1、公司公司徽標徽標大型水輪發電機組勵磁系大型水輪發電機組勵磁系統設計新理念統設計新理念 李基成李基成清華大學國家電力系統重點實驗室摘要摘要：結合三峽水電廠700MW水輪發電機組勵磁系統投運經驗和現場的實測結果，從大系統角度出發論述了兼顧電力系統穩定需求和保證勵磁系統安全性合理選擇勵磁參數的必要性。對大型水輪發電機組滅磁系統，從新理念出發提出了滅磁安匝平衡理念，可為今后滅磁系統設計提供有益的依據與借鑒。關鍵詞關鍵詞：三峽機組；靜止自勵勵磁系統；勵磁變壓器；滅磁主要內容0. 概述概述 1. 水輪發電機勵磁系統參數的選擇水輪發電機勵磁系統參數的選擇 2. 滅磁系統設計理念的演繹與發展滅磁系統設計理念的

2、演繹與發展 3. 結語結語 0. 概概 述述 近年來，我國水電建設事業得到了飛躍的發展，以三峽水電廠建成與投運為表征的左岸14臺，右岸12臺單機容量為700MW水輪發電機組已相繼投運?！笆晃濉逼陂g，我國將又有一批大容量水輪發電機組投入運行，為此，及時總結已投運的大型水輪發電機組勵磁系統的設計及運行經驗，結合國際勵磁控制技術的最新進展，進一步探討勵磁系統設計及參數選擇方面一些關鍵性技術問題，已成為一項重要和迫切的課題。 從新的設計理念出發，開拓新思維，擴大新視野，重點對大型水電機組勵磁系統設計的理念進行分析與探討，并期望文中的結論和建議，在優化大型水電機組勵磁系統性能及提高運行可靠性方面有所裨

3、益。1. 水輪發電機勵磁系統參數的選擇水輪發電機勵磁系統參數的選擇1 11 1 頂值電壓倍數的選擇頂值電壓倍數的選擇 在確定強勵頂值電壓倍數時，多以正序電壓標么值作為評價勵磁頂值電壓倍數的基礎，因為勵磁調節器的作用是以機端電壓平均值作為控制量的。 受前蘇聯技術觀點的影響，對頂值電壓倍數的選擇多趨向于高參數，運行結果表明：高頂值勵磁電壓往往對系統穩定影響并未呈現明顯實際效果，卻為正常運行帶來了事故不斷的后果。例如白山水電廠300MW水輪發電機組原采用的自復勵勵磁系統，其勵磁變壓器二次側電壓高達1320V，由于二次電壓過高，多次造成脈沖變壓器及滅磁開關燒毀事故，最終不得不將其勵磁變壓器二次電壓降低

4、到1000V以下，以保證勵磁系統的安全運行。類似的事故亦多次發生在葛洲壩水電廠，造成滅磁開關大量燒毀，最終以降低勵磁變壓器二次電壓的措施保證勵磁系統的安全運行。 另外，三峽水電廠左岸機組亦發生了類似情況，由于在標書中選用了過高的勵磁頂值電壓倍數，機端正序電壓為0.8 p.u.時，保證2.5倍強勵頂值電壓，正序電壓為1.0 p.u.時頂值勵磁電壓為3.125倍，其勵磁變壓器二次額定電壓高達1243V，投運后了發現整流電壓波形中尖峰電壓過高，在2.0倍以上，危及正常安全運行。為此，三峽水電廠不得不采用在功率整流柜交流輸入端加設RC濾波器，以降低尖峰過電壓的幅值。如果在設計中考慮到勵磁頂值電壓倍數選

5、擇對全局的影響，取一適宜值，上述情況將會有根本性的改善。 事實上，勵磁頂值電壓倍數的選擇，不僅取決于電力系統穩定的要求，而且還受到其他諸多因素的制約，例如：頂值電壓的選擇影響到功率整流柜、勵磁調節器、滅磁系統的安全運行。為此，應全面兼顧到各方面，以便對頂值電壓倍數做出正確和合理的選擇。1 12 2 受頂值電壓倍數影響的因素受頂值電壓倍數影響的因素121 整流橋尖峰過電壓 整流陽極電壓，即勵磁變壓器的二次額定電壓取值越高，在額定狀態下整流器將處于控制角值較大的深控狀態，由此引起危及整流元件安全運行的尖峰過電壓也越高。從運行安全角度出發，期望對陽極電壓的選擇在滿足電力系統穩定要求的同時，應兼顧到勵

6、磁系統安全運行的各種因數。當前對我國引進機組的勵磁設備運行參數而言，當整流橋陽極電壓超過1000V時，可認為已進入高參數范圍。 對于大功率晶閘管整流元件反電壓參數應用水平而言，用于三峽機組勵磁系統中的晶閘管元件最高反向重復峰值電壓為5200V，可認為是高參數元件。 另按我國水電機組勵磁系統標書編制準則，晶閘管元件所能承受的反向重復峰值電壓應不小于2.75倍勵磁變壓器二次側最大峰值電壓，依此可求出采用上述反向峰值電壓為5200V元件的條件下，允許的勵磁變壓器二次電壓有效值為U=5200/(2.751.414)=1337V，對三峽水電廠右岸阿爾斯通機組而言，其勵磁變壓器額定電壓已應用到1264V，

7、接近于極限值，從安全角度而言，顯然是不期望的。1.2.2 RC阻容緩沖器的選擇 在自勵磁系統中，勵磁變壓器二次額定電壓（以下簡稱陽極電壓）的選擇取決于強勵頂值電壓的倍數，頂值電壓倍數越高，陽極電壓值也越高。另外，接在勵磁變壓器二次繞組側的功率整流橋中的晶閘管元件，在換相中存儲的能量將由與整流元件并聯的RC阻容緩沖器旁路并消耗，存儲與消耗能量之間應達到平衡并有一定的吸收容量儲備，否則將導致吸收換相能量的阻容元件的燒毀，進而引起整流橋相間短路等嚴重事故。這類事故在國內水、火電廠中曾多次發生。例如：揚州第二發電廠美國西屋公司600MW汽輪發電機組以及珠海發電廠美國西屋公司740MW汽輪發電機組勵磁系

8、統均發生過由上述原因導致整流柜嚴重燒毀的事故。 由阻容阻尼器吸收的能量Wu，根據美國西屋公司推薦的計算表達式為： 式中: C為阻尼器中電容值，F； f為電源頻率，Hz；U為勵磁變壓器二次額定線電壓，V。 由式（1）可看出，阻容阻尼器吸收的換相磁場能量與外加電壓的平方成正比，如分別取勵磁變壓器二次電壓值為1000V及1243V（三峽右岸阿爾斯通機組勵磁數據），此時由阻尼器吸收的能量比將為 倍。 由此可見，勵磁變壓器二次側的陽極電壓越高，與整流元件并聯的吸收換相能量阻尼器的容量也越大，而且其容量與勵磁變壓器二次額定電壓的平方成正比，一旦換相阻尼器的允許容量小于阻尼器吸收的能量Wu，將引起阻容緩沖器

9、元件的燒毀，進而導致整流柜相間短路的嚴重事故。在諸多大型水電機組勵磁系統的標書中，多的是片面強調強勵頂值電壓倍數的高參數選擇，而極少考慮到由此引起的危及勵磁系統安全且運行的其他方面的影響。 1.2.3 對電力系統穩定器PSS參數的影響 選用過高的強勵電壓倍數，還將引起由勵磁系統提供的負阻尼轉矩進一步增長，從而給電力系統穩定器的頻率參數整定帶來更多的困難。對此，在當前還未被國內勵磁界同仁所重視并認識到其負面的影響。1.2.4 發電機空載誤強勵轉子電流的影響 對于大型水輪發電機組，目前基本上選用靜止自勵勵磁系統作為典型勵磁方式。對于以發電機端電壓為電源的自勵勵磁系統，在空載誤強勵條件下，發電機轉子

10、勵磁電流因受機端電壓大于額定值的影響，在極限狀態下會達到3倍及以上的額定勵磁電流,選用過高的頂值勵磁電壓倍數，會引起更高的危及到轉子勵磁繞組的安全運行的勵磁電流值。 應強調指出的是：對于大型水輪發電機組而言，為防止其機端過電壓危及到發電機定子繞組的安全，按相關規程規定均設有過電壓保護，其整定值為1.3倍額定電壓值，延時為0.3s。這一整定值是沿襲了過去水輪發電機均采用直流勵磁機條件下的設定值一直至今。 但是，對均采用自勵勵磁系統的大型水輪發電機組，仍采用這一設定值，在發電機空載誤強勵條件下有可能對發電機的安全運行帶來不可估量的嚴重的后果。 發電機靜止自勵勵磁系統性能特征顯著不同于直流大勵磁機勵

11、磁系統的一點是，在過電壓保護動作后及延時過程中，由于發電機的勵磁電流是隨機端電壓的變化而繼續上升的，諸多的勵磁系統仿真試驗表明：當過電壓保護達1.3倍設定值時，對應的轉子勵磁電流約為額定勵磁電流值。在其后0.3S的延時過程中，由于發電機勵磁繞組磁路處于飽和狀態，勵磁電流增長速度極快，有可能使發電機電壓增加到（1.41.5）倍額定值，發電機轉子電流也會增加到使發電機磁路近于飽和的程度，在高頂值直流勵磁電壓以及高倍數轉子勵磁電流的作用下，將導致磁場斷路器斷流困難或發生不能斷流的事故，其后果將使發電機勵磁電流達到危及轉子勵磁繞組安全的水平。在采用直流勵磁機勵磁系統時，在過電壓保護動作后及延時過程中，

12、由于發電機電壓是不變的，始終保持1.3倍額定值，不會在自勵勵磁系統和空載誤強勵條件下發生引起轉子電流嚴重過載的情況。 鑒于當前包括三峽水電廠700MW機組在內的大型水輪發電機組過電壓保護均沿用1.3倍額定電壓及0.3s延時值，在發生空載誤強勵條件下存在導致磁場斷路器斷流不成功，發電機轉子回路嚴重過流的危險。審時度勢，取消0.3s延時是十分必要的，這將為大型水輪發電機組的安全運行提供更可靠的保證。2.滅磁系統設計理念的演繹與發展滅磁系統設計理念的演繹與發展 對于水輪發電機機組,一般認為:由于發電機轉子磁極具有凸極結構,轉子繞阻回路阻尼效應較弱,在滅磁時大部分的磁場能量由滅磁回路吸收,對滅磁電阻的

13、容量提出了更加苛刻的要求。按傳統滅磁理念確定滅磁電阻容量可的方式有： （1）發電機空載滅磁； （2）發電機額定滅磁； （3）發電機強勵滅磁； （4）發電機空載和負載失控誤強勵滅磁； （5）發電機突然三相短路滅磁。 發電機及變壓器內部故障時引起的滅磁能量小于上述5種滅磁方式之一的相應值。前3種滅磁方式中,以強勵狀態時的滅磁能量為最大,通常強勵電流為2倍的額定勵磁電流,在勵磁繞組中存儲的能量遠大于額定及空載狀態的磁場能量。 但是理論分析及運行實踐表明:強勵狀態時的滅磁容量和空載誤強勵以及發電機突然三相短路時引起的滅磁容量比較仍是較小的。為此,滅磁容量的選擇取決于后2種方式滅磁容量的最大者，顯然依此

14、選擇滅磁電阻容量將可完全滿足上述5種滅磁方式對滅磁容量的需求。 下面分別對后2種滅磁電阻容量的選擇作進一步的分析。2.1 2.1 電機空載失控誤強勵滅磁狀態的分析電機空載失控誤強勵滅磁狀態的分析 首先討論發電機空載誤強勵的滅磁狀態，在此滅磁方式下，應注意到滅磁過程具有以下幾點明顯的特征： 由于勵磁系統失控，導致晶閘管整流器的控制角接近于最小設定值,勵磁系統所有的限制功能均處于失效狀態，對于發電機空載失控誤強勵狀態而言，勵磁電流的增長是隨定子電壓的升高而增加的，同時隨勵磁電流的增加，轉子磁路飽和程度的加大，促使轉子電流的增加速度進一步加快，直至發電機定子過電壓保護動作對發電機進行滅磁。此外還注意

15、到在此過程中隨發電機電壓變化的勵磁電壓的增量變化是瞬時完成的，而轉子電流的增量變化則決定于對應的由轉子磁路的飽和程度所決定的發電機空載時間常數?？偟膩碚f這是一個勵磁電壓源變化引起轉子電流變化的過程，兩者之間受動態飽和的轉子勵磁繞組時間常數的影響。但是應強調的是：在勵磁電流增長過程中任一瞬間的發電機的電壓值總是與發電機穩態空載特性曲線確定的轉子電流對應的。例如當定子電壓為1.3倍額定值時，此時的轉子電流大約與發電機額定勵磁電流相當，其后經過0.3s過電壓保護延時動作后，跳磁場斷路器進行滅磁。 為此，對空載失控誤強勵工作狀態的滅磁，以過電壓保護動作后對增長中的轉子電流進行截流的滅磁理念是適宜的。

16、考慮到過電壓保護動作電壓1.3倍額定電壓無延時動作跳磁場斷路器時，相應開斷轉子勵磁電流與額定勵磁電流相當，如果經0.3s延時，相應的發電機電壓可能增加到（1.41.5）倍，同時由于發電機空載特性曲線工作點已處于飽和狀態，轉子電流已近于3倍額定勵磁值以上，在這種調節下，加重了磁場斷路器的開斷負載，甚至導致斷路器開斷的失敗，為此，為保證磁場斷路器的開斷成功，在大型水輪發電機自勵勵磁系統中，取消1.3倍過電壓保護的0.3s延時是十分必要的。 至于勵磁系統發生負載誤強勵時，發電機仍在電網中并聯運行，其端電壓仍為額定值，但是由于勵磁調節器處于誤強勵狀態，整流橋控制角為最小值，轉子電流將急劇增加。對三峽機

17、組而言，最終轉子電流值將達到2.5 /0.8=3.125 , 將危及到發電機勵磁繞組回路的安全。對此應以發電機和勵磁變壓器的過流保護作為對轉子電流進行“截流”的主要措施。過流保護動作值以及延時設定值應以保證發電機定子及轉子繞組回路的安全運行為首要約束條件，并以此確定滅磁電阻容量。顯然，以穩態轉子電流而不以“截流”時的轉子電流作為選擇滅磁電阻容量的依據，這一理念是不正確的。2 22 2 發電機突然三相短路滅磁發電機突然三相短路滅磁 理論分析表明：發電機空載額定時定子側突然三相短路時，計及周期分量轉子電流最大值 可以由下式求得： 式中：K為系數，為1.051.10； 為發電機穩態和暫態直軸同步電抗

18、，p.u.； 為發電機空載勵磁電流，A。 在發電機定子突然三相短路過程中，轉子電流最大值不超過3 。轉子回路勵磁電流的變化曲線見圖1。圖1 發電機定子三相突然短路時轉子勵磁電流的變化通常此曲線可作為確定發電機滅磁電阻容量的依據。 當發電機定子側發生三相突然短路后，經過一定的故障持續時間，通常不超過0.1S，磁場斷路器動作并接入滅磁電阻后，此時轉子非周期分量的直流電流將按相應定子繞組三相短路時間常數而衰減，如圖1所示。當發電機定子繞組突然發生三相短路故障時，按傳統滅磁理論，將依下列思路確定滅磁電阻容量： 在三相短路暫態過程中，定子短路電流在轉子繞組中感應的電流分別由非周期、次暫態分量以及周期分量

19、三部分電流所組成。由于定子短路電流產生的與轉子回路耦合的磁鏈對轉子回路為去磁作用，從三相短路開始瞬間至滅磁左右開始前期間，轉子磁路處于不飽和狀態，轉子電感為常數，并依此作為計算存儲在轉子勵磁繞組中的磁場能量的依據，而不飽和轉子電感值則由與發電機定子三相短路相應的直軸暫態時間常數 予以確定，傳統的滅磁計算理論均基于此基礎。傳統的滅磁計算理論均基于此基礎。依此理念，對三峽VGS型機組而言， 3.2s，相應轉子繞組不飽和電感: 相應磁場能量 按此式計算的磁場能量高達30MJ以上。 但是，無論從勵磁系統仿真計算機結果，還是從發電機三相突然短路實測試驗結果來看，在發電機突然三相短路過程中，轉子電流的衰減

20、過程是及其迅速的，遠遠快速于按發電機定子三相短路直軸暫態時間常數 決定的衰減過程。 圖2中示出了三峽機組發電機三相突然短路時的發電機定子及轉子電流的仿真計算結果，可看出轉子電流整個衰減過程在0.6s左右，基本上與定子繞組三相短路時間常數 相對應，而不是由三相短路直軸暫態時間常數 所決定，對三峽VGS型機組而言， 0.32s而 =3.2s，為此在估算磁場滅磁電阻容量時，可用與實際結果相近的時間常數 來估算相應磁場能量是適宜的，其結果具有工程應用上的實用性。 圖2 三相發電機組定子三相突然短路仿真試驗結果 另外，三峽機組真機在進行55額定電壓三相突然短路時所錄取的轉子電流衰減全過程實測結果來看，轉

21、子電流衰減全過程在1s左右（圖3），同樣也近似是按 0.32s衰減的，更進一步證明了上述工程估算滅磁理念的正確性。圖3 三峽機組55額定電壓突然三相短路定子電流及轉子勵磁電流的變化曲線 此外，發電機三相突然短路時，轉子電流非周期分量最大值按ANSI/IEEEC37.18標準建議值為3 。但是在確定滅磁電阻容量時，不應以此電流作為選擇磁場存儲能量的依據，因為在切除外部故障瞬時，通常短路持續時間在0.1s以內，此時衰減的轉子電流非周期分量，已接近于60%70%初始值，使滅磁電阻所承受的滅磁容量更進一步大大降低。 再次，還應注意到當接入滅磁電阻后，轉子電流將按比原時間常數更小的等效響應時間常數而衰減

22、，這將使滅磁過程進一步加速結束。 另外，在選擇滅磁電阻的容量時還應該考慮到滅磁電阻短路時的過載能力，這樣依據本文提出的滅磁理念，可使滅磁電阻標稱容量的選擇更加合理。 應該強調的是：在發電機定子突然三相短路時，此時相當于電制動過程，將有大量的磁場能量消耗在定子繞組中，在估算發電機突然三相短路滅磁能量時，應予以考慮，其影響必將有助于降低滅磁電阻的容量。2.32.3按發電機磁鏈守恒原理確定滅磁容量的新概念按發電機磁鏈守恒原理確定滅磁容量的新概念 雖然對傳統滅磁理念進行了修正，但這種修正仍是不完善的，因為實際上在滅磁過程中，特別是發電機轉子電流的變化并非按滅磁前工作方式所確定的初始值而變化的，而是依據

23、發電機磁鏈守恒原理做階躍式的變化。作為實例，可從圖4所示的水輪發電機甩負載勵磁系統的示波圖得到正確的結論，測試機組為三峽700MW水輪發電機組，甩負載前有功負載350MW，無功141Wvar；甩負載后發電機頻率瞬時上升f34 ,機端電壓上升瞬時5 。因此，應特別關注發電機甩負載后，轉子勵磁電流值由額定勵磁電流值瞬時跌落到近似于空載額定勵磁電流值，其后逐漸上升到空載額定勵磁電流值。圖4清晰地說明了在滅磁過程中轉子電流并不是按初始值和相應的時間常數進行衰減的，而是以近似按空載勵磁電流進行衰減的，這一物理現象可以理解為由于發電機磁場回路遵循磁鏈守恒原則，當發電機突然甩負載后，由于定子安匝急劇下降到零

24、值，為遵循磁鏈守恒原則，保持發電機磁路中氣隙合成電勢不變，轉子電流必須下降到與合成氣隙電勢相對應的數值，此電流近于空載勵磁電流值。在甩負載過程中，甩負載前儲存在發電機磁場回路的能量，部分的通過氣隙分配到各耦合電磁回路以及消耗在接在發電機升壓變壓器高壓斷路器斷口中，其后的滅磁過程將等同于發電機空載滅磁。 基于上述發電機磁鏈守恒基本概念，對于發電機其他負載運行方式的滅磁，例如發電機額定滅磁以及強勵狀態下各種滅磁的滅磁方式，一旦發電機高壓側出口斷路器跳閘，其滅磁容量均可以按空載滅磁考慮。 作者這一滅磁理念，與美國GE公司考慮滅磁能量的觀點，即帶負載的發電機，一旦主斷路器跳閘，不論其原始勵磁電流如何，

25、均可按發電機空載狀態作為選擇滅磁能量的依據是一致的。 至于發電機突然三相或兩相短路以及單相對地短路等故障方式的滅磁，概括起來基本有2種：第一種是故障發生后在圖4 水輪發電機甩負載時勵磁系統各參量的變化相應繼電器保護作用范圍內通過總出口繼電保護跳閘發電機出口斷路器及滅磁磁場斷路器進行滅磁，其后滅磁過程類似于空載滅磁，仍可按發電機空載滅磁考慮滅磁電阻的容量；第二種是當發電機機端發生直接短路時，由于發電機主斷路器分斷后無法切除短路點，定子仍處于短路狀態，發電機轉子電流的變化將分別按次暫態、暫態而衰減，在滅磁磁場斷路器動作后，流過滅磁電阻的電流視故障方式而定，一般來說，此時的滅磁容量遠大于空載滅磁容量

26、，其后繼電保護動作，跳磁場斷路器進行滅磁。但是應該說明的是在發電機采用分相封閉母線情況下發電機發生三相直接短路的機率是極低的。如果認為有必要，可考慮選擇一種合理的短路方式，例如兩相短路或單相接地等故障作為選擇滅磁電阻容量的依據是可行的。2 24 4 滅磁時間滅磁時間 對于大型水輪發電機勵磁系統滅磁時間的定義不盡相同，通常應用較多的有以下幾種：（1）按發電機端電壓下降到接近殘壓或小于500V作為滅磁時間，因為當定子電壓小于500V時鐵芯接地故障點的電弧會自動熄滅。（2）按發電機轉子電流為零的時間，定義為滅磁時間。（3）按合同規定，當轉子電流下降到10初始值定義為滅磁時間，例如對于三峽水電廠機組的滅磁系統以及委內瑞拉古里（）水電廠機組的滅磁系統外商即采用這一定義標準。對于滅磁時間的定義應該明確是：以發電機電壓為零定義滅磁時間最為直接反映滅磁的效