王海軍，霍乾濤

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061）

1 引言

隨著科技的發(fā)展和進步，人類社會對電力能源的需要越來越大，因而電力系統(tǒng)建設得到了長足的發(fā)展。與此同時，有限的一次能源、人類對環(huán)境保護的要求和發(fā)電機運行經濟能效的考慮，使得新建的發(fā)電機機組以超臨界、超超臨界火力發(fā)電機組和巨型水輪發(fā)電機組為主流。發(fā)電機機組單機容量的增大，帶來了一系列的需要進行思考和研究的課題，如生產工藝、系統(tǒng)絕緣、冷卻、大容量勵磁系統(tǒng)等。

作為發(fā)電機和電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行保護的滅磁系統(tǒng)，正是由于勵磁系統(tǒng)容量的增大，給其帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如果沒有較好的滅磁控制方案或合適容量的滅磁電阻就會產生發(fā)電機轉子絕緣擊穿、燒壞的風險，因此需要有合理的滅磁控制方案及器件參數的選取。

2 滅磁回路設計原理

勵磁系統(tǒng)主回路設計一般采用如圖1所示的接線圖。

圖1 勵磁主回路典型圖

圖1中，SCR為三相晶閘管整流橋，F(xiàn)MK為磁場斷路器，L為發(fā)電機轉子繞組，D為止逆二極管，Rf為非線性滅磁電阻，Uz為晶閘管整流橋輸出電壓，UK為磁場斷路器開關電壓，UM為滅磁電阻控制電壓

要使勵磁系統(tǒng)滅磁成功，其回路在滅磁過程中滅磁電路電壓應該滿足式（1）：

其中：UK為磁場斷路器的最大分斷電壓；UMmax為滅磁電阻控制電壓；UZmax為整流裝置輸出的最大電壓。

磁場斷路器的最大分斷電壓是開關弧壓?；哼x取較低將會造成勵磁電流引入滅磁回路失敗，不能有效保護發(fā)電機；弧壓選取太高，首先對開關的制造提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，其次一旦發(fā)生嚴重故障，有可能由于弧壓太高影響主回路的絕緣。因此磁場斷路器的開關弧壓要適當，現(xiàn)階段大型機組使用的磁場斷路器弧壓一般為4000V。

可控硅整流裝置輸出的最大電壓與勵磁變壓器低壓側電壓有關。根據電力系統(tǒng)對強勵能力的需求，勵磁變壓器低壓側電壓一般設計為1.8倍－2倍的勵磁電壓。

同時由式（1）可知，當UMmax恒定時，UK的取值與UZmax有關。因此對于大型自并勵機組，當機組空載誤強勵時需要的磁場斷路器弧壓最大，當機組短路時，需要的磁場斷路器弧壓最小。

3 大型同步發(fā)電機組滅磁控制電壓設計依據

現(xiàn)階段指導我國大型機組勵磁系統(tǒng)設計的標準主要有《GB/T7409.3-2007 同步電機勵磁系統(tǒng)大中型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術要求》（以下簡稱GB/T7409.3）、《DL/T843-2010 大型汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術條件》（以下簡稱DL/T843）、《DL/T583-2006大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術條件》（以下簡稱DL/T583）。

以上三個標準對滅磁控制電壓的選取各有不同。GB/T7409.3主要從配置上要求勵磁系統(tǒng)應該具有滅磁功能，并要求“在定子回路內部短路或外部短路的工況下和空載誤強勵的工況下滅磁時，保護發(fā)電機同時保證勵磁系統(tǒng)本身的安全”。DL/T843在GB/T7409.3的基礎上針對滅磁電阻和滅磁控制電壓的選取進行了如下規(guī)定：“滅磁電阻宜采用線性滅磁電阻時其阻值為磁場電阻熱態(tài)值的1倍－3倍，任何情況下過電壓不應該超過轉子工頻耐壓試驗電壓幅值的60%”，但是對于非線性電阻的配置沒有明確。而DL/T583是在GB/T7409.3的基礎上針對滅磁電阻和滅磁控制電壓的選取進行了如下規(guī)定：“滅磁過程中，勵磁繞組反向電壓應控制在不低于出廠試驗時繞組對地耐壓試驗電壓幅值的30%，不超過出廠試驗時繞組對地耐壓試驗電壓幅值的50%?！?/p>

根據《ANSI IEEE C37.18-1979（R2003）ANSI IEEE C37.18-1979 （R2003）IEEE Standard Enclosed Field Discharge Circuit Breakers for Rotating Electric Machinery》標準可知，大型機組故障時流過轉子的電流一般不大于3倍額定勵磁電流，因此考慮到勵磁系統(tǒng)的可靠性，一般按照3倍勵磁電流設計最大滅磁電流。

由以上設計依據及機組參數可知，對于火電機組，根據DL/T843可知滅磁電壓的大小可設計為額定勵磁電壓的3倍－5倍。而對于水電機組，根據DL/T583可知，滅磁控制電壓可設計為額定勵磁電壓的4.5倍－7倍。兩者的選取方式不一致，且水電機組選取的滅磁控制電壓為火電機組的1.4倍左右。

機組隨著單機機組容量的增大，負載額定勵磁電流和勵磁電壓現(xiàn)在均比較高，部分單機容量1000MW的火電機組其勵磁電壓已經達到了650V，而700MW級水輪發(fā)電機機組也超過了500V，尤其是現(xiàn)階段我國正在研制1000MW的水輪發(fā)電機，其勵磁電壓接近550V。較高的勵磁電壓使得滅磁控制電壓較高，在滅磁過程中對滅磁開關的要求較高，導致滅磁可靠性降低，因此對于滅磁電壓的選取進行如下的分析。

4 影響滅磁控制電壓的因素分析

滅磁控制電壓的大小主要考慮滅磁控制速度，為了進一步對比不同滅磁控制電壓對滅磁時間的影響，選取某700MW水輪發(fā)電機組參數進行滅磁仿真，機組參數如表1所示。仿真工況如圖2－圖10所示。

表1 機組參數

4.1 空載誤強勵工況下的仿真圖

圖2 滅磁控制電壓為1500V的滅磁仿真

圖3 滅磁控制電壓為1800V的滅磁仿真

圖4 滅磁控制電壓為2100V的滅磁仿真

4.2 定子回路外部短路后延時跳機端開關

圖5 滅磁控制電壓為1500V的滅磁仿真

圖6 滅磁控制電壓為1800V的滅磁仿真

圖7 滅磁控制電壓為2100V的滅磁仿真

4.3 定子回路內部短路

圖8 滅磁控制電壓為1500V的滅磁仿真

圖9 滅磁控制電壓為1800V的滅磁仿真

圖10 滅磁控制電壓為2100V的滅磁仿真

根據以上仿真波形得到表2的數據。

表2 不同滅磁電壓效果對比

從表2得出以下的結論：隨著滅磁電壓的上升，需要滅磁電阻的容量上升，但不明顯；滅磁速度加快但很有限。同時可知滅磁電阻在負載機端內部短路時需要的滅磁電阻容量最大。

對于以上工程滅磁控制電壓增加600V，滅磁速度僅提高1s，但是對磁場斷路器的壓力大大增大，反而降低了滅磁的可靠性，可能導致滅磁失敗，因此滅磁控制電壓的選取要有適度。

5 國外勵磁系統(tǒng)在大型機組滅磁控制電壓選取

國內部分大型機組的電廠其勵磁系統(tǒng)采用了國外廠家的設備，國外各廠家典型大型同步發(fā)電機組滅磁控制電壓的選取如表3所示。

表3 進口設備滅磁控制電壓的選取

在表3可以看出，國外勵磁廠家對于水輪發(fā)電機組電機組的滅磁控制電壓一般選取為3倍－5倍勵磁電壓，而在運行過程中，也是非常穩(wěn)定可靠，說明該電壓的選取比較合適。

5 結論

根據本文以上的分析、計算仿真和實物對比，可以得出如下的結論：

（1）如果滅磁控制電壓的設計不當，將會給滅磁開關設備運行的安全性和設備的選取帶來很大的困擾，甚至沒有可用設備進行選擇，所以滅磁控制電壓的選取要適合。

（2）大型自并勵式靜止勵磁系統(tǒng)滅磁工況滅磁電阻容量應該以機端內部三相短路工況計算，而磁場斷路器最小弧壓的選取應該以空載誤強勵選取。

（3）為了便于水輪發(fā)電機組和火力電機組滅磁系統(tǒng)設計，建議兩類發(fā)電機非線性滅磁電阻滅磁控制電壓選取方法一致，均為額定勵磁電壓的3倍－5倍。

［1］GB／T 7409.3－2007 同步電機勵磁系統(tǒng) 大、中型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術要求［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［2］DL／T843－2010 大型汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術條件［S］.北京：中國電力出版社，2011.

［3］DL／T583 2006大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術條件［S］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］ANSI IEEE C37.18－1979（R2003）IEEE Standard Enclosed Field Discharge Circuit Breakers for Rotating Electric Machinery［S］.USA New York，NY：Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2003.

［5］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計及應用［M］.北京：中國電力出版社，2002.