配置上要求励磁系统应该具有灭磁功能，并要求“在定子回路内部短路或外部短路的工况下和空载误强励的工况下灭磁时，保护发电机同时保证励磁系统本身的安全”。DL/T843在GB/T7409.3的基础上针对灭磁电阻和灭磁控制电压的选取进行了如下规定：“灭磁电阻宜采用线性灭磁电阻时其阻值为磁场电阻热态值的1倍－3倍，任何情况下过电压不应该超过转子工频耐压试验电压幅值的60%”，但是对于非线性电阻的配置没有明确。而DL/T583是在GB/T7409.3的基础上针对灭磁电阻和灭磁控制电压的选取进行了如下规定：“灭磁过程中，励磁绕组反向电压应控制在不低于出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的30%，不超过出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的50%。”

根据《ANSI IEEE C37.18-1979（R2003）ANSI IEEE C37.18-1979 （R2003）IEEE Standard Enclosed Field Discharge Circuit Breakers for Rotating Electric Machinery》标准可知，大型机组故障时流过转子的电流一般不大于3倍额定励磁电流，因此考虑到励磁系统的可靠性，一般按照3倍励磁电流设计最大灭磁电流。

由以上设计依据及机组参数可知，对于火电机组，根据DL/T843可知灭磁电压的大小可设计为额定励磁电压的3倍－5倍。而对于水电机组，根据DL/T583可知，灭磁控制电压可设计为额定励磁电压的4.5倍－7倍。两者的选取方式不一致，且水电机组选取的灭磁控制电压为火电机组的1.4倍左右。

机组随着单机机组容量的增大，负载额定励磁电流和励磁电压现在均比较高，部分单机容量1000MW的火电机组其励磁电压已经达到了650V，而700MW级水轮发电机机组也超过了500V，尤其是现阶段我国正在研制1000MW的水轮发电机，其励磁电压接近550V。较高的励磁电压使得灭磁控制电压较高，在灭磁过程中对灭磁开关的要求较高，导致灭磁可靠性降低，因此对于灭磁电压的选取进行如下的分析。

4 影响灭磁控制电压的因素分析

灭磁控制电压的大小主要考虑灭磁控制速度，为了进一步对比不同灭磁控制电压对灭磁时间的影响，选取某700MW水轮发电机组参数进行灭磁仿真，机组参数如表1所示。仿真工况如图2－图10所示。

表1 机组参数

4.1 空载误强励工况下的仿真图

图2 灭磁控制电压为1500V的灭磁仿真

图3 灭磁控制电压为1800V的灭磁仿真

图4 灭磁控制电压为2100V的灭磁仿真

4.2 定子回路外部短路后延时跳机端开关

图5 灭磁控制电压为1500V的灭磁仿真

图6 灭磁控制电压为1800V的灭磁仿真

图7 灭磁控制电压为2100V的灭磁仿真

4.3 定子回路内部短路

图8 灭磁控制电压为1500V的灭磁仿真

图9 灭磁控制电压为1800V的灭磁仿真

图10 灭磁控制电压为2100V的灭磁仿真

根据以上仿真波形得到表2的数据。

表2 不同灭磁电压效果对比

从表2得出以下的结论：随着灭磁电压的上升，需要灭磁电阻的容量上升，但不明显；灭磁速度加快但很有限。同时可知灭磁电阻在负载机端内部短路时需要的灭磁电阻容量最大。

对于以上工程灭磁控制电压增加600V，灭磁速度仅提高1s，但是对磁场断路器的压力大大增大，反而降低了灭磁的可靠性，可能导致灭磁失败，因此灭磁控制电压的选取要有适度。

5 国外励磁系统在大型机组灭磁控制电压选取

国内部分大型机组的电厂其励磁系统采用了国外厂家的设备，国外各厂家典型大型同步发电机组灭磁控制电压的选取如表3所示。

表3 进口设备灭磁控制电压的选取

在表3可以看出，国外励磁厂家对于水轮发电机组电机组的灭磁控制电压一般选取为3倍－5倍励磁电压，而在运行过程中，也是非常稳定可靠，说明该电压的选取比较合适。

5 结论

根据本文以上的分析、计算仿真和实物对比，可以得出如下的结论：

（1）如果灭磁控制电压的设计不当，将会给灭磁开关设备运行的安全性和设备的选取带来很大的困扰，甚至没有可用设备进行选择，所以灭磁控制电压的选取要适合。

（2）大型自并励式静止励磁系统灭磁工况灭磁电阻容量应该以机端内部三相短路工况计算，而磁场断路器最小弧压的选取应该以空载误强励选取。

（3）为了便于水轮发电机组和火力电机组灭磁系统设计，建议两类发电机非线性灭磁电阻灭磁控制电压选取方法一致，均为额定励磁电压的3倍－5倍。

［1］GB／T 7409.3－2007 同步电机励磁系统 大、中型同步发电机励磁系统技术要求［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［2］DL／T843－2010 大型汽轮发电机励磁系统技术条件［S］.北京：中国电力出版社，2011.

［3］DL／T583 2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件［S］.北京：中国电力出版社，2007.

［4］ANSI IEEE C37.18－1979（R2003）IEEE Standard Enclosed Field Discharge Circuit Breakers for Rotating Electric Machinery［S］.USA New York，NY：Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2003.

［5］李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用［M］.北京：中国电力出版社，2002.