设备管理_同步发电机励磁系统培训讲义

同步发电机励磁系统培训讲义 四川德阳东方电机控制设备有限公司编 前言东方电机控制设备有限公司前身早在1964年诞生于东方电机厂内 当时分成设计 工艺 检查 采购和生产车间的形式分别隶属于各个职能部门 国家的每个五年计划中 东电控制人都承担了发电控制设备的研发攻关任务 先后研制生产了磁放大器式励磁调节装置 晶体管式励磁调节装置 晶闸管整流型励磁装置 集成电路励磁调节装置和微机型励磁调节器 是国内主要制造生产企业之一 研发 生产出的近五百套产品 有效地保证了国内如乌江 龚嘴 葛洲坝 铜街子 映秀湾 龙羊峡 安康 万安 漫湾 李家峡 宝珠寺 大朝山等大 中型水电站以及出口美国 加拿大 伊朗 叙利亚 土耳其 菲律宾 印尼 巴基斯坦 孟加拉 阿尔巴尼亚 缅甸 危地马拉等国家众多电站机组的正常运行 为国家的电力制造业和电力工业的发展做出了贡献 但由于控制设备生产基地建设的初衷是解决国内水力发电设备成套供货问题 并且受计划经济体制的影响 当时国内采用的是发电设备成套供货模式 由于水电开发工程建设周期普遍很长 加之控制设备技术更新发展很快 随发电设备主机配套供货的当时认为成熟 可靠 有运行经验的产品 往往在机组投运时 控制设备在技术上便已显落后 此外 由于长期受计划经济体制的影响 励磁产品基本上都采用的是成套供货模式 整个东方电机没有单独的辅机销售人员 这无形之中使产品的研发和产品对市场的适应都相对滞后 不能很好地满足用户需求 为了扭转这种局面以适应市场需求 2000年东方电机股份有限公司出资注册成立了全资子公司 东方电机控制设备有限公司 东方电机控制设备有限公司是东方电机股份有限公司集销售 设计 工艺 采购 制造 质量检验到用户服务等各环节于一体成立的发电控制设备专业公司 公司成立的这五年多时间以来 始终以 始于用户所需 终于用户满意 为经营理念 改革 完善劳动用工制度 建立严明高效的内部管理机制 全面实施目标成本控制 努力开拓市场 以元器件全球采购 装置免维护设计以及产品实现 智能式 操作和维护为理念 升级完善现有产品 强化产品标准化 系列化工作 广泛与国际一流公司合作 提升技术水平 通过建立完善的质量保证体系 加强质量过程控制 提高服务意识和服务质量 公司技术开发 经营 生产取得了长足发展 公司的快速成长和发展 从另一个角度充分说明了东方电机控制设备 多年的技术储备和经验底蕴正逐步被市场认同 同时 大型国有企业作风严谨 功底扎实的优良传统和 重合同 守信誉 的良好信誉保障 也重新赢得用户的信任和青睐 公司概貌 公司生产作业面积近8000m2 电气产品科研 试验基地2600m2 设计手段先进 配有多台HP工作站 引进了美国EDS公司UGII及ANSYS等大型工程软件包 生产 试验设备精良 拥有加工设备116台 各型动态试验机组四套 进口的发电机电力系统仿真装置 可进行励磁系统闭环试验 并网试验 PSS试验 2004年公司为了满足三峡项目励磁系统 燃气轮机项目励磁系统 SFC系统厂内生产 试验的要求 投资600多万元进行厂房改造和试验设备的升级更新 使生产能力大幅提高 改造后将拥有2600m2全新的 设备齐全和全封闭净化的科研 装配和试验厂房 用于电气设备生产与试验 拥有的七个专用励磁试验工位 能保证每月同时产出三峡同类型机组励磁系统两套 公司以人为本 一支高素质的职工队伍 是企业走向成功的基础 东方电机控制设备有限公司拥有一支朝气蓬勃高素质的科技人才队伍 300多名职工中 大专以上学历占总人数的三分之二 其中博士研究生2名 硕士研究生33人 含工程硕士15人 教授级高级工程师5人 享受政府特殊津贴的专家2人 高级工程师47人 工程师65人 公司从事与励磁产品相关的专业技术人员共45人 全部拥有大学本科以上学历 具有10年以上工作经验并承担过大型工程项目的高级工程师占62 工程师占31 其中包括中国电机工程学会大电机专委会励磁分专业委员会副主任委员和委员 兼任秘书 各1名 顾问委员 原主任委员 副主任委员 2名 中国电机工程学会大电机专委会励磁分委会长期挂靠在我公司 为励磁技术的发展作出了应有的贡献 为了公司长期发展的需要 公司成立了技术委员会 成员构成除公司内部各专业专家外 还聘请了国内各专业的多名知名专家为非执行委员 公司技术委员负责对公司执行的重大工程项目和科研开发项目进行项目评审 审批和技术监督 公司设有技术开发部 负责公司新产品的开发 技术工程部负责公司工程项目组织实施和全过程管理 励磁专业设有专业总设计师 在总工程师的领导下 负责励磁产品的开发和设计的全部技术问题 并且针对三峡项目 燃机项目等国家重点项目 设立专门的项目小组 负责全部工作 公司在产品设计上贯彻 始于用户所需 终于用户满意 的设计理念 始终把高可靠性和免维护性做为用户的最基本需要 严格按照有关的国家标准和国际标准以及技术协议和用户要求 以国际惯例和当前行业中成熟可靠的技术和控制理论为基础 来进行系统的设计和配置 以全球采购的原则来采购所需的元器件和部件 并且只选用标准的 成熟的 经过运行证明是可靠的元器件和部件 以保证系统可靠性及免维护性 并为用户备品备件提供帮助和支持 九五 十五 期间公司受国家有关部门的委托 负责三峡机组励磁系统国产化研究 以期达到国内能自主生产类似于三峡等级巨型机组励磁系统的水平 在新产品的科研开发上投入了大量经费 长期与国内著名高等院校 如清华 华中科技大学 浙江大学 四川大学 重庆大学等 以及国外著名公司 如ABB GE Siemens R R等 进行技术交流 科研合作 技术引进与人员培训等全方位合作 使公司的技术水平和产品制造能力大幅度提高 为了让我们与用户之间有很好的交流 我们特编写这本 励磁培训讲义 目的是让用户了解和掌握我们产品的性能和使用方法 同时也介绍励磁系统的一些基本概念 加深对我们产品功能 特性的全面了解 使我们的产品更好的为用户服务 目录 第一章概述1 1同步发电机励磁的含义及其调节作用1 2同步发电机励磁系统的发展简介1 3同步发电机励磁系统的分类 组成和特点第二章自并激励磁系统2 1自并激励磁系统主电路的接线方式2 2自并激励磁发电机的起励2 2 1他励起励2 2 2残压起励2 3自并激励磁发电机短路过程的分析及短路电流计算2 3 1自并激励磁发电机短路电流的特点2 3 2自并激励磁发电机短路电流的计算2 4自并激励磁发电机对继电保护的影响2 5自并激励磁系统与电力系统稳定2 5 1自并激励磁系统对静态稳定的影响2 5 2自并激励磁系统对动态稳定的影响第三章同步发电机励磁系统主回路的分析3 1励磁变压器的分析3 1 1两大类型干式变压器的比较3 1 2关于 环保特性 3 1 3市场前景展望3 2三相晶闸管整流柜3 2 1晶闸管的结构形式 3 2 2整流柜冷却方式3 3同步发电机的灭磁3 3 1常值电阻灭磁3 3 2非线性电阻灭磁3 3 3逆变灭磁3 3 4灭磁方式的探讨第四章励磁装置的保护4 1过电压的来源及保护方式4 1 1过电压的来源4 1 2抑制过电压的措施4 2过电流保护4 3自并激励磁系统轴电压的保护4 3 1轴电压的来源4 3 2轴电压的防护第五章微机励磁调节器5 1励磁调节器的分类5 2东方GES系列励磁调节器5 3PCC励磁装置产品介绍5 3 1概述5 3 2PCC型的主要特点5 3 3PCC型微机励磁调节器有以下主要功能5 3 4PCC型微机励磁调节器的主要技术指标5 3 5工作原理5 3 6软件介绍 5 3 7励磁变压器5 3 8晶闸管整流装置5 3 9灭磁及过压保护装置5 3 10起励方式附东方GES型发电机励磁装置电站 厂 调试大纲 第一章概述1 1同步发电机励磁的含义及其调节作用1 1 1发电机励磁的含义发电机是将机械能转变为电能的机器 但它必须具备有三个条件 a有磁场 转子 b有导线 定子 c有使导线切割磁力线的动力 水 汽轮机 因此 所谓发电机励磁就是用直流电源供给发电机转子使定子产生电势的磁场 E BVlE 发电机内电势B 转子产生的磁通密度V 发电机导线切割磁力线的速度l 发电机定子导线的长度从上式中可见 当V l不变时 E是随 的改变 亦即随转子电流的大小 而改变 故而研究发电机励磁就是要控制转子电流使发电机满足电力系统各种工况的要求 1 1 2发电机励磁的调节作用a提高电力系统稳定运行的能力电力系统无论受到任何扰动 通过调节同步发电机的励磁 使系统稳定运行的能力有所提高 当电力系统受到小干扰或大干扰 导致同步发电机转速出现小的或者大的变速状态 使静稳定性或动稳定性亦或暂态稳定性将受到不利的影响 这时 励磁控制将使这种影响得到抑制或消除 保持同步发电机的同步稳定 b维持电力系统的电压水平发电机的内电势E与发电机端电压U 发电机的负载电流I及发电机电抗x的关系可由如下公式表示 当电网的负载增大时 亦即发电机电流I增大 从上式中可看出 如E不变 则发电机端电压U下降 如装有励磁调节器 则励磁电流 即转子电流 可随负载的增加而增加 亦即E增加而使发电机端电压U维持在一定的水平上 相反 在发电机甩负荷后 自动励磁调节器可以及时减少励磁电流以限制机端电压不致过份升高 自动调节发电机的励磁 可以维持供电系统的无功功率或功率因数保持恒定 电压恒定是供电质量的一个重要标志 c提高发电机功率极限和电力系统传输功率的能力d改善电力系统及同步发电机的运行状态 提高继电保护装置的可靠性 当系统发生短路故障时 通过调节励磁 强励 使短路电流衰减得很慢 甚至不衰减 这就保证了短路电流使继电保护装置在整定值及时间内准确可靠地动作 平衡并网运行时各台发电机之间无功功率 使之合理分担系统所需无功 当系统短路故障消除 自动调节励磁使其加快系统电压恢复 通过控制励磁 除保持同步发电机的恒压运行外 还可以使系统作恒无功或恒功率因数运行 以提高电力系统运行的经济性 1 2同步发电机励磁系统的发展简介同步发电机传统的励磁方式是采用同轴的直流发电机作为励磁机 提供发电机的励磁电流 通过励磁调节器改变直流发电机的励磁 从而改变供给转子的励磁电压 以调节同步发电机的励磁电流 众所周知 这种励磁方式存在很多问题 如直流励磁机受制造容量限制 整流子和炭刷维护较麻烦 励磁调节响应较慢 这些问题使得这种励磁方式无法适应电力系统发展的需要 半导体励磁就是为适应电力系统发展需要而出现的一种新的励磁方式 半导体励磁是采用大功率的硅整流器或晶闸管组成整流电路 用电子整流方式将交流变换成直流 取代直流励磁机用机械整流方式获得直流励磁电源 从五 六十年代以来电力电子技术 计算机及现代控制理论等新兴科学相继在电力系统中得到应用并发展 这就为充分发挥励磁控制的作用 解决同步发电机和电力系统的稳定运行创造了条件 国内外的科技工作者相继研制成功强力式励磁调节器 电力系统稳定器 最佳励磁控制器和自适应控制器等 特别是微机被应用于同步发电机励 磁系统中 使半导体励磁技术有了一个质的飞跃 由于微机的应用使励磁调节功能得到了更大的扩展 为发展更大的同步发电机单机容量 电网的发展和提高电力系统稳定性 可靠性成为可能 我公司在八十年代初就投入到微机励磁调节器的研制工作中去 相继研制成功单微机励磁调节器 双微机励磁调节器和三微机励磁调节器 并应用于同步发电机的励磁系统中去 取得了很好的效果 1 3同步发电机励磁系统的分类 组成和特点1 3 1同步发电机励磁系统的分类同步发电机励磁系统可分成两大类 如下表所列 1 3 2同步发电机励磁系统的组成和特点1 3 2 1同步发电机励磁系统的组成a励磁系统主回路 由励磁电源 晶闸管整流器 灭磁回路 起励回路以及过流 过电压保护回路组成 b自动励磁电压调节器 由测量 给定比较 综合放大 移相触发 脉冲放大 加上各种限制器 补偿器 功率稳定器等各种功能模块组成 1 3 2 2同步发电机各励磁系统的特点1 3 2 2 1他励励磁系统他励励磁系统的特点是用同轴的交流励磁机作为主整流器的电源 励磁电源独立 不受电力系统运行情况变化的影响 根据所用整流器情况的不同 他励系统可分成下列几种形式a交流励磁机带静止硅整流器励磁方式这种励磁方式中 由于励磁机电枢及整流器均静止不动 其输出与同步电机励磁绕组滑环上的电刷相连接 所以又称为静态励磁系统 整个系统中 有与发电机同轴旋转的100HZ交流主励磁机 400HZ的中频永磁式副励磁机 习惯上将这种励磁简称为 三机 励磁系统 我公司20世纪90年代生产的200MW 300MW火电机组上 主要应用的就是这种励磁系统 如下图所示 主励磁机的输出经硅二极管整流后供给发电机的励磁 而主励磁机的励磁则取自于同轴的永磁励磁机 它是由传统的直流机励磁方式演变而来的 相当于用静止的半导体整流器代替了转动的机械整流器 这不但解决了整流子和碳刷运行维护问题 而且由于交流励磁机的制造容量可以不受限制 故能适应大型发电机励磁要求 这种励磁方式具有下列特点 励磁系统完全独立 不受电力系统运行状态的影响 用交流励磁机供电 励磁电源可靠 维护工作量较小 励磁调节反应速度较快 强励顶值电压易于满足电力系统稳定性的要求 副励磁机带晶闸管整流桥负载后 受每个周波内晶闸管换流的影响 输出电压的波形要产生畸变 给励磁装置的运行带来不利的一面 须在装置中采取措施进行避免 存在转动部件维护麻烦 b交流励磁机加旋转硅整流器励磁方式 无刷励磁 这种励磁方式的原理与上述他励静止整流励磁方式相同 但结构不同 交流励磁机的直流励磁绕组固定不动 励磁机的交流电枢绕组 硅整流器与主机励磁绕组一起 在一根转轴上旋转 因而发电机的励磁绕组与硅整流器处于相对静止的位置 直接电连接在一起 没有了将静止部件中的电流引入旋转部件的滑环电刷结构 故称无刷励磁 无刷励磁的主要优点是 没有整流器 子 滑环 碳刷 不需要进行这方面的维护工作 也无机械换向事故 运行的可靠性提高了 没有碳粉和铜沫引起电机线圈污染 故电枢绕组绝缘的寿命较长 没有滑环容量的限制 励磁机的容量可以作的很大 与 三机 励磁系统相比 相近的励磁调节性能 随着单机容量的进一步增大 无刷励磁更优越些 在易燃 易爆的环境条件下 无刷励磁不会因滑环的滑动电气接触而产生火花造成恶性事故 由于取消了整流器 子 和滑环 在带有腐蚀气体场所 只要对绝缘采取措施 亦可运行 无刷励磁在运用过程中也存在着下列几个方面的问题 无刷励磁主要是从发电机及励磁系统的整体性出发形成的 其投入 切除及运行 均以整机为单元 因而对励磁系统内的各组件要求很高 而旋转整流器及其辅助设备 熔断器 电阻 电容等 在运行中要承受强大的离心力 对这些部件间的机械连接和电连接是一个极大的考验 要求有很高的维护检修水平 发电机的励磁是通过调节交流励磁机的励磁来间接调节的 而交流励磁机作为一个机电组件 其时间常数较大 使励磁系统的反应速度降低 发电机的转子电流 电压不能直接测量 由于发电机转子与硅整流器在一根轴上旋转 目前尚无法在发电机磁场回路中装入灭磁开关及灭磁电阻 当发电机内部及外部故障 需要立即进行停机灭磁时 无刷励磁不能马上直接对发电机磁场回路进行灭磁 而是通过对主励磁机磁场回路进行灭磁来间接对发电机进行灭磁 灭磁时间较长 对事故的迅速处理不利 这是这种励磁方式的最大缺陷 对旋转元器件的故障检测与报警技术有待进一步完善 发电机转轴上增加了旋转硅整流器盘及其辅助部件 转轴长度势必增加 这样又增加了整个汽 电机轴系的长度和重量 这对整个轴系的稳定是不利的 1 3 2 2 2自励励磁系统 这类励磁系统的共同特点是励磁电源取自发电机自身 用励磁变压器或与励磁变流器共同供给整流装置变换成直流后 再供给发电机本身 这种励磁系统称为自励励磁系统 按励磁功率引出方式的不同 自励励磁系统可分为自并激励磁系统 自复激励磁系统二种 常用的 且应用也最广的是自并激励磁系统 a自并激励磁方式 电势源静止励磁机系统 这是自励励磁系统中接线最简单的一种励磁方式 其典型原理图如下所示 自并激励磁系统原理图励磁电源由一台接于机端的励磁变压器取得 经变压器ET降压后 接入晶闸管整流器SCR 通过晶闸管整流成直流后 供给发电机磁场绕组 自动励磁调节器从发电机机端取得信号 控制晶闸管的导通角 从而按需要控制发电机励磁电流 自并激励磁方式的主要特点是 设备和接线比较简单 由于无转动部分 具有较高的可靠性 造价低 励磁变压器放置自由 缩短了机组轴系长度 励磁调节速度快 因为励磁电源相对不独立 故而需要起励电源 由于整流输出的直流顶值电压受发电机端或电力系统短路故障形式 三相 二相或单相短路 和故障点远近等因素的影响 因而被怀疑是否能满足强励的要求等等 目前这些技术问题都已相继得到解决 b自复激励磁方式 复合源静止励磁机系统 励磁电源除来自机端的励磁变压器外 还取自于与发电机定子回路串联的励磁变流器 这就是自复激励磁 其原理图如下所示 按照励磁电源在交流侧或是直流侧复合 自复激又可细化为四种励磁方式 直流侧并联自复励方式 直流侧串联自复励方式 交流侧并联自复励方式 交流侧串联自复励方式 其中交流侧串联自复励方式最常用 故而介绍此种励磁方式 这种励磁系统中晶闸管的阳极电压是与定子电流成比例的励磁变流器 串联变压器 的二次电压与机端供电的励磁变压器二次电压相量和 经过晶闸管桥整流输出的励磁电流能反应定子电压 定子电流和功率因数的变化 用自动励磁调节器控制晶闸管的触发角来调节励磁电流的大小 其主要特点为 时间常数小 反应迅速 调节灵敏 当发电机近端短路时 能迅速强励 机组不易失磁 励磁系统受电网干扰小 与自并励相比较 接线较复杂 设备较多 励磁变流器副方尖峰过电压问题较严重 同样需要起励电源 第二章自并激励磁系统目前由于自并激励磁系统自身的优点 已在国内 外水 火电的大 中 小型同步发电机组上得到广泛的应用 因此对该励磁系统进行着重的介绍 2 1自并激励磁系统主电路的接线方式这是自励励磁系统中接线最简单的一种励磁方式 其典型原理图如下所示 自并激励磁系统原理图励磁电源由一台接于同步发电机机端的励磁变压器取得 经变压器ET降压后 接入晶闸管整流器SCR 通过晶闸管整流成直流后 供给发电机磁场绕组 自动励磁调节器从发电机机端取得信号 控制晶闸管的导通角 从而按需要控制发电机励磁电流 励磁变压器通常采用环氧浇注 干式 自冷型式 有温控报警 其高压侧不设自动开关 副边根据需要可设 可不设开关或自动开关 高压侧接线必须包括在发电机的差动保护范围之内 副边出线口装有电流互感器TA 作为励磁调节器的测量转子电流信号 励磁变压器绕组的联接组别一般为Y d 11 也有采用D y 11 目的为了消除由于晶闸管整流换向引起波形畸变所产生高次谐波中的三次谐波及其三倍的高次谐波之影响 2 2自并激励磁发电机的起励当机组启动后 在转速接近额定值时 机端电压为残压 其值一般较低 约为额定电压的1 2 这时由于同步电压太低 调节器可能还不能正常工作 晶闸管不能开放 故而没有励磁电流送出使发电机建立电压 因此 必须采取措施 先供给发电机初始励磁 以便发电机能够建立起一定的电压 完成起励过程 起励措施有两类 第一类是他励起励 第二类是残压起励 a他励起励其基本作法是另设起励回路 由另外的电源供给初始励磁电流 起励电源可以是厂用蓄电池 直流 也可以是厂用交流电 厂用交流电一般通过起励变压器降压后 由二极管整流变成直流 然后通过限流电阻和直流接触器 将起励回路接入发电机磁场回路 对采用厂用蓄电池电源的 起励回路中须接入一正向二极管 防止发电机建压过程中的反充电 起励时 起励接触器闭合 励磁电流送入发电机磁场绕组 发电机电压逐渐升高 当电压升至额定电压的10 30 时 起励回路断开 进行自励 起励电源容量和电流的选择 一般遵循这种原则 起励电流选择为发电机空载额定励磁电流的10 左右 持续时间5 6秒 b残压起励当发电机残压较高 约5 以上 时 可利用残压起励 这要求励磁调节器在同步信号为5 以上时 能输出触发脉冲 使在起励初始阶段 整流桥中的晶闸管完全导通 然后在励磁调节器的控制下 将发电机的电压升至所整定的电压 目前采用微机励磁调节器后 对于同步信号可降低至2 5 左右时即可残压起励 当残压不能满足起励要求 经过几秒钟的延时 自动投入他励起励方式 2 3自并激励磁发电机短路电流的特点及计算2 3 1自并激励磁发电机短路电流的特点由于自并激励磁的励磁电源取自于发电机机端 因此当自并激励磁发电机发生短路时其短路电流与常规励磁发电机发生短路时的短路电流有一些共同点 也有其特殊性 共同点为 一是两种励磁方式的发电机短路电流的超瞬变分量是相同的 因为超瞬变分量由发电机阻尼绕组的参数决定 与励磁方式无关 二是两种励磁方式的短路电流 的瞬变分量的起始值相等 因为它是由励磁绕组磁链守恒原理决定的 也与励磁方式无关 其特殊性为 瞬变分量衰减的时间常数二者不同 而且当近端三相短路时 自并激励磁发电机的短路电流会一直衰减到零 没有一个稳定值 注 常规励磁是指采用半导体励磁调节器的直流励磁机方式和交流励磁机带硅整流器的励磁方式 这两种励磁方式都存在着励磁机励磁绕组的时间常数 因此整个励磁系统的时间常数较大 2 3 2自并激励磁发电机短路电流的计算目前采用自并激励磁系统的发电机在机端至主变的引线均采用封闭母线 使机端发生短路的概率很小 故以主变高压侧发生三相短路时这一最为严重故障工况来计算其短路电流 几个假设 根据发电机组的额定容量SGN 取主变容量ST为1 1 SGN 主变压器的阻抗为UK 14 短路前机端电压为UGN 短路前发电机为空载即Ed Ed Ed 1 短路切除时间速动为0 5s 后备保护动作切除时间为3s a发电机短路电流计算 b三相突然短路瞬间阳极电压的计算 式中 KfT 励磁变压器变比 发电机额定相电压c三相突然短路瞬间励磁系统提供的转子电压的计算 自并激励磁发电机短路时 励磁回路等效时间常数 d计算短路临界切除时间 Id衰减到10 Idk时 实际应用证明 按照我公司对励磁变压器选择的参数能满足在主变高压侧三相短路时0 15 0 5s速动切除短路点和后备保护3s内动作切除短路点后 发电机能自动建压恢复运行 2 4自并激励磁发电机对继电保护的影响自并激励磁发电机发生近端短路 特别是三相对称短路 时 短路电流迅速衰减 这对继电保护动作来说 在强励能力不足的情况下会使其后备保护无法动作 因此对自并激励磁系统必须采取相应的措施 目前在大 中型水 火电机组上机端到主变压器的引线 包括到励磁变压器的高压侧的引线 均采用封闭母线 这就使具有自并激励磁系统的发电机发生近端短路 包括三相短路 的概率达到非常非常小 几乎为零 如果短路发生在主变高压侧 以三相短路为例 根据实例计算能保证继电保护在0 15 0 5s速动 后备保护在3s内动作时短路电流衰减在1 5 1 7倍以上 另外也可采用过电流起动 记忆 带时延的低电压保护 当发生短路时电流突增 电压突降 电流继电器起动后仍然保持着它的作用 记忆 如果在整定的时间内电压还不恢复 电压继电器一直在起动状态 则动作于跳闸 2 5自并激励磁系统与电力系统稳定先介绍电力系统稳定的基本术语 静态稳定 指电力系统的负载 或电压 受到微小扰动时 系统本身保持稳定传输的能力 这主要涉及到发电机转子功角过大而使发电机同步能力减少的情况 动态稳定 主要指系统遭受大扰动之后 同步发电机保持和恢复到稳定运行状态的能力 失去动态稳定的主要表现形式为发电机之间的功角及其它量产生随时间而增长的振荡 或者由于系统非线性的影响而保持等幅振荡 这一振荡也可能是自发性的 其过程较长 如果在大扰动事故后 采用快速和高增益的励磁调节系统所引起的振荡频率在0 2 3Hz之间的自发振荡 属于动态稳定范畴 2 5 1自并激励磁系统对静态稳定的影响由于自并激励磁系统的反应灵敏 调节速度快 对于同步发电机遭受微小扰动时 根据理论分析和实验证明 自并激励磁系统的发电机可稳定运行在极限功率角 max为110 130 的范围内 常规励磁系统极限功率角 max为90 2 5 2自并激励磁系统对动态稳定的影响当电力系统遭受大扰动 如突然短路并切除 之后 机端电压下降 励磁系统给出顶值电压进行强励 并平息振荡 过去人们认为 自并激励磁系统在短路时强励能力不足 动稳定极限低 但是应该从短路地点 短路种类作具体分析 对于远方短路 电压下降不多不影响强励倍数 对于近端不对称短路 特别是单相短路 也不影响强励倍数 对于主变高压侧 目前在大 中型发电机组的出口端到主变副边都采用封闭母线 故而近端不太可能发生三相短路 三相短路 由于主变有一个短路阻抗 因而机端电压不可能降到零 故而还有一定的强励作用 另外在大 中型发电机组中 本身有一定的固有强励倍数 因而只要在0 15 0 7s内切除短路点 自并激励磁系统随着电压的恢复 强励能力也就恢复 第三章同步发电机励磁系统主回路的分析同步发电机励磁系统主回路包括有 励磁变压器 晶闸管功率装置 灭磁装置及过电压保护装置 保护装置在第四章单独阐述 3 1励磁变压器的分析在自并激励磁系统中励磁变压器是一个很重要的设备 一般采用干式 环氧浇注型的变压器 也有提出采用纸绝缘 那末它与环氧浇注型有何不同 下面作一些简单的介绍 变压器分成干式和油浸式两种绝缘冷却方式 而干式变压器又可分为环氧浇注型 包括带填料与不带填料的 注型式与绕包式等 其绝缘耐温等级为B F H级 以F级应用最多 另一类型则是浸渍式 包括绕组绝缘材料用NOMEX纸的以及不用NOMEX纸的等类型 其绝缘耐温等级一般为H级 3 1 1两大类型干式变压器的比较a机械强度和耐受短路的能力 环氧浇注式线圈的整体机械强度好 耐受短路的能力最强 因为其高 低压绕组是在模具内进行整体浇注 经加热固化成型 从而形成一个机械强度很高的圆柱体 由于没有垫块这类支撑点 所以导线不会承受弯曲应力 无论对突发短路时的轴向电动力或幅向电动力均有很强的耐受能力 因而机械强度高可以认为是环氧浇注干变的最大优点 无论从运行实践或突发短路试验结果都证实了这点 浸渍式干变主要采用饼式线圈 低压导线与铁心之间靠撑条支撑 而作为饼间绝缘介质的空气其绝缘强度又大大低于环氧树脂 所以轴向绝缘尺寸较大 相应饼间电容较小 因而在冲击过电压作用下的过电压分布特性较差 其机械强度与耐受短路电动力的能力就大大不如环氧浇注式干变 根据发达国家的经验 采用NOMEX纸 VPI 真空压力浸渍 工艺的开敞通风式H级干变 其BIL 基准冲击水平 值最高仅能达150千伏 相应只能制造33千伏级的干变 相反 国际公认的环氧浇注干变的BIL值可达250千伏 即可以制造到66千伏级的干变 由于环氧浇注式干变采用层式线圈 沿其轴向可设置多个散热风道 故可以制造大容量的干变 目前国际公认 环氧浇注式干变的最大容量可达2万千伏安 而浸 渍式干变仅能达到0 8 1万千伏安 因此 要生产高电压 大容量的干变 非环氧浇注式莫属 b损耗及过载能力 从理论上来说 干变的过载能力是与其热容量成正比 而与其负载损耗成反比的 采用饼式线圈的浸渍式 其自身的散热性能并不优于环氧浇注式 所以 绝不能简单地说浸渍式干变的过载能力就一定优于环氧浇注式 环氧浇注式干变的环氧树脂耐电压强度较之空气要高出许多 约3 5 4倍 其线圈包封为2mm树脂层 在同等绝缘水平条件下 浸渍式干变线圈的段绝缘距离 主风道距离和饼间绝缘距离较环氧浇注式干变大15 因而在同等耐电压绝缘水平和尺寸条件下 根据对比计算分析和制造试验验证 浸渍式干变的损耗较环氧浇注式干变大15 20 另一方面 在同等绝缘水平和尺寸条件下 相同的绝缘等级 H级 由于环氧浇注干变的额定损耗和额定温升低 具有节约能源环保的优点 同时由于额定温升低 其过载能力强 只有当不仅线匝的绝缘采用NOMEX纸 而且所有绕组的绝缘件 如撑条 垫块等 也都采用NOMEX纸件来制造时 这样的浸渍式干变才具有较强的过载能力 这是由于NOMEX纸是C级绝缘材料 其耐热温度可达220 故用它来制造H级 耐热温度为180 的干变 一开始就存在有20 左右的过载热裕度之故 但是NOMEX纸的价格昂贵 我国目前生产H级浸渍式干变的厂家 往往只是在匝绝缘中使用它 而绕组的其他绝缘件都采用一般的H级材料 因而对这样的H级干变 就不能一概认为它具有较强的过载能力 目前国产的浸渍类干变都是H级的 由于其损耗标准较高 这对节能降耗不利 从理论上来说 H级产品较之F级可以尺寸更小 重量更轻 但实际上从各厂的产品样本看 这两种类型产品并无多大差异 c防潮及耐腐蚀性能 环氧浇注式干变的防潮及耐腐蚀性能比较好 尤其适用于在极端恶劣的环境下工作 相反 传统浸渍式干变的主要缺点就是防潮性能差 且容易吸尘 在投入运行前需要预热等 即使在采用NOMEX纸以及真空压力浸漆等新工艺后 虽然这些缺点可以一定程度得到克服 但一些本质上的问题却依然存在 d局部放电与运行寿命 由于环氧浇注式的线圈经过真空处理和浇注成型 匝间和层间无气泡 在同类产品中 其局部放电最低 此外环氧浇注式干变的机械强度高 在短路电动力的作用下不 会变形 且防尘 防污性能好 故运行寿命长 根据国外的报导 其运行寿命较之OVDT类干变要长 以往影响环氧浇注变压器运行可靠性与寿命的主要问题是浇注线圈的开裂 但是随着薄绝缘玻璃纤维增强结构的采用以及原材料的进步和浇注工艺的改进 目前这一问题已很好解决 当然一旦树脂混料不均匀或浇注工艺有缺陷时 仍有开裂或内部出现气泡而使局部放电增大等事故产生 相反 浸渍式干变却无需担心开裂 在采用NOMEX纸后 由于匝绝缘较薄 绕组内部的温度分布也比较均匀 浸渍式干变的最大优点是无需浇注设备与模具 初期投资可大大节省 另外 产品设计的灵活性也较大 特别是生产油浸式变压器厂转产这类产品较容易 e运行维护 环氧浇注式的运行维护工作量可认为是很小的 特别是可以立即从备用状态下投入运行而无需预热去潮 这是因为它的防潮 防尘性能好 无需预热 因而可立即投运并带负荷运行 浸渍式线圈的表面是靠真空压力浸漆 VPI 后的薄的复盖绝缘层来绝缘的 所以这种变压器在停运状态下 就容易因吸潮而降低其绝缘水平 在投运后可能引起局部放电增大 甚至发生绝缘击穿等严重事故 因此 为可靠起见 当停运一段时间后再重新投运时必须先行预热去潮后 才能投运带负荷 这样势必造成停电后投运时间的延长 对可靠性造成一定影响 且维护工作量也较大 3 1 2关于 环保特性 a从材料的环保特性到产品制造与运行的环保特性NOMEX纸作为已有多年使用业绩并经认证的一种材料 其环保特性是获得认可的 至于其他一些H级材料及浸漆生产过程 在环保特性方面的优越性如何 现仍缺乏足够的依据 对环氧树脂材料而言 本身既是无毒的且在制造过程中也不污染环境 在环氧树脂浇注干变制造中 环氧树脂复合材料主要应用在线圈浇注绝缘 铁心绑扎涂覆 以及各种绝缘成型件 环氧树脂浇注干变结构设计时 选用环氧树脂作为固体绝缘 这种绝缘技术本身赋予了变压器运行时无油化 难燃防火的环保特性 环氧树脂固体绝缘干式变压器 在运行中没有温室气体泄漏 无油污 难燃防火 环氧树脂配方中没有卤素和硫元素 即使着火燃烧也不会有卤素化合物以及硫化物的产生 燃烧时主要分解 产物为H2O CO2等 没有毒害气体产生 故不会对人员和环境有任何危害 即使燃烧也不会放出有害气体 应当指出的是 薄绝缘环氧树脂浇注式干变 在燃烧时所释放的能量与NOMEX纸及用其它H级绝缘材料制造的浸渍类干变相比 也是较小的 2000年曾将一台薄绝缘环氧树脂浇注式630kVA的干变在法国顺利通过F1级的燃烧试验 这证明它满足最新国际标准中对干变燃烧特性的要求的 另外 我国的一些大型工程中还直接从欧洲一些著名厂家进口了一批大容量环氧浇注式干变 而这些干变都是通过了燃烧特性 环境特性以及气候试验这三项特殊试验的 这说明环氧树脂干变的使用是符合环保要求的 b产品寿命终结后回收降解处理的环保问题根据近年来对欧洲和美国所做的调查 国外厂家都明确表示 两种产品的回收处理是相似的 产品寿命终结后的最终处置原则是回收利用可再生资源 环保处理废弃物料 对环氧树脂浇注干式变压器而言 就是拆解变压器 回收钢结构件及硅钢片 分解线圈 回收铜 铝 导体 剩余的少量环氧树脂绝缘材料进行环保处理 这包括有三种途径 焚烧 发电 地下填埋 粉碎后用作建筑材料 它的废弃物处理不会造成对环境的污染 已用于道路填埋 公路建造中 3 1 3市场前景展望目前就世界范围来看 环氧浇注干变主要应用于欧洲以及亚州的中国 日本 韩国以及东南亚等广大地区 而浸渍式干变则主要是美国应用较多 这与NOMEX纸的产地是美国等特殊国情有关 总的来说 就全世界而言 环氧树脂式的市场占有率要显著高于浸渍式干变 迄今 我国的环氧浇注式干变无论是工厂规模 产量或是技术水平都已达到世界先进水平 2002年其总产量约为20000MVA 约占我国干变市场份额的95 从全世界来看 预期今后在相当一段时间内 这两大类型的干变都将共存 也正如前所述 它们也各有其优缺点 但由于我国这10多年来在环氧树脂干变制造技术上所取得的成就 以及它本身所固有的许多优点 并考虑到使用部门早已熟习了这类干变的运行维护 因而 从保证运行可靠性 减少备品 备件的品种以及提高运行 检修效率等方面来看 今后还是会大量使用环氧浇注式干变 这也与欧洲等发达国家的先例是完全一致的 3 2三相晶闸管整流柜3 2 1晶闸管的结构形式在晶闸管的结构选择上 目前国际上主要有两种结构 SIEMENS 英国R R 和GE均为抽屉式结构 即每个晶闸管 脉冲放大 检测 阻容保护等元件均通过独立框架组合成一个独立的晶闸管模块组件 选取六只模块组件可以组成一个全控整流桥 冷却风道由然结合而成 这种方式造成了各厂家的晶闸管模块组件内部结构完全不同 不具有互换性 我公司采用的是平板式结构晶闸管 晶闸管桥安装在一块整体绝缘板上 分为上 下两层布置 U V W相晶闸管在上部 U V W相晶闸管在下部 在晶闸管U V W相元件间安装耐高压绝缘隔板 有些小型的机组或阳极电压不太高的可不安装 用以防止晶闸管相间短路 冷却风道采用高绝缘的阻燃透明PC板经热压后成形 由面板和侧板紧贴晶闸管拼装组成 外观质量好 加工方便 结构简捷 该结构的风道由于较好的密闭 不存在漏风 最有效地达到散热效果 对发热元件如熔断器 风道开有导风泄漏孔 以便冷却熔断器 风道中除去晶闸管散热器及管芯占据的位置后 有效的风道通风面积为0 2m2 风阻限制在一定范围内 确保上 下两层晶闸管的可靠散热 风道设计时 考虑了进风口和出风口温差小于10K 因此虽然串联风道中各层之间的进风温度有差别 但在允许误差内 平板式结构晶闸管是标准结构的晶闸管 通用性 互换性很强 为了保证励磁系统安全可靠地运行 在晶闸管整流桥交流侧加装整流桥式阻容吸收器电路 在每只晶闸管元件两端并联R C阻容吸收电路以减少换相过电压 同时减小直流输出的毛刺电压 晶闸管侧的吸收电路设计在散热器旁 减少线路电感 保证散热 而且美观 晶闸管安装方式见下图 3 2 2整流柜冷却方式目前 晶闸管的冷却普遍采用强迫风冷 对于小功率元件也有采用自然冷却和热管冷却的 在几种冷却方式中 以强迫风冷为主 强迫风冷也有集中冷却和独立冷却之分 采用风冷的国外知名生产厂家有ABB 西门子 ALSHTOM 罗尔斯 罗易斯等公司 国内厂家也绝大部分采用强迫风冷的冷却方式 虽然均为风冷系统 但设计上也有区别 ABB公司在冷却系统中采用双风机结构 风机置于柜底 独立冷却 西门子是将风机装于柜顶 双风机互为备用 加拿大GE公司的功率柜风冷有特色 专门有一个风冷柜 由2台主备工作的风机抽风 通过风道走廊送到各柜体供风 冷却效果好 属集中冷却 但体积庞大 不方便水电站机旁柜体布置 一般强迫风冷方式风机可以安排在整流桥或柜顶上部 也可以安排在下部 如果风机装在柜体顶盖上方 优点是风机的型号便于选择 目前 这类风机使用轴流式风机 规格齐全 另一优点是不占柜体空间 柜内可布置更多排晶闸管 安装较多的部件 但是 柜顶布置风机也有许多缺点 顶部安装风机振动大 噪音高 可靠性差 在运输时 由于功率柜尺寸高于其它柜体尺寸 给包装运输带来困难 有时需要将风机单独发货 到现场后装配 均有些不便 在现场布置中 顶装式风机也不与其它柜体协调 不美观 针对目前对功率柜提出的高可靠性 大容量 小振动 低噪音等要求 通过吸收国内外先进经验 我公司设计了内置式专用风机箱 安装在柜体底部 风机箱内安装二台进口高转速 低噪声风机 可以将柜外的风通过前门的进风过滤网抽进后直接在风道内吹向晶闸管整流桥 对晶闸管整流桥进行强迫冷却 热风由柜顶的通风道排出柜外 每个风机都单独装有行程检测开关 当某一风机故障时 行程开关动作 发出报警 冷却风机采用单相220V双回路电源供电 两路电源能相互闭锁和切换 完全达到100 的冗余效果 使整流装置实现了真正的振动小 噪音低 可靠性高 保证了柜内电气部件的长期可靠工作 另外还可将AC380V三相电源分相接于各柜 避免了三相电源断相造成各柜风机全停引起的故障 3 3同步发电机的灭磁灭磁的作用是当发电机内部及外部发生诸如短路及接地等事故时迅速切断发电机的励磁 并将蓄藏在励磁绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中 快速灭磁有两种方式 一种是耗能型的 即将磁场能量消耗在磁场开关装置中 应用 最为广泛的是DM 2型和DW10M型 目前已基本不采用DM 2型磁场开关 因其自身有一些致命的缺点 DW10M型在要求不高的小型机组上还可以采用 另一种灭磁方式是移能型的 即将磁场能量由磁场断路器转移到线性或非线性电阻耗能元件中 现已大量应用在各种类型的发电机组中 一般认为水轮发电机组由于转子本体的阻尼作用较小 在灭磁时励磁回路中的磁场能量几乎为灭磁装置全部吸收 因此需要快速灭磁 以阻止事故的扩大 在采用交流励磁机或自励晶闸管励磁系统中 灭磁方式多数采用磁场断路器加SiC 进口 或ZnO非线性电阻灭磁 并和逆变灭磁配合使用 对于汽轮发电机 鉴于转子本体具有很强的阻尼作用 由阻尼绕组全电感及电阻所决定的阻尼绕组时间常数TD远大于由阻尼绕组漏电感及电阻之比所决定的超瞬变时间常数Td 因此 尽管采用快速灭磁系统 也只能加速纵轴励磁绕组回路中的转子励磁电流的衰减 而不能使蓄藏在发电机转子本体以及横轴阻尼绕组中的能量迅速消失 且往往这部分在一定的条件下占的比例还比较大 例如一台400MW的汽轮发电机在功率因数为1时 其横轴磁通分量为87 纵轴磁通分量为48 因此得不到快速灭磁的效果 故而对于大型汽轮发电机多采用简化的灭磁方式 a无刷励磁系统因无法在发电机励磁绕组回路中接入灭磁装置 故只能在交流励磁机励磁绕组侧进行灭磁 而发电机励磁回路则经旋转整流器按相应发电机时间常数进行自然灭磁 b交流主 副励磁机的静止整流器励磁系统国外均以在交流主励磁机励磁回路设置磁场开关作为典型灭磁方式 国内则多以在发电机主励磁回路设置两或三断口磁场断路器及线性电阻作为主要灭磁方式 c静止自励系统国外采用磁场断路器加线性电阻或SiC非线性电阻的灭磁方式 国内也采用磁场断路器加线性电阻或SiC 进口 或ZnO非线性电阻的灭磁方式 在正常灭磁时 一般采用逆变灭磁 下面介绍三种常用的灭磁的方法 3 3 1常值电阻灭磁这种灭磁方式运用范围较广 其原理是 发电机正常运行时 磁场开关处于闭合状态 当发电机需要灭磁时 磁场开关常闭主触头闭合 在磁场回路接入灭磁电阻 紧接着磁场开关常开主触头断开 切断磁场电源回路 发电机磁场的储能 通过转子绕组电阻和灭磁电阻进行消耗 转子回路的电流呈指数规律衰减 衰减的快慢取决于 灭磁电阻的大小及灭磁时转子滑环间最高容许电压 如取灭磁时转子滑环间最高容许电压为发电机额定励磁电压的5倍 则灭磁电阻Rm为励磁绕组电阻的5倍 并以转子绕组电流Ifd衰减到初值的1 所经过的时间为灭磁时间Tm 则可计算出灭磁时间为 Tm 0 77T do其中 T do 发电机定子绕组开路时转子绕组时间常数需要指出的是 如果发电机的励磁电源取自交流励磁机 则发电机灭磁时 突然断开励磁机电枢回路 相当于励磁机甩负荷 会在励磁机磁场回路感生出很高的过电压 因而在励磁机的磁场回路也应装设灭磁电阻 其电阻值一般选取励磁机励磁绕组电阻的10倍左右 并通过磁场开关联动投入 3 3 2非线性电阻灭磁利用放电电阻灭磁的方案 由于受转子容许过电压的限制 放电电阻不能取得太大 灭磁时间还是较长 如果采用非线性电阻作为放电电阻 则灭磁性能就好得多 非线性电阻的特性是 其两端电压衰减速率远远小于其电流衰减速率 当通过其电流较小时 它呈现的动态电阻较大 通过其电流较大时 它呈现的动态电阻较小 适当选择非线性电阻的特性和阻值 可以在灭磁初瞬使转子电压不超过容许值 在其后的灭磁过程中 电压变化率基本上接近于恒定 即电压值基本不变 灭磁曲线接近理想灭磁曲线 灭磁时间就短得多了 非线性电阻根据阀片的材质不同可分为碳化硅 SiC 和氧化锌 ZnO 非线性电阻 就其非线性特性而言 氧化锌非线性电阻优于碳化硅非线性电阻 且氧化锌非线性电阻具有较小的泄漏电流和较陡的非线性特性 非线性电阻其端电压与通过非线性电阻电流的函数关系可表示如下 式中 C 非线性电阻位形系数 与阀片的材质 几何尺寸以及电阻串 并联组合方式有关 非线性电阻系数 与电阻阀片的材质有关 非线性电阻系数 与电阻阀片的材质有关 它与的关系为 1 氧化锌非线性电阻 20 40 即 0 025 0 05 碳化硅非线性电阻 2 4 即 0 25 0 5如取灭磁初瞬转子过电压值倍数为5倍 采用氧化锌非线性电阻灭磁 其非线性系数 0 025 则此种灭磁方式的灭磁时间为 Tm 0 187应说明的是 上述的灭磁时间是基于理想灭磁过程得出的结论 3 3 3逆变灭磁在灭磁过程中 如果向转子励磁绕组施加一个比较大的负值恒定电压 则可认为转子电流基本上按直线率下降 灭磁时间就会加快 而转子过电压又在容许范围内 这正是晶闸管全控桥的一个特性 即在灭磁时把晶闸管控制角 后退到最小逆变角 min的位置 使整流桥由 整流 工作状态过渡到 逆变 工作状态 这样加到转子励磁绕组上的就是一个恒定的负值电压 逆变状态的深浅受晶闸管最大控制角 逆变角 的控制 逆变角的大小直接决定了逆变时励磁绕组两端负值电压的大小 当靠近发电机出口短路 在强励之后进行逆变灭磁时 逆变产生的负值电压与灭磁初瞬时的励磁电压比值a取为1 则灭磁时间为 Tm 0 7当发电机在额定工况下进行逆变灭磁时励磁电压比值a取为1 5 则灭磁时间为 Tm 0 51由此可见 逆变灭磁比非线性电阻灭磁的灭磁时间要长些 但过电压倍数也低些 当逆变进行到励磁绕组中的剩余能量不能再维持逆变时 三相全控桥的电流为零 逆变便结束 一般说来 逆变灭磁总是和磁场开关加非线性电阻灭磁方式配合起来使用 发电机正常停机时采用逆变灭磁 事故停机采用磁场开关加非线性电阻灭磁方式 而对带静止硅整流器的 三机 励磁系统 事故停机时对主励磁机磁场采用逆变灭磁 对发电机磁场采用其他方式灭磁 但对带副励磁机的无刷励磁系统 无论是正常 还是事故停机 对主励磁机磁场的逆变灭磁 则是一种主要的灭磁方式 3 3 4灭磁方式的探讨 随着电力系统的扩大和同步发电机单机容