自并励静止励磁系统在发电厂励磁系统改造中的应用

李汉儒，李宝山，赵冬云

（1.鞍山钢铁集团公司第二发电厂，辽宁鞍山114012；2.鞍山钢铁集团鞍钢工程技术有限公司，辽宁鞍山114021）

自并励静止励磁系统在发电厂励磁系统改造中的应用

李汉儒1，李宝山1，赵冬云2

（1.鞍山钢铁集团公司第二发电厂，辽宁鞍山114012；2.鞍山钢铁集团鞍钢工程技术有限公司，辽宁鞍山114021）

结合鞍钢第二发电厂机组励磁系统的改造，采用自并励磁方式，用静止励磁变压器替代旋转励磁发电机，通过介绍发电机自并励静止励磁系统及其特点，说明该励磁方式与过去的励磁方式相比有较大的优越性。

自并励静止励磁系统；励磁调节器

1 引言

励磁系统是发电机组重要设备，主要作用是调节励磁，以维持定子电压稳定；合理分配各台机组间无功功率；在发生短路时，强行励磁以提高系统动态稳定能力、提高输送功率极限、扩大静态稳定运行的范围。励磁系统对提高发电厂的自动化水平、发电机组运行的可靠性、电力系统的稳定性有着重要的作用。

随着现代科学技术的发展，励磁方式已从直流电机励磁发展到可控硅励磁，在微机自并励静止可控硅整流励磁系统中，发电机的励磁电流是由机端的励磁变压器经过可控硅整流装置整流后供给，自动励磁调节器直接调节发电机的励磁电流以实现自动调整发电机机端电压或无功功率，这种励磁系统具有调节速度快、调节精度高的特点，已成为励磁系统发展的主流。

2 概述

鞍钢第二发电厂1.2#机组是1974年捷克进口机组，其励磁系统采用同轴直流励磁机励磁方式（原理如图1所示）。

采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便。

近年来，鞍钢第二发电厂1.2#机组励磁系统故障时有发生，主要存在如下问题：

（1）由于原励磁装置运行时间久、机件老化、缺陷渐多，严重影响机组的安全运行。

（2）调节器元器件老化、板件损坏时有发生，备品供应困难。

（3）改变工况运行时的调节性能差，特别是在系统发生故障时，强励经常不能满足电网电压和系统运行的要求。

（4）换向器和电刷的维护工作量大，运行中更换碳刷时需要带电作业，且检修励磁机时必须停主机，很不方便；另外粉尘、噪音等对作业人员有一定的危害。

（5）运行时整流子与电刷之间火花严重并伴有跳动，整流子换相工况恶化，曾经出现过环火，使机组被迫停机。整流子发生换相故障时又会对整流子表面产生灼伤和损坏，绝缘性能下降。

（6）励磁绕组出现绝缘老化现象，电气性能下降，引起励磁接地等故障，直接影响机组的正常运行。2#发电机改造前，励磁回路绝缘下降，出现接地故障无法消除被迫停机，切换到备用励磁机运行。

总之，这种同轴直流励磁机励磁方式，由于直流励磁机碳刷的使用，导致运行维护量增大，相复励励磁调节器由于制造工艺及其技术原因，在进行发电机励磁电流调节的时候，存在调节速度慢、不够稳定及调节精度低等缺点。

图1 直流励磁机方式励磁系统

3 发电机自并励静止励磁系统和三机励磁系统的比较

常规火电厂发电机的励磁方式主要有自并励静止励磁和三机励磁两大类，静止励磁中发电机的励磁电源取自于发电机机端，通过励磁变压器降压后供给可控硅整流装置，可控硅整流变成直流后，再通过灭磁开关引入至发电机的磁场绕组，整个励磁装置没有转动部件，属于全静态励磁系统；而三机励磁的原理是：主励磁机、副励磁机、发电机三机同轴，主励磁机的交流输出，经过二极管整流器整流后，供给汽轮发电机励磁。主励磁机的励磁，由永磁副励磁机输出经可控硅整流器整流后供给。自动电压调节器根据汽轮发电机端电压互感器、电流互感器取得的调节信号，控制可控硅整流器输出的大小，实现机组励磁的自动调节。

3.1 组成

自并励静止励磁系统由励磁变压器、可控硅功率整流装置、自动励磁调节装置、发电机灭磁及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。励磁电源是由接于发电机出口的励磁变压器取得，这种方式的励磁电源取自发电机本身，不受厂用电系统的供电影响。

三机励磁系统由主励磁机、副励磁机、励磁调节装置、功率柜、灭磁开关柜及过电压保护装置等组成。

3.2 相对于三机励磁系统，静态励磁系统的优点

（1）静止励磁用静止的励磁变压器取代了旋转的励磁机，用大功率静止可控硅整流系统取代了旋转二极管整流盘，由于励磁系统没有旋转部分，设备接线比较简单，大大提高了整个励磁系统的可靠性，机组的检修维护工作量大大减少。

（2）机组采用静止励磁方式，取消了励磁机和旋转二极管整流盘，其轴系长度缩短，机组轴系的支点减少，使得轴系的震动模式简单，利于轴系的稳定。

（3）提高效率。采用静态励磁的机组，其励磁损耗(主要为电阻损耗及集电环电刷损耗)较采用三机励磁的机组相应的损耗少。

（4）可以在发电机转子回路上安装高速磁场开关和大容量灭磁电阻，采用的全控整流器在正常停机时可以实现逆变灭磁，在机组出现内部故障或系统有特殊要求时跳高速磁场开关，并将磁场能量转移到灭磁电阻，实现快速灭磁。而且灭磁速度快、可靠无损伤，有效防止事故的扩大。

（5）静止励磁系统没有了主、副励磁机，系统接线简洁，同时静止励磁系统的可控硅整流桥有很大的冗余度，可以进行在线维护，提高了运行的安全性和可维护性，经济效益也是显著的。

（6）三机励磁系统的缺点：

①交流主励磁机有一个“时滞”环节：要调节发电机励磁电流，必须先调节交流主励磁机的励磁电流，有“时滞”存在。

②副励磁机波形畸变：可控硅整流桥的负载是交流主励磁机转子绕组这一电感性负载，因此，励磁电源副励磁机的输出电压波形将产生畸变，容易出现发电机调节不稳定、无功功率跳动或摆动的情况。而静止励磁系统由于取消了励磁机，减少了机组的惯性滞后环节，静止励磁系统具备很高的响应速度，可提高暂态稳定性；还可通过PSS功能作用提供的系统正阻尼大大提高电网系统的稳定性；通过对励磁变压器和可控硅整流柜的合理配置，可以方便地提高励磁系统的容量裕度，大大提高励磁系统的响应能力。

（7）静止励磁系统在机组甩负荷时过电压水平相对较低：机端过电压起始值与甩负荷前负荷电流成反比，由于增加了励磁变分支电流，机端过电压起始值比三机励磁系统的小。

在对汽轮发电机励磁系统的可靠性统计分析中，自并励磁方式的可靠性要高于旋转励磁方式，自并励励磁系统事故后恢复正常运行所需要的时间为旋转励磁的1/4，事故强迫停机率为旋转励磁的1/3，随着技术水平的不断进步，自并励励磁系统的可靠性还将不断提高。综上所述，自并励静止励磁系统要优于三机励磁系统。

4 励磁调节装置的选型

经过大量的调研和比较，我厂决定采用自并励静止励磁系统，选用GEC-2E型全数字式非线性励磁装置，该装置综合运用了同步发电机的现代励磁控制理论，从输入通道的交流采样到控制脉冲的输出全部实现数字化，没有模拟环节，无电位器调整。全数字化大大提高了精度和可靠性，维护十分方便。

GEC-2E型全数字式非线性励磁装置主要适用于自并励励磁系统，由励磁调节柜、功率柜、灭磁开关柜、切换操作柜、励磁变压器等构成。励磁调节柜内安装的是励磁控制器，是励磁反馈的核心部分。功率柜内安装的是由大功率可控硅组成的三相全控整流桥，根据发电机励磁电流的大小，由两个功率柜向发电机提供励磁电流。灭磁开关柜内安装的是灭磁开关和非线性过压保护装置，切换操作柜主要完成主备励切换等功能。

GEC-2E的基本配置是全双置，即配备完全独立的两个控制器及相应的电源回路，两套调节器互为备用运行，每套调节器均能满足包括强励在内的发电机各种运行工况对励磁的要求。

5 自并励静止励磁系统组成

从1#发电机的出口母线获得三相交流电，经过励磁变压器变为550 V交流电，再经过两套可控硅整流装置即1.2#功率柜后，通过直流刀闸ZLDK到主备励切换柜，然后到灭磁及过电压保护柜，最后到发电机转子，完成了发电机的励磁过程。1#发电机从厂用380 V得到起励电源，经过变压整流到灭磁及过电压保护柜。

5.1 励磁变压器

励磁变压器是选用户内型的三相浇铸树脂干式变压器，采用并接于发电机机端的自并励典型接线方式。励磁变压器的保护设置有：超温过载保护，低压侧的短路保护，依赖于发电机差动保护的高压侧保护。

5.2 励磁调节器

它由基本控制和辅助控制两大部分组成。基本控制由测量比较、综合放大和移相触发三个主要单元构成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。辅助控制是为了满足发电机不同运行工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能而设置的单元，包括系统电压跟踪、通道之间自动跟踪、故障智能检测和自动切换、容错控制、故障录波和故障记录、辅助调试和试验功能等。

我厂1#发电机组选用GEC-2E型励磁调节器，其电源一部分是来自厂用380 V系统；一部分来自厂直流系统。它的输入量有系统电压、机端电压、仪用机端电压、转子电流、定子电流，输出量是触发脉冲。

采用双调节器的全冗余设计，励磁系统的运行由设为主套的调节器进行调节，设为从套的调节器作为备用调节器。正常情况下，备用调节器自动跟踪主套调节器，事故情况下，主、从套调节器能够实现自动无扰动的切换，从而保证了发电机组的安全稳定运行。励磁调节器设有电压调节（自动）、电流调节（手动）、无功调节、恒功率因数调节共四种调节模式。

5.3 可控硅整流装置

此系统配置QLG-2A型发电机励磁整流柜两台，其主要特点是设计合理、结构简单、元器件少、生产维护量小、设备运行可靠。该励磁整流柜采用高规格大容量整流管、每个整流柜内装6只可控硅组成三相全控桥式整流电路，并采用了集中阻容吸收电路，因此从原理到实际装置都体现了先进性和实用性。

单柜即可满足1#汽轮发电机组的正常励磁功率要求,也能满足机组10 s2倍强行励磁电流的要求。

对于运行设备，如果发现某一台励磁整流柜有异常需要处理时，首先确认当前是两台励磁整流柜在并列运行，这时可人为切掉异常整流柜。

5.4 灭磁及过电压保护

灭磁及过电压保护如图2所示，在发电机转子绕组回路中，RN2是由多片氧化锌压敏电阻串并联组成的灭磁装置，它通过二极管D跨接在发电机转子绕组两端。在机组正常运行时，转子绕组两端的电压仅有几百伏，通过RN2的电流也只是微安级，相当于RN2开路状态。当发电机需要强行快速灭磁时，磁场断路器FMK（DM4-2500/2）的触头将断开，在触头断口处产生3500 V左右的电压。此电压抵消掉整流柜整流电压（几百伏）后，施加在RN2两端（也就是转子绕组两端），使RN2的内阻急剧变小，最终RN2被击穿，这使得转子绕组中原来流通的电流I1转移到RN2中。RN2将转子绕组中存贮的电磁能量转变为热能耗尽，转子中的电流I1很快衰减到0，达到了给发电机快速灭磁的目的。

图2 灭磁及过压保护

在灭磁回路中，RN2与RN3串联在一起，是做为转子绕组的过压保护用，它可以吸收转子绕组两端出现的任何尖峰过电压。RN1非线性电阻是作为励磁电源侧的过电压保护用，它可以吸收电源侧出现的任何尖峰过电压。RD1、RD2是多路保护熔断器的代号，在每一支路非线性电阻上都串接一个熔断器，它是特制产品，与氧化锌非线性电阻配套使用，专门用来保护氧化锌压敏电阻。一旦某一支路的氧化锌被损坏（主要指击穿短路），该支路的熔断器都会自动熔断，从而切掉该支路，确保发电机和装置的安全。

快速磁场断路器（FMK）是DM4-2500型双断口开关，它的每一个断口可以产生1700 V左右的电弧电压，双断口可产生3500 V左右的弧压，这样可以充分保证RN2被高压击穿工作。在RN2回路中串接的电流互感器CT，是用来测量RN2导通次数的。当通过RN2的电流大于60 A以上时，CT二次都感应出足够大小的电流，它会给计数器一个信号，使计数器记录一次，同时，在柜体面门上有动作指示信号显示灯保持发光。RN2动作完毕后，按柜门上的复位按钮，显示灯将熄灭，但计数器上的动作次数仍保持。

综上所述，不难看出本装置的灭磁及过压保护原理是极其简单的，十分有利于现场检修人员的掌握和维护。

5.5 启励装置

1#机励磁系统是机端励磁系统，需加起励回路，起励回路设在灭磁柜中。先合上起励电源开关QLDK，将起励电源投上，设有起励按钮，当按下起励按钮，起励接触器QLJC动作，接点闭合，起励变压器二次交流电通过直流模块ZLM整流后变为直流电送到灭磁开关主触头，如此时灭磁开关闭合，此直流电可通过灭磁开关送到发电机转子，给转子励磁。松开起励按钮，起励接触器复归，将起励回路与励磁回路断开，当起励回路由调节器控制时，投切起励回路及起励时间由励磁调节器控制。有关电路见图3。

图3 启励装置

6 应用效果

鞍钢第二发电厂1.2#机组进行微机自并励静止可控硅整流励磁系统改造后运行安全平稳，已经证明了这种励磁系统反应速度快、调节灵敏、技术先进，而且由于取消了直流励磁机及其附属设备，大大减少了设备维护费用，具有显著的经济和安全效益。

[1]杨冠城.电力系统自动调节装置原理（第5版）[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2]GB/T7409-1997，同步电机励磁系统[S].

App lication of Self-Shunt Static Excitation Device in Reconstruction of the Excitation System of Power Plant

LI Hanru，LI Baoshan，ZHAO Dongyun
(1.TheNo.2PowerPlantofAnshanIronandSteelGroup；2.TheEngineeringTecbnologyCo.Ltd.ofAnshan IronandSteelGroup，Anshan,Liaoning114012,China)

Self shunt excitation was adopted to replace the rotating excitation generator with static excitation transformer in the reconstruction project of the excitation system at the No.2 power plant of Anshan Steel.Through introduction of the self shunt excitation system and its features,the advantages of the system over existing excitation modes are demonstrated.

self shunt static excitation;excitation regulator

TM761.11

B

1006-6764(2014)12-0005-04

2014－09－25

李汉儒（1973－），男，毕业于四川大学电力系统自动化专业，学士学位，工程师，现从事发电厂电气技术管理工作。