大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新理念

1、大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新理念批注與討論葛洲壩電廠(chǎng) 黃大可2006年8月20日 清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室兼職研究員 三峽水電廠(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)高級(jí)技術(shù)顧問(wèn) 李基成5.發(fā)電機(jī)非全相及失磁異步運(yùn)行勵(lì)磁系統(tǒng)的保護(hù) 5.1同步發(fā)電機(jī)失步的物理過(guò)程 為簡(jiǎn)化討論，現(xiàn)以隱極式同步發(fā)電機(jī)為例說(shuō)明失步的物理過(guò)程，以標(biāo)幺值表示發(fā)電機(jī)功率，表達(dá)式為：（5-1）式中：U為系統(tǒng)電壓，為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)Eq與U的夾角，Xd為直軸電抗，Pm為原動(dòng)機(jī)功率。對(duì)應(yīng)的向量圖為51所示。另在圖52中示出了同步發(fā)電機(jī)的功率特性曲線(xiàn)圖。 Pm與Pe在功角特性曲線(xiàn)最大值左側(cè)的交點(diǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，如圖（53）中的曲線(xiàn)族所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流I

2、f減小時(shí)，從而也減小了式（51）中的Eq和Pe 。圖（53）中的曲線(xiàn)族由1向2、3、4變動(dòng)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)的功角也隨之增大。當(dāng)工作點(diǎn)位于曲線(xiàn)3時(shí)，如果電磁功率的最大值與原動(dòng)機(jī)功率Pm相等時(shí)，此時(shí)m90°，發(fā)電機(jī)處于臨界同步狀態(tài)。如進(jìn)一步減小勵(lì)磁時(shí)， Pe特性降到曲線(xiàn)4或5，發(fā)電機(jī)電磁功率在各點(diǎn)均小于Pm ，無(wú)法建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，將失去同步。圖5-3中Pas為異步運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的電磁功率，為此，正常的進(jìn)相運(yùn)行應(yīng)滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)仍處在Pe的幅值大于Pm的范圍內(nèi)，并留有一定裕度區(qū)域內(nèi)，以保證機(jī)組的同步運(yùn)行穩(wěn)定性。 圖5-2 隱極同步發(fā)電機(jī)相量圖圖5-3 發(fā)電機(jī)失磁失步階段歷程圖1同步振蕩階段；2從同

3、步過(guò)渡到異步階段；3穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行階段5.2失磁失步運(yùn)行方式的特征 發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流低于空載額定電壓時(shí)勵(lì)磁電流值，此時(shí)發(fā)電機(jī)將從系統(tǒng)吸收無(wú)功。但其功角特性的幅值仍大于原動(dòng)機(jī)輸出有功Pm（見(jiàn)圖5-3的曲線(xiàn)2），故仍可與系統(tǒng)同步運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁時(shí)，其功角特性的幅值將小于原動(dòng)機(jī)輸出有功Pm （見(jiàn)圖5-3的曲線(xiàn)4或5）。除了從系統(tǒng)吸收更多的無(wú)功外，由于以無(wú)足夠的電磁功率來(lái)抵消原動(dòng)機(jī)輸出，因而發(fā)電機(jī)將持續(xù)加速，轉(zhuǎn)差率S和功角增大，直至與系統(tǒng)失步。由此可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)失步主要是由電磁功率Pe幅值是否大于原動(dòng)機(jī)輸出功率Pm所決定的，其后將過(guò)渡運(yùn)行到如下兩個(gè)階段：（1）暫態(tài)異步運(yùn)行階段發(fā)電機(jī)失磁失步后進(jìn)

4、入暫態(tài)異步運(yùn)行階段，此時(shí)由于轉(zhuǎn)差率S的存在，將在轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組、槽齒和槽鍥中感應(yīng)出按轉(zhuǎn)差頻率變化的電流和脈動(dòng)磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)又可分解為一對(duì)轉(zhuǎn)速相同、方向相反、幅值為脈動(dòng)磁場(chǎng)一半的正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)F+和F-，前者僅引起有功和電流的擺動(dòng)，其幅值與轉(zhuǎn)子d軸與q軸在結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱(chēng)度有關(guān)；后者與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步，產(chǎn)生制動(dòng)性的轉(zhuǎn)距-異步轉(zhuǎn)距Mas,從而產(chǎn)生異步功率Pas（見(jiàn)圖5-3），Mas可用下式表示： （52） 可見(jiàn)當(dāng)發(fā)電機(jī)失步后轉(zhuǎn)子將加速。由式（5-2）可看出轉(zhuǎn)差率S越大，則Mas越大，從而Pas越大。同時(shí)發(fā)電機(jī)的調(diào)速器為保持轉(zhuǎn)速恒定也將動(dòng)作減少原動(dòng)機(jī)出力Pm，當(dāng)下降的原動(dòng)機(jī)功率Pm與上升的因滑差S產(chǎn)

5、生的暫態(tài)異步功率Pas相等時(shí)，發(fā)電機(jī)就將結(jié)束暫態(tài)異步運(yùn)行，而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行階段。（2）穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行階段穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行的特點(diǎn)是Pm與Pas相等，不平衡轉(zhuǎn)矩為零，因此發(fā)電機(jī)仍然可以穩(wěn)定輸出有功功率，但卻從系統(tǒng)吸收大量的無(wú)功，而且轉(zhuǎn)子以一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)差率SK高于旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行。水輪發(fā)電機(jī)的Xd，Xd，Xd之間和Xq與Xq之間差值較大，故由式（5-3）可知異步轉(zhuǎn)矩也較大，可較快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行。對(duì)于無(wú)阻尼繞組水輪發(fā)電機(jī)，由于Xd= Xd，Xd= Xd由式（5-2）可知，其轉(zhuǎn)矩中Xd和Xd為零，Mas較小，需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的暫態(tài)運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)差率后，才能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行。 對(duì)于有阻尼繞組水輪發(fā)電機(jī)

6、組，其特性介于前兩者之間，三種不同參數(shù)機(jī)組的特性如圖5-3所示。應(yīng)特別指出的是，由于水輪發(fā)電機(jī)須在較大轉(zhuǎn)差率下才能獲得足夠的異步轉(zhuǎn)矩，達(dá)到穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行的時(shí)間也較長(zhǎng)，此時(shí)在阻尼繞組回路中引起的電流也較大（因阻尼繞組匝數(shù)較?。瑢?dǎo)致阻尼繞組過(guò)熱的情況有時(shí)會(huì)引起阻尼繞組的燒毀，這種事故不乏實(shí)例，例如四川太平驛第一水電廠(chǎng)40MW水電機(jī)組，湖南拓溪50MW水電機(jī)組均發(fā)生過(guò)失磁而導(dǎo)致機(jī)組阻尼繞組燒毀的情況。圖5-3發(fā)電機(jī)的平均異步轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比關(guān)于水輪發(fā)電機(jī)在失磁暫態(tài)異步運(yùn)行狀態(tài)下，有關(guān)阻尼繞組中暫態(tài)電流的計(jì)算方法文獻(xiàn)中報(bào)道極少。在文獻(xiàn)（4）中，根據(jù)多臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)阻尼繞組渦流分析的實(shí)測(cè)結(jié)果，進(jìn)

7、而間接推廣到水輪發(fā)電機(jī)在失磁異步運(yùn)行狀態(tài)下，阻尼繞組中電流的估算。下面是一臺(tái)SF65-24/6440型65MW水輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組感應(yīng)電流估算方法。發(fā)電機(jī)額定電壓10.5KV，額定定子電流4205A，額定功率因素0.85，額定轉(zhuǎn)子電壓198V，額定勵(lì)磁電流1021A。1.阻尼繞組端環(huán)極間連接銅片的電流I，用于下列公式估算IK=KIS （5-3）式中：K-實(shí)測(cè)系數(shù)，通常0.81.0之間；IS-經(jīng)校正的定子轉(zhuǎn)差電流IS=IGM（nn-nr）/ nn （5-4）式中：IGM -失磁異步運(yùn)行時(shí)的最大定子電流，對(duì)本機(jī)IGM =11008A； nn-額定轉(zhuǎn)速R.P.M，對(duì)本機(jī)：nn=250R.P.M；nr

8、-失磁過(guò)程中水輪發(fā)電機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速，對(duì)本機(jī)實(shí)測(cè)nr=422R.P.M；將上列數(shù)據(jù)代入式（5-4）中求得IS =11008X(250422） /250=11008X0.688=7573A將IS代入式（5-3）中求得流經(jīng)阻尼繞組連接片的電流為：IK=KIS (0.81.0)X7573=(6058.807573.50)A相應(yīng)電流密度JK= IK / S （5-5）式中S-極間連接銅片的截面積，對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)組S=（10mm×20 mm）=200mm2代入式（5-5）中求得：JK = IK /200=30.2937.88（A/mm2）根據(jù)運(yùn)行記錄，極間連接銅片，在電流密度30.29-37.88A/

9、 mm2的過(guò)電流情況下，持續(xù)運(yùn)行一分鐘，結(jié)果導(dǎo)致極間連接片在過(guò)熱最嚴(yán)重處熔斷燒毀。2.磁極上阻尼銅條的電流磁極上阻尼銅條的電流ID，用下列公式估算：ID=KSIS （5-6）式中:KS-實(shí)測(cè)系數(shù)，通常在0.220.25之間；IS 校正的定子轉(zhuǎn)差電流，由前計(jì)算Is=7573.50A則: ID =(0.220.25)X7573.50=1666.17 1893.38（A）；相應(yīng)阻尼銅條電流密度：JD=ID/SD （5-7）式中SD為阻尼銅條的截面積，其值SD=3.14（d/2）2(d為銅條,直徑10 mm)，則: JD=21.22 24.12A/ mm2由此可見(jiàn)，阻尼銅條的電流密度也較大，局部過(guò)熱，

10、高溫將有可能將阻尼繞組燒損，事故后觀察在磁極表面呈現(xiàn)明顯的燒焦實(shí)況。（3）失磁異步方式的保護(hù) 如上所述，當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后將進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，通常在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中引起異常的過(guò)電壓。當(dāng)使轉(zhuǎn)子交變過(guò)電壓達(dá)到轉(zhuǎn)子過(guò)電壓回路整定值時(shí)，由非線(xiàn)性電阻構(gòu)成的過(guò)電壓保護(hù)回路導(dǎo)通，并流過(guò)交變的過(guò)電流。由于定子側(cè)感應(yīng)到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁側(cè)的能量是不斷累加的，最終將導(dǎo)致將過(guò)電壓保護(hù)回路中的非線(xiàn)性電阻燒毀并造成柜體大范圍的損傷，在水、火電廠(chǎng)中這類(lèi)事故多次發(fā)生。其后由于在異步運(yùn)行過(guò)程中，在定子繞組存在交變的安匝，而轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組側(cè)因失磁而開(kāi)路，此時(shí)與定子平衡的將在匝數(shù)較少的阻尼繞組回路中平衡。由于阻尼繞組匝數(shù)較小，為此其平衡電流將遠(yuǎn)

11、超其額定值，引起高達(dá)十幾倍的過(guò)電流。在失磁保護(hù)拒動(dòng)的情況下，最終將導(dǎo)致阻尼繞組的燒毀，同樣在諸多水電廠(chǎng)中這類(lèi)事故也不只一次發(fā)生，在當(dāng)前已成為危害大型水電機(jī)組安全運(yùn)行的首要待解決的重要課題之一。（4）采用線(xiàn)形電阻，吸收失磁時(shí)引起的異步運(yùn)行功率眾所周知，由于線(xiàn)型電阻的材質(zhì)具有較高的熱容量，例如以康銅材質(zhì)構(gòu)成的線(xiàn)形電阻其熔點(diǎn)溫度可達(dá)900，鎳銅可達(dá)1000，鐵鈦材質(zhì)可達(dá)1200，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)大滑差異步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可考慮通過(guò)以常閉接點(diǎn)在轉(zhuǎn)子繞組兩端并聯(lián)接入線(xiàn)性電阻，產(chǎn)生宜于和可與定子繞組交變安匝相平衡的安匝，這樣，在短暫的時(shí)間內(nèi)（例如幾分鐘）可承受消耗連續(xù)不斷的由發(fā)電機(jī)定子側(cè)感應(yīng)到的轉(zhuǎn)子側(cè)的異步交

12、變能量，這樣在發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)拒動(dòng)情況下的一段暫短時(shí)間內(nèi)，定子側(cè)的交變安匝仍由匝數(shù)較多的勵(lì)磁繞組通過(guò)線(xiàn)性電阻構(gòu)成平衡安匝回路。在短暫時(shí)間內(nèi)，可為失磁保護(hù)既后備保護(hù)的投入創(chuàng)造了條件，有效防止了因機(jī)組失步導(dǎo)致過(guò)電壓保護(hù)非線(xiàn)性電阻以及阻尼繞組燒毀的事故發(fā)生。（解決轉(zhuǎn)子失步異步運(yùn)行的最直接方法是：盡快跳開(kāi)發(fā)電機(jī)出口斷路器。采取的方法就是檢測(cè)過(guò)電壓吸收電阻的電流或者電壓，一旦電阻電流或者電壓超過(guò)整定值，馬上跳滅磁開(kāi)關(guān)、跳出口斷路器。Siemens，ABB，GE，RR，維奧等國(guó)外勵(lì)磁系統(tǒng)都采用此方法。強(qiáng)烈建議我國(guó)勵(lì)磁廠(chǎng)家采用這個(gè)方法）6 結(jié)論與建議1對(duì)于三峽機(jī)組容量級(jí)的大型水輪發(fā)電機(jī)組，采用具有固定高起始響

13、應(yīng)性能的自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)已成為一種發(fā)展的主流，但是在選擇勵(lì)磁變壓器的二次額定電壓時(shí)，應(yīng)兼顧到電力系統(tǒng)的需求和保證機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行的基本要求，不應(yīng)片面追求高參數(shù)，結(jié)果導(dǎo)致保證系統(tǒng)穩(wěn)定的作用并未明顯見(jiàn)效。但因采用過(guò)高參數(shù)（特別時(shí)勵(lì)磁變壓器二次額定電壓的不適當(dāng)選擇）（非常贊成，廣泛宣傳，引起共識(shí)）卻引起了正常運(yùn)行中機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的事故不斷發(fā)生，在國(guó)內(nèi)以及引進(jìn)機(jī)組中這類(lèi)沉痛的教訓(xùn)屢有發(fā)生。選擇較高陽(yáng)極電壓所帶來(lái)的一些負(fù)面影響，并非不可逾越的問(wèn)題，腳大鞋子小，要改進(jìn)的是鞋子，而不是切腳指。此外還應(yīng)特別注意到過(guò)高的勵(lì)磁變壓器的二次電壓，將使勵(lì)磁系統(tǒng)提供的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增加，導(dǎo)致PSS參數(shù)整定工作更加困難。（應(yīng)

14、該與PSS參數(shù)整定的易難無(wú)關(guān)） 2. 在大型水輪發(fā)電機(jī)組滅磁系統(tǒng)參數(shù)的選擇上滅磁參數(shù)是為性能和功能服務(wù)的，總不能以犧牲基本功能和整體性能來(lái)遷就勵(lì)磁參數(shù)的選擇，此時(shí)真正要反思的不是參數(shù)問(wèn)題，而是陳舊的觀念和滅磁方式的問(wèn)題，而文中所謂的滅磁新理念，其立論的基礎(chǔ)和依據(jù)就是錯(cuò)的，別開(kāi)玩笑了。應(yīng)從其基本概念上進(jìn)行深入地探討與反思，按新理念選擇滅磁電阻的能量。不適宜的滅磁理念，例如按空載誤強(qiáng)勵(lì)條件選擇滅磁電阻的容量（現(xiàn)在大都采用此方法，建議大家討論，這是本文的新理念之一。從現(xiàn)在或?qū)?lái)看，700MW機(jī)組的滅磁容量，三峽設(shè)計(jì)的最大，其他電廠(chǎng)設(shè)計(jì)的都比三峽小，李老師的理念得到了支持），以及按發(fā)電機(jī)定子三相短路直

15、軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù)Td3決定滅磁衰減過(guò)程，其結(jié)果必然導(dǎo)致選擇了過(guò)分的又無(wú)濟(jì)于解決實(shí)質(zhì)問(wèn)題的冗余設(shè)備。根據(jù)發(fā)電機(jī)磁鏈?zhǔn)睾阍泶_定滅磁容量的新概念，可大大簡(jiǎn)化滅磁系統(tǒng)的構(gòu)成，并有助于提高滅磁系統(tǒng)的可靠性。同樣地在發(fā)電機(jī)突然三相短路條件下，按本文提出的以三相短路轉(zhuǎn)子電流非周期分量時(shí)間常數(shù)Ta3 作為估算滅磁電阻容量的依據(jù)是適宜的。（具有創(chuàng)新理念，這是本文中最主要的新理念，建議大家仔細(xì)學(xué)習(xí)和認(rèn)真討論）按此新理念選擇滅磁電阻的容量，對(duì)于三峽容量級(jí)機(jī)組而言，按上述條件選擇的滅磁電阻最大容量在1012MJ左右，遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)采用地近24MJ。3.在選擇大型水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分進(jìn)行交叉專(zhuān)業(yè)之間的溝通與交流，例

16、如發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與勵(lì)磁低勵(lì)限制之間的配合，高頻諧波對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響的協(xié)調(diào)等等。4 在選擇大型水電機(jī)組勵(lì)磁參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量避免過(guò)高參數(shù)的要求三峽機(jī)組的滅磁電阻參數(shù)確實(shí)過(guò)高了，但并不是因?yàn)樽非蟾咧笜?biāo)，而是因?yàn)橛?jì)算方法不對(duì)，自己算不清楚，被人家牽制唿悠，所以技術(shù)上的自主創(chuàng)新十分重要，要兼顧到機(jī)組正常運(yùn)行的安全性，設(shè)備力求簡(jiǎn)單、可靠。5.在選擇勵(lì)磁變壓器時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮到對(duì)電壓諧波系數(shù)的影響，過(guò)高的電壓諧波系數(shù)會(huì)引起勵(lì)磁變壓器運(yùn)行產(chǎn)生過(guò)高的噪聲。6.對(duì)大功率整流柜采用“在線(xiàn)維修”的新概念，以提高運(yùn)行的可靠性，是一種保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的適宜選擇。（功率柜刀閘，中國(guó)人最早使用，不是一個(gè)新概念。五極刀閘倒是一個(gè)

17、新設(shè)備，值得肯定）7.在發(fā)電機(jī)失磁情況下，接入線(xiàn)形電阻并聯(lián)支路是保證勵(lì)磁系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效措施之一，在大型水電機(jī)組中應(yīng)予以推廣應(yīng)用采用“無(wú)源零開(kāi)斷自動(dòng)滅磁技術(shù)”就具備吸收轉(zhuǎn)子回路異步過(guò)電壓的能力，并可以綜合解決本文所提及和未提及的一系列滅磁問(wèn)題。所有批注代表個(gè)人觀點(diǎn)，希望有利于對(duì)勵(lì)磁問(wèn)題的深入探討，歡迎大家交流。葛洲壩電廠(chǎng) 黃大可。（好理念，但不好應(yīng)用：由誰(shuí)判斷？由誰(shuí)去投入？同滅磁開(kāi)關(guān)如何配合？最好的辦法就是檢測(cè)跨接器的電流，一旦電流超過(guò)整定值，立即跳閘） 初稿 2003年2月寫(xiě)于宜昌三峽水電廠(chǎng) 二稿 2004年6月寫(xiě)于連云港田灣核電站 三稿 2004年8月寫(xiě)于哈爾濱 四稿 2006年1月寫(xiě)于廣州