大中型水轮发电机的励磁方式.doc

同步发电机励磁系统第二章 大中型水轮发电机的励磁方式大中型水轮发电机的励磁方式多种多样，目前在我国应用的主要有电机励磁系统，静止晶闸管励磁系统（自励式晶闸管励磁系统）及它励式晶闸管励磁系统。一、电机励磁系统电机励磁系统是用得最多也是历史最悠久的一种励磁系统，但随着发电机单机容量的提高，励磁电流加大使机械整流子在换流方面遇到了困难，加上半导体器件的迅猛发展及电力系统稳定要求励磁系统更加快速，使电机励磁系统的应用范围在逐渐缩小。图2-1表示通常采用的电机励磁系统，直流励磁机的电枢L向发电机励磁绕组FLQ供电，直流励磁机的主励磁绕组LLQ1通过磁场变阻器R并接于电枢的两端励磁机通常还有两组副励磁绕组LLQ2、LLQ3（正组和反组），接于励磁调节器。图2-1 电机励磁系统接线图目前电机励磁系统的发展主要是在励磁调节器上，早期采用的励磁调节器主要有机械式及电磁式（包括各种形式的复励磁调节器等），后来出现了晶闸管整流型及开关型励磁调节器，近年来又研制成功了晶体管开关型励磁调节器（详见第三章）。二、静止励磁系统静止励磁系统是指以发电机作励磁的交流电源通过晶闸管整流后供给本身励磁的励磁系统。由于整个系统中无旋转部件，故称静止励磁系统。这种系统是发电机自身供给励磁，亦称自励系统。自励系统通常分为两大类，即自并励系统和自复励系统，下面分别介绍。1、自并励系统在此系统中，发电机机端电压经励磁变压器LB降压，晶闸管KZ整流后向励磁绕组FLQ供电，（见图2-2），励磁调节器通过调节晶闸管整流电路的控制角来维持发电机端电压恒定。图2-2 自并励系统接线图这种励磁系统的突出优点是接线简单，工作可靠，动作速度快，价格低。因而在国内外获得了广泛的应用。七十年代以来，美国、加拿大新装的大型水轮发电机组基本上都是采用这种励磁方式，我国新建的一些大型电站，如白山电厂300MW发电机组，龙羊峡电厂600MW发电机组上也都采用了这种励磁方式。过去，人们对自并励系统的强励能力有所担心，然而，大量的研究分析和实际运行证明了这种担心并无必要，这是因为：现代大中型发电机大都采用单元式接线，可在这种励磁方式下，可能使交流电源完全失去的机端三相短路在差动保护范围之内，这时不对发电机进行强励只会对保护发电机有利。这就使需要考虑的最严重情况成为升压变压器高压侧三相短路。对占电力系统短路以上的不对称短路来说，合理的设计可以使短路时自并并励系统仍有足够的励磁能力，因而剩下的唯一问题便是很少发生的变压器高压侧三相短路的问题。虽然有可能使升压变压器在高压侧三相短路时，自并励系统仍具备一定的强励能力（因为这时发电机的机端仍有30%40%的额定电压），但这将使励磁变压器的副边电压抬得很高，从而使励磁变压器和晶闸管整流桥的容量都得加大，对励磁系统的经济性及可靠性均不利。因而，有必要对三相短路时不能强励所带来的后果进行研究。大量的研究表明，其后果主要有两点：其一会使电力系统的暂态稳定极限下降1%3%；其二会使发电机通常采用的后备保护（低压闭锁过电流保护）无法动作。对第一个问题，考虑到三相短路发生的几率很小，而稳定极限的下降又不大。因此，通常都认为关系不大。对第二个问题，通常采用更换发电机后备保护的方法来解决，即将通常使用的低压闭锁过电流保护换成过电流通过的低电压保护（国内采用）或阻抗保护（国外采用）。自并励系统将发电机端电压作为励磁电源的可能性很大，这个电源完全消失的唯一情况是发电机端发生三相短路（对单元式接线的大中型发电机来说，这时差动保护会动作使发电机退出工作）。虽然各种电力系统的故障(如短路、振荡等)会使发电机端电压发生波动,但一个良好的励磁调节器能保证这种情况下励磁系统正常工作。因此，自并励系统工作可靠性要高于传统上认为比较可靠的它励系统。2、自复励系统同时用发电机的端电压和端电流作励磁电源的励磁系统称自复励系统，通常它有四种接线方式，即为: 直流侧并联；直流侧串联；交流侧并联；交流侧串联。目前在我国得到应用的只有第一和第四两种方式，下面分别予以讨论。1直流侧并联的自复励系统在此系统中发电机端电压经励磁变压器LB降压，晶闸管整流桥KZ整流，而发电机定子电流经功率电流互感器GLH和不控整流桥整流，两个回路在整流桥的直流侧并联起来向发电机的励磁绕组供电，励磁调节器调节晶闸管整流桥KZ的控制角以维持发电机端电压的恒定（见图2-3）。图2-3 直流侧并联的自复励系统接线图这种系统的优点是电压回路和电流回路并联工作，在两者之一故障时，剩下的一个回路仍能保证发电机正常运行，具有较高的可靠性及运行灵活性。而其主要缺点是：两套回路配合较困难，往往不能满足各种运行方式的要求。在电力系统发生短路时，功率电流互感器不允许电流突变，这就造成了类似于电流互感器开路的情况，使GLH副边产生很高的过电压，虽然采取了种种保护措施，仍然常常使整流桥的整流器发生损坏，这种系统在七十年代初期曾在我国一些电站上使用，目前不在生产。2交流侧串联的自励系统图2-4表示一个交流侧串联的自复励系统，接于机端的励磁变压器LB副边和接于发电机中性点上的串联变压器CB副边串联起来向晶闸管整流桥KZ供电，KZ的输出接于发电机的励磁绕组。图2-4 交流侧串联的自复励系统接线图串联变压器CB是一个铁心中有分段气隙的电抗变压器，其副边的输出电压Ui正比于原边的电流If，且相位领先90，即： (2-1)互感抗Xm是串联变压器十分关键的参数，它关系到串联变压器的容量及强励能力。若选取Xm=X2（发电机的负序电抗），则可使不对称短路时，加于整流桥上的三相电压对称，Xm=Xd，则可使系统的强励能力得到提高。和自并励系统相比，自复励系统由于引入了发电机的电流作励磁电源，从而使励磁系统的强励能力得到提高。然而，由于串联变压器原边电压高、电流大，使设计和制造相当困难，造价一高，加上电厂设计、运行和维护方面的麻烦，使人们对采用串联变压器的必要性进行了不少的研究，结果发现串联变压器的使用既有优点，也有缺点。一方面串联变压器在电力系统短路时能提高整流桥的交流电压，另一方面，串联变压器的存在加大了整流桥的换相电抗，从而使励磁系统输出的强励电压降低，在输电线近端发生三相短路时，前一因素起主导作用，即短路时，自复励系统的强励能力优于自并励系统。但在短路切除后，后一因素起主导作用，即自并励系统的强励能力会高于自复励系统，而综合作用的结果（即对暂态稳定的影响）是两者的差别不明显，图2-4、图2-5分别给出了输电线首端三相短路时的暂态过程曲线及不同故障切除时间top时系统暂态稳定极限的变化曲线。由此可见，这时自复励系统略优于自并励系统，应该指出，输电线首端三相短路是对自复励最有利的情况。然而即使这样，采用串联变压器的效果也不明显。图2-6及图2-7给出了首端单相短路时暂态稳定过程曲线及不同故障切除时间top时系统暂态稳定曲线的变化。由图可见，由于单相短路时短路电流较小，短路时串联变压器两个方面的作用刚好相互抵消，使短路时自并励和自复励系统输出的强励电压基本相等，而在短路切除后则和三相短路时间相同，仍然是自并励系统输出的强励电压高于自复励系统，这样总的效果是自并励系统略优。由图2-7还可看出，自并励系统的优势回随着top的加大而减小，当top0.4s时，已是自复励系统略优了。图2-6 交流侧串联的自复励系统接线图图2-7 交流侧串联的自复励系统接线图图2-8给出了两种系统在不同故障形式,不同故障切除时间时暂态稳定极限的比较。由图可见，两种励磁方式的暂太稳定极限差别不大，在故障切除时间top0.15s情况下，不对称短路时自并励系统略优，而三相短路时自复励略优，考虑到不对称短路发生的机率远大于三相短路，因此，可以说串联变压器