吳跨宇，盧岑岑

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

近年來，隨著電力工業(yè)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)中主力發(fā)電機(jī)容量已經(jīng)從300MW和600MW增長(zhǎng)到1000MW，單機(jī)容量的逐步增大對(duì)配套勵(lì)磁系統(tǒng)提出了更高的技術(shù)要求。目前，大中型發(fā)電機(jī)組廣泛采用以勵(lì)磁變壓器作為大功率整流橋功率電源的靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，在提高發(fā)電機(jī)組的控制性能方面效果顯著。

在以勵(lì)磁變壓器作為大功率整流橋功率電源的靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁變壓器的二次側(cè)額定電壓是重要的參數(shù)，其設(shè)計(jì)取值的合理性直接關(guān)系到勵(lì)磁系統(tǒng)的性能優(yōu)劣和安全可靠性。勵(lì)磁變壓器二次側(cè)額定電壓的選擇受到勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)電壓和強(qiáng)勵(lì)電流、功率整流柜和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主回路耐壓絕緣水平以及滅磁系統(tǒng)參數(shù)配置等方面的影響。同時(shí)，勵(lì)磁變二次電壓的選擇還影響到勵(lì)磁變壓器的最終容量。雖然在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)有具體規(guī)定，但是缺少統(tǒng)一、明確和詳細(xì)的勵(lì)磁變二次側(cè)電壓設(shè)計(jì)原則和核算方法。

為提高發(fā)電機(jī)組效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，許多300MW和600MW機(jī)組進(jìn)行了增容改造。針對(duì)增容改造后發(fā)電機(jī)組額定參數(shù)變化的情況，需要對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新核算，尤其是需要確認(rèn)增容前的勵(lì)磁變壓器是否可以滿足增容后發(fā)電機(jī)組的配套要求。因此，研究整理勵(lì)磁變壓器二次電壓設(shè)計(jì)值的取值方法和原則，以及分析核算電壓取值的限制因素有著積極的意義。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力要求

國家標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)：100MW及以上汽輪發(fā)電機(jī)一般為1.8倍，50MW及以上水輪發(fā)電機(jī)為2倍；其他一般為1.6倍。對(duì)于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，其頂值倍數(shù)按80%額定機(jī)端電壓確定。汽輪發(fā)電機(jī)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定，按額定機(jī)端電壓考慮時(shí)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)電壓不小于2.25倍。水輪發(fā)電機(jī)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定，勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)一般等于2倍。綜上所述以額定機(jī)端電壓為前提條件時(shí)，強(qiáng)勵(lì)電壓的一般要求可以概括為：采用自并勵(lì)勵(lì)磁的汽輪發(fā)電機(jī)為2.25倍，采用自并勵(lì)勵(lì)磁的水輪發(fā)電機(jī)為2～2.5倍。

當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)2倍額定勵(lì)磁電流強(qiáng)勵(lì)時(shí)，其強(qiáng)勵(lì)電壓輸出由下式描述：

式中：ufmax為強(qiáng)勵(lì)電壓；uE為勵(lì)磁變二次側(cè)電壓；α為勵(lì)磁系統(tǒng)晶閘管整流橋最小開放角（強(qiáng)勵(lì)角度）；ZE為勵(lì)磁變短路阻抗；if為強(qiáng)勵(lì)電流。

式（1）前一部分為整流橋在強(qiáng)勵(lì)觸發(fā)角下的理想輸出電壓，后一部分為強(qiáng)勵(lì)電流在勵(lì)磁變短路阻抗上產(chǎn)生的壓降，需要在理想輸出電壓中扣除。

以某480MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，其額定勵(lì)磁電流448 V，額定勵(lì)磁電流3565 A。采用勵(lì)磁系統(tǒng)典型參數(shù)即觸發(fā)角度10°，勵(lì)磁變壓器短路阻抗典型折算值0.007為例，則機(jī)組要滿足2.25倍頂值電壓Ufn時(shí)，其勵(lì)磁變二次側(cè)電壓：

考慮回路接觸電阻、其他雜散損耗帶來的壓降，取冗余系數(shù)為1.02，則

勵(lì)磁變二次電壓取810 V以上時(shí)，可以認(rèn)為滿足2倍強(qiáng)勵(lì)電流時(shí)的2.25倍頂值電壓要求。

2 電氣整套啟動(dòng)試驗(yàn)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求

2.1 電氣整套啟動(dòng)試驗(yàn)對(duì)勵(lì)磁電流的要求

自并勵(lì)勵(lì)磁方式的勵(lì)磁電源來自于直接接在機(jī)端的勵(lì)磁變壓器，其供電不需經(jīng)廠用電系統(tǒng)，由發(fā)電機(jī)直接經(jīng)過勵(lì)磁變壓器供電給功率整流橋而具有較高的效率。

然而，在新建機(jī)組投產(chǎn)或機(jī)組大修后電氣整套啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)、發(fā)變組帶廠變短路和發(fā)變組帶高壓母線短路試驗(yàn)時(shí)，由于機(jī)端直接短路或經(jīng)變壓器短路，接在機(jī)端的勵(lì)磁變壓器二次電壓不能滿足上述啟動(dòng)試驗(yàn)的要求，勵(lì)磁系統(tǒng)必須采用他勵(lì)接線方式。同時(shí)，在發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)時(shí)，為測(cè)得精確的數(shù)據(jù)曲線，避免整套啟動(dòng)試驗(yàn)過程中頻繁的改變勵(lì)磁變壓器一次側(cè)接線，一般也不采用發(fā)電機(jī)機(jī)端帶勵(lì)磁變方式進(jìn)行。因此，自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中需要考慮啟動(dòng)試驗(yàn)的勵(lì)磁需要。

圖1是某1000MW汽輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)空載、短路特性，該機(jī)組額定勵(lì)磁電壓Ufn為437 V（80℃），勵(lì)磁電流Ufn為5887 A。

圖1 某1000MW發(fā)電機(jī)特性

由圖1可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)空載機(jī)端電壓為1.2倍時(shí)，其勵(lì)磁電流約為3600 A，即61.2%Ifn；當(dāng)發(fā)電機(jī)空載機(jī)端電壓為1.3倍時(shí)，其勵(lì)磁電流約為5300 A，即90.0%Ifn；當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端短路且定子電流達(dá)到發(fā)電機(jī)額定定子電流時(shí)，其勵(lì)磁電流約為4000 A，即67.9%Ifn。發(fā)電機(jī)空載特性1.3倍額定電壓時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的直流側(cè)輸出功率為：

表1收集整理了各容量等級(jí)典型機(jī)組的啟動(dòng)試驗(yàn)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流相對(duì)于額定勵(lì)磁電壓和額定勵(lì)磁電流的百分比實(shí)測(cè)值。

2.2 啟動(dòng)試驗(yàn)勵(lì)磁電源配置

大型機(jī)組一般都直接利用發(fā)電機(jī)配套的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行電氣整套啟動(dòng)試驗(yàn)，目前普遍采用3種方式來解決前述短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)電源配置問題。

（1）采用三相380 V廠用電源直接接入勵(lì)磁系統(tǒng)整流橋交流側(cè)，作為試驗(yàn)他勵(lì)電源。雖然380 V的整流橋交流側(cè)電壓對(duì)應(yīng)輸出的勵(lì)磁側(cè)直流電壓考慮壓降后能達(dá)到450 V，可以滿足大部分發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)勵(lì)磁電壓要求。但是前述1000MW機(jī)組在發(fā)電機(jī)1.3倍電壓時(shí)的勵(lì)磁功率約為2085 kW。受制于380 V廠用電源容量，一般難以達(dá)到試驗(yàn)的勵(lì)磁電流要求，因此僅限于在勵(lì)磁容量較小的中小型機(jī)組上采用。

（2）采用6kV廠用電備用開關(guān)間隔，通過臨時(shí)電纜接入勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)，整流橋交流側(cè)電源仍來自勵(lì)磁變二次側(cè)。6kV廠用電備用間隔一般容量較大，可以滿足啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的勵(lì)磁容量要求。但是如果發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓本身較高，例如1000MW機(jī)組普遍額定機(jī)端電壓為27kV，則折算到勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓相應(yīng)降為6.3kV/27kV=23.3%，往往不能滿足啟動(dòng)試驗(yàn)的最大勵(lì)磁電壓要求。這種方式一般僅適用于發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓較低、勵(lì)磁變變比較小的機(jī)組?；蛟谠O(shè)計(jì)時(shí)有意抬高勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓，但過高的勵(lì)磁變二次電壓會(huì)帶來其他問題，因此，采用這種方式要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮怂恪?/p>

（3）勵(lì)磁變壓器采用試驗(yàn)用6kV電源專用中間抽頭方式，即在一次繞組中間抽出1組抽頭，人為降低該組抽頭與勵(lì)磁變二次側(cè)繞組之間的變比，從而保證6kV電源接入后能夠同時(shí)滿足啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁容量?jī)煞矫嬉蟆５菑囊淮卫@組中間抽出抽頭，一方面會(huì)提高勵(lì)磁變壓器的制造成本，在勵(lì)磁變壓器的絕緣、安裝等方面提出更高的要求。另一方面，由于勵(lì)磁變壓器一次側(cè)電壓降低，相同容量的勵(lì)磁輸出情況下相應(yīng)的在勵(lì)磁變一次側(cè)繞組中流經(jīng)的電流大大增加，因此抽頭電壓選擇要注意在最大試驗(yàn)工況下流經(jīng)的一次繞組電流不應(yīng)超過勵(lì)磁變壓器的原設(shè)計(jì)電流值。

3 勵(lì)磁變二次電壓取值限制因素

提高勵(lì)磁變二次側(cè)電壓可以提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力，從而提升電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定水平。同時(shí)，較高的勵(lì)磁變二次側(cè)電壓設(shè)計(jì)有利于滿足電氣整套啟動(dòng)試驗(yàn)對(duì)勵(lì)磁電壓的要求。然而，過高的勵(lì)磁變二次電壓會(huì)從以下幾方面對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)帶來不利影響。

3.1 增加勵(lì)磁變壓器容量投資

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，勵(lì)磁系統(tǒng)容量應(yīng)滿足1.1倍額定勵(lì)磁電流下長(zhǎng)期運(yùn)行。采用三相可控整流橋的勵(lì)磁變二次側(cè)電流與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的關(guān)系為[4]：

式中：IE為勵(lì)磁變二次側(cè)交流電流；Ifn為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流。

勵(lì)磁變額定容量要求為：

式中：SET為勵(lì)磁變?nèi)萘?；UE為勵(lì)磁變二次電壓；IE為對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流的勵(lì)磁變二次交流電流；k為冗余系數(shù)。

計(jì)算勵(lì)磁變?nèi)萘繒r(shí)還應(yīng)考慮整流柜元件損耗、阻容濾波損耗、諧波損耗、換相過程損耗等。另外，從提高效率和可靠性的角度出發(fā)，部分靜態(tài)勵(lì)磁的整流柜大功率散熱風(fēng)機(jī)工作電源來自于勵(lì)磁變低壓側(cè)，廠用MCC（Motor Control Center）作為備用電源的設(shè)計(jì)方式。工程上可以一并以容量冗余度參數(shù)k考慮上述損耗和實(shí)際電源功率消耗，取值可以根據(jù)實(shí)際情況取1.02～1.1。

以前述480MW燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組為例：IEn=0.816×Ifn=2909 A，取冗余系數(shù)k為1.1，則：SET=1.1×1.1×1.732×810×2909/1000=4938kVA.

同時(shí)應(yīng)該注意到，勵(lì)磁變?cè)趧?lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)具有的短時(shí)容量應(yīng)滿足發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)電流和持續(xù)時(shí)間要求。

表1 不同容量機(jī)組空載、短路試驗(yàn)勵(lì)磁電壓、電流百分比

可見，勵(lì)磁變壓器的容量主要決定于勵(lì)磁變二次電壓和發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流與勵(lì)磁系統(tǒng)無關(guān)，因此勵(lì)磁變?nèi)萘孔罱K取決于勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓。提高勵(lì)磁變二次電壓雖然加快了勵(lì)磁系統(tǒng)標(biāo)稱響應(yīng)速度，提升了勵(lì)磁系統(tǒng)控制性能，但同時(shí)也同比地提高了勵(lì)磁變的容量，即造價(jià)。

3.2 降低空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)滅磁可靠性

靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)有著比其他勵(lì)磁形式更快的滅磁速度，但同時(shí)也對(duì)滅磁主回路各組件提出了更高要求，采用直流側(cè)滅磁開關(guān)滅磁方式的典型主回路如圖2所示。

圖2 自并勵(lì)勵(lì)磁機(jī)組滅磁原理

滅磁回路主要由滅磁開關(guān)FCB、滅磁電阻Rx及用于反向阻斷和正向?qū)刂频拇?lián)晶閘管跨接器組成。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是個(gè)巨大的電感，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t，F(xiàn)CB跳閘切斷轉(zhuǎn)子電流后轉(zhuǎn)子電流不會(huì)突變?yōu)?。只有滿足下式描述的條件后，轉(zhuǎn)子電流才能從滅磁開關(guān)-整流橋回路轉(zhuǎn)移進(jìn)入滅磁電阻回路進(jìn)行滅磁。

式中：UFCB為滅磁開關(guān)弧壓；UE為整流橋輸出電壓；URxmax為滅磁電阻承受最大滅磁電流瞬間的電壓。

根據(jù)晶閘管整流器電壓轉(zhuǎn)換公式關(guān)系，在觸發(fā)角度不變前提下，直流側(cè)勵(lì)磁電壓與交流側(cè)供電電壓基本成正比。

根據(jù)前述，發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵(lì)整流橋輸出電壓由以下公式?jīng)Q定：

式中：ufmax為整流橋輸出電壓；ug為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；KET為勵(lì)磁變變比；if為勵(lì)磁電流；ZE為勵(lì)磁變短路阻抗。

因此，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)，其強(qiáng)勵(lì)觸發(fā)角度不變，整流橋輸出的強(qiáng)勵(lì)電壓幅值與變壓器二次側(cè)電壓成正比。較高的勵(lì)磁變二次電壓帶來較高的誤強(qiáng)勵(lì)電壓，再加上自并勵(lì)勵(lì)磁方式存在的機(jī)端電壓與勵(lì)磁電壓之間的正反饋效應(yīng)，大大增加了滅磁開關(guān)換流難度，提高了對(duì)滅磁開關(guān)弧壓的要求[5]，降低了勵(lì)磁系統(tǒng)在嚴(yán)重故障工況下滅磁的可靠性。

3.3 提高整流橋晶閘管等級(jí)要求

晶閘管在擁有較好可控性和高能量密度的同時(shí)，具有大功率電力電子器件本體較為脆弱的共性，受到電壓、電流、電壓變化率、電流變化率和溫度等各項(xiàng)參數(shù)限制。晶閘管的標(biāo)稱電壓主要包括斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM，額定電壓UTN值一般取UDRM和URRM中較小的那個(gè)數(shù)值，并取整至不大于該值的規(guī)定電壓等級(jí)上，作為晶閘管的額定電壓。選用晶閘管時(shí)，應(yīng)取其額定電壓為正常工作電壓峰值的2～3倍，以耐操作過電壓[4]。

另外，晶閘管電路換相過程中存在換相尖峰，下述峰值電壓計(jì)算方法可供參考：

空載誤強(qiáng)勵(lì)下，考慮自并勵(lì)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓最高可達(dá)到1.5倍[5]，則交流峰值電壓：

式中：UEN為發(fā)電機(jī)額定機(jī)端電壓。

考慮晶閘管換相尖峰電壓后勵(lì)磁電壓的暫態(tài)峰值：

式中：1.5～2.5為換相尖峰值與交流電壓峰值的倍數(shù)，這一倍數(shù)的取值與整流橋交流側(cè)換相抑制回路設(shè)計(jì)有關(guān)，在晶閘管選取時(shí)可視同電壓裕度系數(shù)。

由于晶閘管元件設(shè)計(jì)制造時(shí)，一般按電壓等級(jí)分檔，提高勵(lì)磁變二次電壓，相應(yīng)提高了晶閘管的額定電壓要求，降低了選定的對(duì)應(yīng)等級(jí)晶閘管的電壓裕度，因而勵(lì)磁變二次電壓不宜設(shè)計(jì)過高。

3.4 提高勵(lì)磁主回路絕緣耐壓要求

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)勵(lì)磁電流小于1.1倍額定值時(shí)，勵(lì)磁繞組兩端所加的整流電壓最大瞬時(shí)值應(yīng)不大于勵(lì)磁繞組出廠試驗(yàn)電壓的30%[1]。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如裝設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置，其動(dòng)作電壓值應(yīng)低于轉(zhuǎn)子繞組出廠工頻耐壓試驗(yàn)電壓幅值的70%[2]。上述這2個(gè)數(shù)值既與峰值電壓相關(guān)，又與滅磁開關(guān)斷開時(shí)的電弧電壓有關(guān)。而這些電壓值都與勵(lì)磁變壓器二次電壓直接或間接相關(guān)，提高勵(lì)磁變二次電壓值即同時(shí)提高了換相峰值電壓和滅磁開關(guān)的弧壓設(shè)計(jì)要求，從而降低勵(lì)磁繞組兩端的過電壓瞬時(shí)值設(shè)計(jì)的冗余度。

4 結(jié)語

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變壓器二次電壓作為重要涉網(wǎng)參數(shù)，直接影響發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的性能和安全可靠性運(yùn)行。在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，應(yīng)參考現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求，協(xié)調(diào)各種制約因素，不斷優(yōu)化勵(lì)磁變壓器二次電壓的取值。

[1]GB/T 7409.3同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求[S].北京：中國電力出版社 2007.

[2]DL/T 843-2010大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件[S].北京：中國電力出版社，2011.

[3]DL/T 583-2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件[S].北京：中國電力出版社，2006.

[4]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]吳跨宇.基于空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁對(duì)發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)整定的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（2）∶98-101.