励磁系统设计导则.doc

东北电力设计院 技术标准 Q DB 1 D011 2007 交流同步发电机励磁系统设计导则 2007 10 20 发布 2007 10 30 实 施 中国电力工程顾问集团东北电力设计院 发 布 Q DB 1 D011 2007 I 目目 次次 前言 III 1范围 1 2规范性文件 1 3总则 2 4同步发电机励磁系统的作用和性能要求 2 4 1 同步发电机励磁系统的主要作用 2 4 2 励磁系统应具有的性能 3 5同步发电机的励磁种类和对励磁系统的基本要求 3 5 1 励磁系统的分类 3 5 2 对励磁系统的基本要求 3 6同步发电机励磁调节系统对电流 电压采集的基本要求 5 6 1 对电流互感器的要求 5 6 2 对电压互感器的要求 5 7目前大中型汽轮发电机的常用励磁方式 5 7 1 三机旋转励磁系统的特点 5 7 2 自并励静止励磁系统的特点 7 7 3 国内大中型汽轮发电机的常用励磁方式的应用情况 9 8自并励方式的优势 9 8 1 励磁系统可靠性增强 9 8 2 电力系统的稳态 暂态稳定水平提高 9 9大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统设计 10 9 1 自并励系统的应用条件 10 9 2 励磁调节器的选择 10 9 3 发电机起励问题 11 9 4 可控硅励磁功率柜的选择 11 9 5 灭磁及过压保护装置的配置 12 9 6 励磁变压器及励磁回路继电保护 12 Q DB 1 D011 2007 II 9 7 励磁变压器和整流装置的一些要求 14 9 8 发电机短路试验有关设施和措施 14 9 9 有关的技术条件和国家标准 15 9 10 励磁变压器及相关设备配置选择原则 16 9 11 励磁变压器的计算及选择实例 19 10结论 22 参考文献 23 附录 A 汽轮发电机励磁系统技术规范书 24 Q DB 1 D011 2007 III 前前 言言 励磁系统是同步发电机组的重要组成部分 它的技术性能及运行的可靠性 对供电 质量 继电保护可靠动作和发电机及电力系统的安全稳定运行都有重大的影响 为规范 设计程序 提高设计效率和设计成品质量 特制定本标准 本标准根据 Q DB 2 A001 2006 企业标准编制导则 的有关规定编制 随着技术的发展和设计手段的进步 本标准 将不断充实和完善 本导则由东北电力设计院电气室提出 本导则由东北电力设计院质量技术部归口 本导则由东北电力设计院电气室负责解释 本导则主要起草及校审人员如下 批准 安力群 审核 聂 君 校核 李岩山 编制 孙建平 Q DB 1 D011 2007 1 交流同步发电机励磁系统设计导则交流同步发电机励磁系统设计导则 1范围范围 本导则针对大中型火力发电厂发电机励磁系统的作用和性能 常用励磁方式 励磁 设备选型 设计原则 接口范围等等进行了论述 并介绍了设计的方法和技巧 使设计 者能较快的完成发电机励磁系统的计算和设计工作 本导则适用于容量为 300MW 600WM 火力发电机组的发电机变压器组二次接线图设 计 对于小于 300MW 机组或大于 600WM 机组的工程 可参照使用 本导则适用于新建或扩建电厂的设计 改造工程的设计 也可参照使用 2规范性文件规范性文件 火力发电厂设计技术规程 火力发电厂 变电所二次接线设计技术规定 透平同步电机技术要求 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 同步电机励磁系统 变压器类产品型号编制方法 J B T3837 电力变压器 GBl094 idt IEC76 干式电力变压器 GB6450 idt IEC726 变流变压器 GB Tl8494 1 idt IEC61378 1 电力变流变压器 JB T8636 半导体变流器基本要求的规定 GB T 3859 1 93 半导体变流应用导则 GB T 3859 2 93 半导体变流器 变压器和电抗器 6B3859 3 93 电力工程直流系统设计技术规程 发电厂 变电所电缆选择与敷设设计规程 电力工程电缆设计规范 继电保护和安全自动装置技术规程 电测量仪表装置设计技术规程 火力发电厂电力网络计算机监控系统设计技术规定 Q DB 1 D011 2007 2 电力工程电气设计手册 电气二次部分 3总则总则 为确保火力发电厂发电机励磁系统针对机组和系统的安全可靠 快速反应 发电机 励磁系统必须保证技术先进成熟 经济合理 符合电网和发电机的特殊要求 并不断总 结设计运行和制造上的经验 积极慎重的采用和推广经过鉴定的新产品和新技术 在经 济技术条件允许的情况下可采用进口设备 4同步发电机励磁系统的作用和性能要求同步发电机励磁系统的作用和性能要求 目前在电力能源领域的主导发电设备是交流发电机 交流发电机根据激磁方式和运 行特性可分为两类 即同步发电机和异步发电机 感应电机 异步发电机有结构简单 运行可靠 效率较高 制造容易 成本较低等优点 但它 需要从电网汲取滞后的无功电流作为励磁源 致使电网功率因数降低 基于这个缺点 它不可能成为电网的主力发电机组 因此 异步发电机只能应用于小容量的以风力或潮 汐为驱动源的发电设备 现在 全世界的发电量几乎全部是由同步发电机发出的 同步发电机的最大特点就 是需要一个外部稳定的直流电源为其励磁 这就是本导则论述的发电机励磁系统 所谓励磁系统是指同步发电机励磁绕组的供电电源 它包括 产生励磁电压 主回 路的有关设备 自动 手动励磁调节器 强行励磁 强行减磁和磁场开关 过电压保护装 置等 同步发电机的励磁方式种类较多 应该说是同步发电机工艺技术水平发展过程中的 一个重要课题 不同的励磁方式直接影响到发电机的各方面的性能优劣 运行可靠性和 电力生产的技术经济指标 4 1同步发电机励磁系统的主要作用同步发电机励磁系统的主要作用 同步发电机励磁系统有如下主要作用 4 1 1在正常运行条件下 供给同步发电机励磁电流 并根据发电机负载情况作出相应 的调整 以维持发电机机电压或电网某点电压为一定水平 4 1 2当电力系统发生短路故障或其他原因使电压严重下降时 能够对发电机进行强行 励磁 来提高电力系统稳定性 4 1 3当发电机突然甩负荷时 励磁系统应能够强行减磁 以限制发电机端电压的过度 增高 Q DB 1 D011 2007 3 4 1 4当发电机发生内部短路故障时 能够进行灭磁以减少发电机损坏程度 4 1 5能够使得并联运行发电机的无功功率得到合理分配 4 2励磁系统应具有的性能励磁系统应具有的性能 根据上述同步发电机励磁系统的作用 对励磁系统提出以下要求 4 2 1励磁系统应能保证提供发电机长期工作条件下各种运行工况所需的励磁电流 并 保证一定裕度 4 2 2励磁系统应能够满足所要求的顶值电压和励磁增长速度 4 2 3励磁系统应具有快速减磁和灭磁的性能 4 2 4对两台及以上并联运行的发电机 励磁系统应具有成组调节发电机无功功率的可 能性 4 2 5励磁装置不应对发电机的输出电压波形产生有害影响 4 2 6励磁系统应具有一定的温度补偿能力 以减少发电机冷热态的电压偏差 一般情况下 还要求励磁系统反应快速 运行可靠 接线和设备结构简单 维修调 整方便 电能损耗小 设备成本低和体积小等 5同步发电机的励磁种类和对励磁系统的基本要求同步发电机的励磁种类和对励磁系统的基本要求 5 1励磁系统的分类励磁系统的分类 5 1 1直流励磁机励磁系统 分他励和并励两种方式 5 1 2交流励磁机励磁系统 分交流励磁机 静止整流器励磁系统 交流励磁机 静止可控整流器励磁系统 交流励 磁机 旋转整流器励磁系统三种方式 5 1 3静止励磁系统 分电压源 可控整流器励磁系统 复励 可控整流器励磁系统两种方式 复励方式又可 分为交流侧串联复励 交流侧并联复励 直流侧串联复励 直流侧并联复励四种方式 5 2对励磁系统的基本要求对励磁系统的基本要求 励磁系统主要包括励磁电源装置 如直流励磁机 交流励磁机 励磁变压器及整流 装置等 自动调节励磁装置 手动调节励磁装置 自动灭磁装置 励磁绕组过电压装置 及上述装置的控制 信号 测量等 发电机的招标订货工作一般在发电厂可行性研究和初步设计两个阶段之间完成 在 发电机订货之后 它的励磁方式 励磁接线就已经确定 因此在施工图设计阶段 主要 Q DB 1 D011 2007 4 工作是遵循发电机厂制造厂提供的励磁系统资料做好该系统与控制 信号 测量 保护 等接口设计工作 5 2 1对励磁系统的要求 5 2 1 1当发电机励磁电流和电压不超过其额定值的 1 1 倍时 励磁系统应保证连续运 行 5 2 1 2磁系统的顶值电压倍数 顶值电流倍数 允许强励时间 电压响应比不应低于 规定值 5 2 1 3当发电机励磁电流不超过其额定值的 1 1 倍时 发电机励磁绕组两端所加的整 流电压最大瞬时值不应大于规定的励磁绕组出厂试验电压幅值的 30 5 2 1 4灭磁开关及其与励磁绕组之间的电气组件 当发电机额定励磁电压为 500V 及 以下时 其出厂实验电压为 10 倍额定励磁电压 最低不小于 1500V 当发电机额定励磁 电压大于 500V 时 其出厂实验电压为 2 倍额定励磁电压再加上 4000V 其余与励磁绕 组连接的电气组件 当发电机额定励磁电压为 350V 及以下时 其出厂实验电压为 10 倍 额定励磁电压 最低不小于 1500V 当发电机额定励磁电压大于 350V 时 其出厂实验 电压为 2 倍额定励磁电压再加上 2800V 5 2 1 5安装工地现场验收电压为出厂实验电压的 75 允许反复实验电压及维修后的 实验电压为出厂实验电压的 65 5 2 2对励磁调节的要求 5 2 2 1自动调整励磁装置应能保证发电机空载电压整定范围为额定值的 70 110 5 2 2 2手动调整励磁装置应能保证发电机励磁电流调整范围为空载励磁电流的 20 至 额定励磁电流 110 5 2 2 3发电机空载运行状态下自动或手动调整励磁装置的给定电压变化每秒不大于发 电机额定电压的 1 不小于发电机额定电压的 0 3 5 2 2 4自动调整励磁装置应能保证发电机端电压的调差率 对于电子型装置要求为 10 对于电磁型装置要求为 5 5 2 2 5自动调整励磁装置应能保证发电机端电压的静差率 对于电子型装置要求不大 于 1 对于电磁型装置要求不大于 3 5 2 2 6发电机空载运行时在额定电压工况下 突增阶跃响应 10 时 常规励磁系统 超调量不应大于阶跃量的 50 快速励磁系统超调量不应大于阶跃量的 30 5 2 2 7自动调整励磁装置应能保证发电机突然零起升压时电压超调量不得超过额定值 Q DB 1 D011 2007 5 的 15 调节时间不大于 10S 5 2 2 8自动调整励磁装置应能保证发电机空载运行状态下 频率变化范围在额定值的 1 时 发电机端电压的变化率 对于电子型装置要求不大于额定电压 0 25 对于电 磁型装置要求不大于额定电压 2 5 2 2 9自动调整励磁装置应装设远距离给定及控制设备 对于电子型装置还应装设过 励 欠励 电压回路断线及过激磁等限制与保护装置和电力系统稳定器等必要的附加装 置 6同步发电机励磁调节系统对电流 电压采集的基本要求同步发电机励磁调节系统对电流 电压采集的基本要求 交流同步发电机励磁系统的调节 AVR 必定要实时跟踪发动机的电流 电压 频 率 有功功率和无功功率等信息 这就要求必须能够正确反映发电机电流 电压 频率 的电流互感器和电压互感器的接入 6 1对电流互感器的要求对电流互感器的要求 6 1 1AVR 宜采用误差不低于 0 5 级的测量级电流互感器 6 1 2复励式励磁装置的 AVR 应接于发电机出口电流互感器 不应接于发电机中性点 电流互感器 其原因是为了防止发电机与系统断开时 由发电机内部故障引起的误强励 6 1 3AVR 不宜与测量 保护等回路合用电流互感器 当采用微机型独立双通道的 AVR 时 必须采用独立的电流互感器接入各自通道 6 2对电压互感器的要求对电压互感器的要求 6 2 1AVR 宜采用误差不低于 0 5 级的测量级电压互感器 6 2 2复励式励磁装置的 AVR 应接于发电机出口电压互感器 原因同 3 1 2 的说明 6 2 3AVR 不宜与测量 保护等回路合用电压互感器的二次线圈 当采用微机型独立双 通道的 AVR 时 必须采用独立的电压互感器的二次线圈进入各自通道 6 2 4AVR 使用的电压互感器的二次线圈 应在就地接地 其二次回路不宜装设熔断器 或自动空气开关等保护设备 其原因主要考虑是 AVR 无论什么情况都不能失去电压跟踪 7目前大中型汽轮发电机的常用励磁方式目前大中型汽轮发电机的常用励磁方式 因为受励磁容量的影响 目前大中型汽轮发电机基本上采用两种励磁方式 三机旋 转励磁系统和自并励静止励磁系统 这两种励磁方式都是推荐使用的 由于它们各有优 缺点 具体工程应根据实际情况选择采用哪一种励磁方式 励磁方式对汽机房的空间布 Q DB 1 D011 2007 6 置影响非常大 因此在发电机的选型的同时 最好确定励磁方式 为火力发电厂的初步 设计阶段的开展创造必要的条件 7 1三机旋转励磁系统的特点三机旋转励磁系统的特点 7 1 1三机旋转励磁系统工作原理 如下图所示 G 为发电机 EG 为交流励磁发电机 FEG 为辅助交流励磁发电机 KG 为发电机励磁整流单元 FKG 为交流励磁发电机励磁整流单元 AVR 为励磁调节单 元 CT 为发电机出口电流互感器 VT 为发电机出口电压互感器 N S 为永久磁铁 MT 为主变压器 不难看出 辅助交流励磁发电机 FEG 是一个永磁机 为其励磁的永久磁铁是旋转的 它的电枢绕组是静止的 而交流励磁发电机 EG 正好相反 为其励磁的磁场绕组是静止的 它的电枢绕组是旋转的 交流励磁发电机 EG 电枢绕组发出的三相交流电经发电机励磁整 流单元 KG 整流后 直接送到发电机 G 磁场绕组上 由于永久磁铁 交流励磁发电机 EG 电枢绕组 发电机励磁整流单元 KG 发电机 G 磁场绕组都在同一轴上旋转 所以不需要 任何滑环和电刷等接触部件 也就是实现了无刷励磁 7 1 2三机旋转励磁系统的优缺点 由于大中型发电机的励磁电流比较大 需要的滑环和电刷数量也比较多 很容易产 生滑环过热这一问题 同时需要对滑环和电刷进行必要的维护和更换 采用无刷励磁无 疑使这些问题迎刃而解 这也是无刷励磁的最显著优点 但是三机旋转励磁系统在布置上的缺点也是显而易见的 由于辅助交流励磁发电机 FEG 交流励磁发电机 EG 和发电机 G 处于同一轴线上 这无疑将加大汽轮机和发电机 的大轴纵向长度 使得汽机房面积和体积的增大 必将造成建筑上投资的增加 Q DB 1 D011 2007 7 在无刷励磁系统中 由于和同步发电机转子回路直接连接的元件都是旋转的 那么 对这些元件 永久磁铁 交流励磁发电机 EG 电枢绕组 发电机励磁整流单元 KG 发电 机 G 磁场绕组 制造工艺上的要求必然会很高 制造成本也就水涨船高了 在运行过程 中 发电机转子回路的励磁电流和电压都不能直接测量 转子绕组的绝缘 整流元件和 短路保护设备也都不便监视 还有很重要的一点 由于转子供电回路是旋转的 也就无法在外部命令的触发下 利用开关设备直接进行灭磁操作 基于这一原因 自动调节励磁系统 AVR 只能针对交 流励磁发电机励磁整流单元 FKG 进行调控 以达到对发电机进行强励 增磁 减磁和灭 磁操作 其调节过程是 由交流励磁发电机励磁整流单元 FKG 调控交流励磁发电机 EG 由交流励磁发电机 EG 发出交流电流的大小决定发电机励磁整流单元 KG 整流后的 直流电流 即发电机转子回路电流 的大小 那么发电机转子绕组对 AVR 的响应速度也 必定是比较慢的 7 2自并励静止励磁系统的特点自并励静止励磁系统的特点 7 2 1自并励静止励磁系统工作原理 如下图所示 G 为发电机 ET 为励磁变压器 SE 为起励电源投入装置 KG 为发 电机励磁整流单元 AVR 励自动励磁调节单元 CT 为发电机出口电流互感器 VT 为发 电机出口电压互感器 MT 为主变压器 其励磁过程是这样的 必须从外部给一个直流 或交流 起励电源 由 AVR 控制其 导通投入 或整流导通投入 使发电机 G 磁场绕组上取得电源 在汽轮机的驱动下 发 电机 G 电枢绕组出口将发出交流电 电枢绕组发出的三相交流电经发电机励磁整流单元 KG 整流后 直接送到发电机 G 磁场绕组上 从结构上来讲 除发电机 G 的磁场绕 Q DB 1 D011 2007 8 组 转子绕组 是随发电机转子旋转的以外 发电机 G 的其他所有励磁设备都是静 止的 因此必须需要滑环和电刷等接触部件作为静止部分和旋转部分的电路连接 是典 型的有刷励磁 其励磁过程是这样的 必须从外部给一个直流 或交流 起励电源 由 AVR 控制其 导通投入 或整流导通投入 使发电机 G 磁场绕组上取得电源 在汽轮机的驱动下 发 电机 G 电枢绕组出口将发出交流电 电枢绕组发出的三相交流电经发电机励磁整流单元 KG 整流后 直接送到发电机 G 磁场绕组上 从结构上来讲 除发电机 G 的磁场绕组 转子绕组 是随发电机转子旋转的以外 发电机 G 的其他所有励磁设备都是静止的 因此必须需要滑环和电刷等接触部件作为静止部分和旋转部分的电路连接 是典型的有 刷励磁 7 2 2自并励静止励磁系统的优缺点 从 7 1 节的论述可知 大中型发电机的励磁电流大 滑环和电刷数量多 容易产生过 热 以及滑环和电刷的维护和更换不便等等问题 无疑是自并励静止励磁系统的最主要 缺点 但随着科学技术的进步 新型耐磨坚固型材料的采用 以及制造结构上的优化 滑环和电刷的制造工艺水平的也在逐步提高 使其过热减少 维护和更换的周期变长 使得自并励静止励磁系统的应用前景更加广阔 由于自并励静止系统与三机励磁系统相比 取消了主 副励磁机 缩短了机组长度 减少了大轴联接环节 因而缩短了轴系长度 提高了轴系稳定性 再者除发电机的磁场 绕组 转子绕组 是随发电机转子旋转的以外 发电机的其他所有励磁设备都是静止的 也就决定了励磁设备之间都可以通过电缆或封闭母线进行连接 这就会使励磁系统设备 布置起来非常灵活 有利于汽机房面积和体积的充分利用 缩短汽机房长度 减少建筑 上的工程量和材料量 节省机组投资 同三机无刷励磁系统相反 由于和同步发电机转子回路直接连接的元件都是静止的 那么对这些元件 励磁变压器 ET 起励电源投入装置 SE 发电机励磁整流单元 KG 自 动励磁调节单元 AVR 制造工艺上不必要求太高 制造成本也就会下降 在运行过程中 发电机转子回路的励磁电流和电压都可直接测量 整流元件和短路保护设备也都可直接 监视 虽然发电机转子绕组是随发电机旋转的 但是其供电回路是通过滑环和电刷等接触 部件与静止的励磁电源相联系 因此可以利用开关设备直接进行灭磁操作 这样也就最 大限度的保证机组在转子回路在异常情况下的安全 基于同样原因 自动调节励磁系统 Q DB 1 D011 2007 9 AVR 可直接针发电机励磁整流单元 KG 进行调控 达到对发电机进行强励 增磁和减 磁操作 那么发电机转子绕组对 AVR 的响应速度也必定是比较迅速的 自并励静止励磁 系统在性能上所具有的这种高励磁电压响应速度 易于实现发电机高起始响应性能 对 提高电力系统稳定性和发电机组的安全可靠运行所带来的益处是显而易见的 这方面内 容将在以后的章节中详细叙述 7 3国内大中型汽轮发电机的常用励磁方式的应用情况国内大中型汽轮发电机的常用励磁方式的应用情况 在 300MW 600MW 等级大中型汽轮发电机投入使用之初 由于滑环和电刷的制造 工艺没有很好的解决 当时的大多数机组均采用三机励磁方式 比如我院设计的铁岭发 电厂新建工程 4 300MW 哈尔滨第三发电厂二期工程 2 600MW 丹东发电厂新 建工程 2 300MW 等等 近年来 随着滑环和电刷的制造工艺水平的提高 几乎所有 的大中型汽轮发电机都采用自并励静止励磁系统 如我院本世纪初以来设计的辽宁发电 厂技术改造工程 2 350MW 利港发电厂三期工程 4 600MW 通辽发电厂三期工 程 1 600MW 等等 基于自并励静止励磁系统的优越性 一些旧有的三机励磁机组进 行了改造或者正在酝酿改造 如我院上世纪九十年代设计的铁岭发电厂新建工程 4 300MW 哈尔滨第三发电厂二期工程 2 600MW 双辽发电厂新建工程 2 300MW 等等 由于三机无刷励磁主要的设计选型工作量是在发电机厂 设计院的工作主要是接受 发电机厂资料 和院内汽机房归口专业协调配合 三机无刷励磁的一些设计方法在 电 力工程电气设计手册 电气二次部分 P376 P393 有详细论述 本导则不再重复 因此自并励静止励磁系统的选型和计算将是本导则论述的重点 8自并励方式的优势自并励方式的优势 8 1励磁系统可靠性增强励磁系统可靠性增强 旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的一部分 但由于自并励静止 励磁方式取消了旋转部件 大大减少了事故隐患 可靠性明显优于交流励磁机励磁系统 而且自并励系统在设计中采用冗余结构 故障元件可在线进行更换 有效地减少停机概 率 该励磁系统对运行 维护的要求相对较低 8 2电力系统的稳态 暂态稳定水平提高电力系统的稳态 暂态稳定水平提高 由于自并励静止励磁系统响应速度快 电力系统静态稳定性大大提高 自并励方式 保持发 电机端电压不变 对单机无穷大系统静态稳定极限功率为 Pmax VgVs Xe 8 2 1 Q DB 1 D011 2007 10 式中 Vg 机端电压 Vs 系统电压 Ve 发电机与系统的等值电抗 而常规系统在故障过程中只能保持发电机暂态电势 Eq 不变 其极限功率为 Pmax Eq Vs Xe Xd 8 2 2 式中 Eq 发电机 Q 轴暂态电势 Xd 发电机 D 轴暂态电抗 根据公式 5 2 1 和 5 2 2 计算得出 Pmax大于 Pmax 说明大大提高了静态稳定极限 对于可能引起的系统低频震荡 可采用先进的控制规律或配置 PSS 电力系统稳定器加以 解决 发电机出口三相短路是自并励静止励磁系统最不利的工况 此时机端电压及整流 电源电压严重下降 即使故障切除时间很短 短路期间励磁电流衰减不大 但在故障切 除后机端电压的恢复需一定的时间 自并励系统的强励能力有所下降 为解决这一问题 在系统设计中计算强励倍数时 整流电源电压按发电机额定电压值的 80 计算 即机端 电压为额定时强励能力提高 25 且目前大中型机组发电机出口均采用了封闭母线 发 电机端三相短路可能性基本消除 因此 自并励系统强励倍数高 电压响应速度快 再 加上选择先进的控制规律 能够有效地提高系统暂态稳定水平 9大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统设计大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统设计 大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统在设计 选型 调试 运行中需要注意以下 问题 才能充分发挥其响应快 稳定性高等优点 真正提高机组 电网稳定运行水平 9 1自并励系统的应用条件自并励系统的应用条件 由于励磁输出受发电机端电压的制约 在某些系统严重故障导致系统电压波动较大 的情况时不宜采用 它的应用通常取决于机组在系统中的地位 系统网络结构 负荷分 布等因素 电力系统有关研究表明 位于主网震荡中心的发电机不宜采用该系统 位于 负载中心或受端机组 因故障导致系统电压恢复慢 影响强励能力的发挥 导致功角振 荡加大或系统电压过低导致电压崩溃 亦不宜采用 所以应考虑整个电网情况 大中型 机组的励磁方式不能单一化 需多种方式并存 设计规划部门应考虑电厂在系统中位置 及网络结构 负载特性等因素 根据电网稳定计算的结果科学地设计 选择发电机励磁 方式 Q DB 1 D011 2007 11 9 2励磁调节器的选择励磁调节器的选择 随着计算机技术的发展 励磁控制已向数字化方向发展 数字式励磁调节器与老式 的模拟调节器相比 在功能 可靠性等方面具有极大的优势 现时投运的新机组及旧机 组改造都已选用微机励磁调节器 并已取得很好的效果和丰富的经验 而且随着励磁控 制规律中单变量向多变量 线性向非线性发展 使得励磁调节器能够在改善机组 电网 稳定性方面起到更大的作用 国内厂家在励磁控制方面的技术已经达到世界先进水平 其中南瑞集团 清华大学 南自集团和武汉洪山公司的励磁控制产品是其中的佼佼者 9 3发电机起励问题发电机起励问题 9 3 1在发电机电压建立前 只有当发电机组起动后发电机电压达到一定数值 相应励 磁电压达到空载励磁电压的 20 30 时 才能提供励磁电源 励磁变压器不能提供励 磁电源 所以在系统设计时必须考虑起励回路及相应设备 通常方式是首先利用起励电 源对发电机进行励磁 待发电机电压达到或大于 10 时通过切换装置自动退出起励回路 转换为励磁变压器提供励磁电源 需要考虑设置起励电源会相应增加交流厂用电源或直 流蓄电池容量 9 3 2发电机第一次启动及大修结束后 需要作发电机短路 空载试验 并且需对励磁 系统做全面检查 此时必须为自并励系统提供一试验电源 通常做法是从 380 V 厂用电 源直接拉电缆至可控硅整流桥以提供整流电源 亦可在发电机升压变压器中取抽头至励 磁变压器高压侧以提供整流电源 但投资相对较大 在系统设计时需考虑到将来试验时 采取何种方案并做相应准备工作 9 3 3起励电源的选择 一般有两种方案可供选择 一是由机组直流系统 220V 蓄电池组引接 由蓄电直接 供给发电机励磁绕组 但注意在蓄电池至发电机励磁绕组间引线上加隔离二极管和限流 电阻 以保证直流系统安全 二是取自机组厂用交流 380V 220V 电源 起励过程中由厂 电源经整流后供给发电机励磁绕组 不论采用那种方案 均需根据发电机励磁参数确定所需起励电源的容量 以选择相 应的设备 一般由发电机制造厂根据用户要求配套提供起励设备 用户应根据起励参数 选择供电电源相关设备 9 4可控硅励磁功率柜的选择可控硅励磁功率柜的选择 9 4 1励磁功率整流桥的接线方式一般为全控或半控整流桥 较普遍采用可控硅全控桥 随着电力电子技术的飞速发展 大容量 高参数的励磁功率柜相继问世 其特点是在单 Q DB 1 D011 2007 12 个可控硅元件选择上向大电流 高电压方向发展以简化由过多的串 并联元件组成的整 流桥 据有关资料 单个可控硅元件的参数已达 2000 A 4000 V 使得可控硅整流桥得以 简化 方便装置检修 运行 同时使各支路均流 均压问题相对易解决 9 4 2可控硅励磁功率柜中应配置有交流过电压保护装置 据现场情况采用风冷 水冷 等不同的冷却方式 并采取一定措施保证并联整流柜均流系数达到要求 9 4 3为满足并联功率柜投入和切除操作需要 可在可控硅整流桥支路的交流侧及直流 侧设置高绝缘水平刀闸或断路器 空气开关多为 500V 以下的低压电器 易发生开关 整 流柜事故 但有些制造厂考虑高绝缘水平刀闸或断路器发热和占整流柜空间比较大等不 利因数 不加装开关设备 9 4 4现时较多的厂家产品中 功率柜数量多少不等 有些厂家每个功率柜只安放一可 控硅整流桥 功率柜数即是并联支路数 但在水电站或火电厂汽机房空间紧张的情况 有时将两个甚至三个可控硅桥支路安装在同一功率柜中 使得在实际运行中 当功率柜 中一支路发生故障需退出并检修时 因该柜其他支路 元件仍处于运行状态 且位于发 电机转子励磁回路 运行 检修人员较难进行有关检修工作 只能将该故障支路所在的 功率柜退出 一定程度上影响了机组运行 如果现场场地条件允许 应尽量让每个功率 柜只安放一可控硅整流桥 方便功率柜的投入 切除操作 以利运行 检修 9 5灭磁及过压保护装置的配置灭磁及过压保护装置的配置 通常在发电机转子回路设置灭磁开关 配备相应的线性或非线性灭磁电阻 转子过 压保护装置较多采用非线性电阻 压敏电阻 来实现 这种方式较普遍采用 目前国内外对灭磁及过压保护装置的配置有较多的形式及产品 并且均有一定的运 行记录 应根据机组实际情况选用 9 6励磁变压器及励磁回路继电保护励磁变压器及励磁回路继电保护 9 6 1励磁回路的相关特点 9 6 1 1励磁变高压侧不设置断路器 因此 励磁变应视为发变组的一部分 励磁变故 障时发变组或励磁变保护动作时应停机 9 6 1 2励磁变压器容量相对发电机是很小的 1 左右 高压侧引线或低侧励磁柜中装 设发变组差动保护用大变比的电流互感器是不可能的 9 6 1 3由于励磁变压器高压侧短路电流很大 对电流互感器动稳定要求很高 目前制 造厂所能提供的 励磁变压器用保护和测量的电流互感器 变比过小 无法满足励磁变 压器高压侧短路动稳定的要求 Q DB 1 D011 2007 13 上述几点在考虑相关问题时必须给予重视 9 6 2励磁变压器继电保护 9 6 2 1励磁变高压侧不设发电机组 或主变压器 发变组 差动用电流互感器 即实际上 机组差动为不完全差动 而其定值为 0 1 0 3 发电机差动 或 0 2 0 5 主变或发变组差 动 励磁变高压侧或内部部分短路故障时 不平衡电流极大 通过提高保护的灵敏系数 使保护正确动作 从而启动停机和断开故障 但对励磁变低压侧短路 由于励磁变容量 较小 短路阻抗也在 7 8 因而上述不完全差动的不平衡电流较小而不足以启动这 些保护 因此必须考虑装设励磁变保护 如差动或速断 主要原因是 一般按励磁变容量 为 1 2 的发电机容量 按上述一般情况下的数据 此不平衡电流不到发电机额定电流的 15 即使对最灵敏的发电机差动 灵敏系数也不能保证 9 6 2 2关于励磁变是否装设本身的继电保护装置 由于上述电流互感器的稳定问题 科研 设计和 制造 调试 用户等各方面存在不同看法 如 ABB 公司等欧洲国家或公司 不配置励磁变本身的保护装置 励磁变高压侧不装相 应的电流互感器 日本 美国的一些公司则配置相应设备 我国有关规定 如 DL T650 1998 大型汽车发电机自并励静止励磁系统技术条 件 要求按 GB 4285 93 继电保护和安全自动装置技术规程 配置相应保护 装设的理由一是励磁变回路故障直接影响发电机安全运行 二是高压侧电流互感器 由于动稳定不足损坏时可再更换 因此国内一般按装设相应设备考虑 9 6 2 3励磁变压器继电保护配置 对大容量机组 考虑励磁变的特点及容量大于 2000kVA 宜装设下列保护 差动保护 按躲过励磁变低压侧外部短路故障整定 按励磁变低压侧内部二相短路 校验灵敏系数 过电流保护 可兼做发电机励磁过负荷保护 其速断段应躲过强励电流 过电流段 宜与发电机励磁过负荷特性相配合 过负荷信号段可按躲过 l 1 倍发电机励磁电流整定 按国际和国家标准 发电机励磁回路过负荷 10 可长期运行 计算时应注意整流装置 交直流侧电流变换所引起的非线性因素以及励磁变高低压侧变比的影响因素 按照上述保护配置以及励磁回路测量和励磁调节的要求 励磁变和励磁交流回路电 流回路的配置如下 励磁变压器高压侧套管内共三组 CT Q DB 1 D011 2007 14 差动保护用 1 组 5P30 级 过电流保护用 l 组 5P30 级 当保护按微机双重化设 置时 保护用电流互感器的数量应为两组 每组均含差动和过电流保护 测量用 电度 电流 1 组 0 5 级 励磁变压器低压侧 励磁柜中 共二组 差动保护用 l 组 5P30 级 当保护按微机双重化设置时 为两组 励磁调节用 1 组 0 5 级 9 6 3发电机励磁回路保护 保护发电机转子回路一点接地故障和励磁回路的过负荷保护 其主要功能和技术要 求如下 9 6 3 1转子回路一点接地保护要满足无励磁状态下测量要求 返回系数不大于 1 3 9 6 3 2转子绕组不同地点发生一点接地时 在同一整定值下 其动作值误差为 当整 定值为 1 k 5 k 时允许误差 0 5 k 当整定值大于 5 k 时允许误差 10 最小整 定范围为 1 k 20k 9 6 3 3励磁回路的保护应设有定时限和反时限两部分 以便和发电机励磁绕组过热特 性近似匹配 9 6 3 4过负荷保护应具有可选的直流或交流测量功能 9 6 3 5过负荷保护的返回系数不小于 0 95 固有延时 1 2 倍整定值时 不大于 70ms 电流整定值允许误差 2 5 反时限长延时应可整定到 1000s 反时限延时允许误差 5 9 7励磁变压器和整流装置的一些要求励磁变压器和整流装置的一些要求 9 7 1由于励磁变压器的绕组间存在寄生电容 励磁变压器的电源投入或切除以及大气 过电压均会在变压器中产生过电压 所以必须采取相应措施来限制操作过电压 目前的 解决措施在一 二次绕组间加隔离屏蔽层 在二次绕组接入对地电容 安装过电压吸收 装置等 同时还需要考虑变压器的阻抗 过载能力等因素 9 7 2由于变压器负载为可控硅整流桥及发电机转子 直流侧短路等效于励磁变压器二 次绕组短路 对此故障保护方式有很多种 如采用快速熔断器 快速过流检测继电器 在直流侧串入扼流电抗等措施 9 7 3励磁变压器侧 交流 断开设施 为便于检修隔离 考虑并联运行的整流柜可单独 退出运行 每个整流柜交流侧宜设一断开设备 如刀开关或空气断路器 此设备不必作为 短路故障时切断短路电流之用 即只作为负荷开关用 因励磁回路继电保护动作时仅断 Q DB 1 D011 2007 15 开发电机组主回路断路器和灭磁开关 另外 可控硅元件过电流保护由整流柜设置在相 应整流支路串接的快速熔断器承担 9 8发电机短路试验有关设施和措施发电机短路试验有关设施和措施 发电机短路试验时 发电机端三相短接 即失去励磁电源 因此 设计应考虑相应 措施 对相关设施进行选择 满足发电机短路试验需要 9 8 1励磁电源引自厂用电 一般来自 6kV 即需将励磁变高压侧自发电机回路拆开转 接至厂用电供电 考虑此处对断开设备 隔离开关 断路器 要求很高 如 600MW 机动稳定 要求可达 500kA 水平 很难选择可装设的设备 故应设置连接片作可拆接措施 9 8 26kV 供电电缆的选择 应按发电机短路试验工况 发电机短路试验时 发电机定 子电流最大为额定电流 可由发电机短路特性查得相应励磁电流 再考可控硅整流桥变 换系数求得励磁变次级 付边 电流和电压毫考虑励磁变变比 高压侧为厂用电压时 即可再 求得励磁变高压侧电压和电流 电缆截面可据此选择 工程设计时 可从电机制造厂索 取上有关数据后 再选择电缆 9 8 3对励磁变电压分接头的要求 有的工程根据励磁参数及励磁变额定变比的数据 由短路试验所需的励磁变付边电压折算到高压侧电压与 6kV 相差较大 需在励磁变低压 侧设置电压分接头 以调整对应的付边电压值 满足发电机短路试验的需要 9 9有关的技术条件和国家标准有关的技术条件和国家标准 为更好地应用自并励静止励磁系统 原电力部于 1998 年颁布了 DL T 650 1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 同时自并励静止励磁系统还必须满足 GB T 7409 1997 同步电机励磁系统 的要 求 所有国产变压器的型号命名上都应符合 变压器类产品型号编制方法 J B T3837 之规定 在目前一些设计文件和产品说明文件中 许多励磁变压被以 ZS 或 Z 甚至 SCB 等命名 实际上都是不符合国家有关规定的 根据 变压器类产品号编制方法 JB T3837 6 3 条的规定 励磁用变压器是有其专用的型号的 其型号应为 ZLS 三相式 或 ZLD 单相式 励磁变压器 可控硅元件等还必须满足有关相应的标准及技术条件 如 电力变压器 GBl094 idt IEC76 Q DB 1 D011 2007 16 干式电力变压器 GB6450 idt IEC726 变流变压器 GB Tl8494 1 idt IEC61378 1 电力变流变压器 JB T8636 半导体变流器基本要求的规定 GB T 3859 1 93 半导体变流应用导则 GB T 3859 2 93 半导体变流器 变压器和电抗器 6B3859 3 93 等等 这些技术条件 标准为自并励静止励磁系统的设计选型 调试验收及运行改造提供 了依据 9 10 励磁变压器及相关设备配置选择原则励磁变压器及相关设备配置选择原则 励磁变压器的计算和选择应考虑以下几方面 9 10 1 励磁变压器型式 初期的励磁变压器多为油冷式或普通绝缘干式变压器 随着技术进步和价格的变化 现在已逐渐使用环氧树脂干式变压器 一般采用空气自然冷却 不配外壳 户内使用 亦可根据实际情况加装外壳 配置风冷系统 同时需要设置温控及温显系统 便于监视 变压器的运行状态 9 10 2 励磁变压器接线组别 考虑发电机电压回路为不接地或高阻接地系统 励磁变高压侧 原边 和低压侧 付边 绕组接线只能在 Y 或 二种中选择 分析如下 9 10 2 1 不应采用 Y Y 接线 原边励磁电流为正弦波 铁芯饱和时磁通中含三次谐波 对由 3 个单相变压器组成 的三相变压器线 每相三次谐波分量可在各自独立的铁芯中成回路而使相电压波形畸变 数值升高面危害绝缘 虽然由于绕组为 Y 接线 可隔离线电流中的零序电流和三次谐波 电流分量 线电压波形为正弦波 波形较好 此类接线也不能采用 对三相三柱式变压 器 虽然铁芯对三次谐波磁通无通路 避免上述问题 但由于三次谐波磁通只能通过磁 阻较大的外壳等附件形成回路 引起发热 降低效率 特别对付边供电的可控硅回路 电压会有许多高次谐波 上述缺陷将更为严重 因此 不应采用 Y Y 接线 9 10 2 2 推荐采用 Y 接线 采 或 Y 或 Y 接线 由于 绕组提供零序 三次谐波 或其倍数 分量通路 不 反应在线电流中 因此可避免上述问题 减少对励磁系统的影响 但在高压侧 发电机电 Q DB 1 D011 2007 17 压侧 采用 接线是不经济的 相电压等于线电压 o 因而多采用 Y 接线以消除高次谐波的 影响 并可改善可控硅整流桥电压波形 同时也可得到较好的经济效益 9 10 3 励磁变压器容量和电压 励磁变压器容量和电压应按强励工况选择 从计算式中可知 所选容量应以大于额定工况和允许的持续过载 10 工况的容量作 为控制条件 9 10 3 1 励磁变压器副边电压 励磁变压器的副边电压主要应满足以下要求 满足正常运行工况的要求 满足发电机端电压在额定值时的强励倍数要求并留有适当的裕度 励磁变压器网侧接厂用 6kV 或 10kV 时应满足发电机短路试验要求 对于第 1 条 在实际选择计算时几乎无一例外的忽略不计 因为它不是控制条件 实际成为控制条件的是第 2 和第 3 条 通常采用第 2 条作为初算条件 然后用第 3 条进 行校验 不同的励磁设备供货商在考虑线路压降和整流器的换弧压降时取的系数不同 在满足上述要求的情况下 付边电压应尽可能采用低值 以便在正常运行时具有较 大的导通角 使得控制较为容易 谐波较小 从而提高控制精度 降低励磁变压器的发 热 一般励磁变压器的付边额定电压按下式计算 U2 Ku Kc Ufu U Nu Nfu 9 10 1 式中 U2 励磁变压器付边线电压 Ku 裕度系数 取 Ku 1 1 以考虑各类谐波的影响 Kc 强励电压倍数 按工程要求取值 一般取 Kc 2 Ufu 发电机额定励磁电压 U 直流回路压降 取 U 2V Nu一可控硅整流桥电压变换系数 Nu Ud U2 Ud为整流输出直流电压对三相全波桥式整流回路 Nu 1 35cos a a 为可控硅 控制角 强励时应 a 0 以防止在自然换相点处提前触发出现负电位 一般 a 角仅为几度 实用计算近似取 Nu 1 35 Nfu 确定强励倍数时要求的发电机电压的标么值 一般要求发电机电压为其 额定电压的 0 8 倍时能保证强励倍数 即 Nfu 0 8 考虑此系数是为提高付边电压值 在 Q DB 1 D011 2007 18 发电机电压由于外部短路电压降低时仍能满足强励的要求 一般情况下 当按 DL T650 1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 选择时 Nfu 1 9 10 3 2 励磁变压器付边线电流 励磁变压器的付边额定电流主要应满足以下要求 满足正常运行工况的要求 满足发电机强励要求 根据三相全控整流电路理论 励磁变压器的付边额定电流应不小于下式 I2 Ki Ni Ifn 9 10 2 式中 I2 励磁变压器付边线电流 Ki 裕度系数 取 Ki 1 3 Ni 可控硅整流桥电流换算系数 Ki I2 ID ID为整流输出直流电流 按上述强 励条件和整流回路接线 Ni 0 817 Ifn 发电机额定励磁电流 需要说明的是 计算 I2时发电机励磁电流未选用强励电流而用额定励磁电流 是因 为强励时间较短 励磁设备强励时间按 10s 20s 给定 利用变压器的过负荷能力满足强励 的工况 以减少励磁变容量和尺寸 按强励电流倍数为 2 0 计入 Ki 1 3 的影响 则励磁 变压器过负荷能力至少应不低于 1 54 倍 20s 建议按 1 6 倍 20s 校验 DL T650 1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 规定强励时间不小于 10s 若按照 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 DL T 650 1998 4 1 条 当 发电机的励磁电压和励磁电流不超过其额定值的 1 1 倍时 励磁系统应能连续运行 的要 求 上式还应乘以 1 1 的系数 9 10 3 3 励磁变压器容量 在确定了励磁变压器的付边额定电压和付边额定电流后 励磁变压器的付边额定容 量就可以按下式计算得到 S 3 U2 I2 9 10 3 根据 GB Tl8494 1 2001 第 4 1 条 变压器的额定容量 指网侧 是由电压电流的基波分 量来决定的 因此上述计算出的付边额定电压和付边额定电流需要计算出基波分量 由于励磁变压器工作电流的非正弦性 将产生高次谐波附加绕组铜损和铁损 实际 工作电流产生的总损耗将大于工频电流产生的总损耗 而计算或试验测量实际工作电流 Q DB 1 D011 2007 19 含谐波 产生的损耗是比较困难的 目前工程中普遍采取将上述计算后的变压器容量增加 10 30 即 S 1 1 1 3 3 U2 I2 9 10 4 按目前发电机励磁参数 300MW 级和 600MW 级发电机配套用励磁变压器容量分 别为 3600kvA 和 7200kVA 左右 9 10 3 4 励磁变压器原边电压 应与发电机电压相同 以上计算按工程实用要求考虑 忽略了某些影响因素 如换弧角 此外 根据发电机短路试验的要求 有时需设置调压分接头 见下面短路试验部分 9 11 励磁变压器的计算及选择实例励磁变压器的计算及选择实例 9 11 1 发电机有关参数 9 11 1 1 额定工况时 额定容量 Pn 600MW 额定电压 Un 22kV 额定 PF cos 0 9 额定电流 lu 17495A 额定励磁电压 Ufu 367V 额定励磁电流 Ifu 4393A 对应可控硅触发控制角 a 67 度 强励电压倍数 K 2 0 对应发电机电压 N fu 0 8 可控硅触发控制角 a 4 度 9 11 1 2 发电机短路试验 发电机定子电流达额定值时 励磁电流 Ifk 2980A 励磁电压 Ufk 249 2V 9 11 1 3