自并励励磁系统的运行分析

自并励励磁系统的运行分析

AnalysisonOperationofSelf-Parallel-ExcitationSystem

三河发电有限责任公司(河北三河065201)　　郝雪平

摘　要:自并励励磁系统因其主系统接线的特点,在其运行中存在着值得关注的问题。为此,对这些问题加以分析,并提出在运行中应注意的事项。关键词:自并励励磁;主接线特点;干式变压器;轴电压;过电压;整流器中国分类号:TM311

文献标识码:B

文章编号:1003-9171(2004)09-0034-03

随着发电机容量的不断增加,自并励励磁系统已成为大型汽轮发电机组励磁方式的首选。

自并励励磁系统之所以受到青睐,是因为它的主系统接线方式简单可靠。在其运行中也存在着值得关注的问题。

耦合到转轴上。使得发电机轴电压问题更加复杂。(2)由于晶闸管整流器处于深控状态,整流电压的波形畸变引起较高的尖峰过电压,有时会危及到发电机转子回路绝缘的安全。

(3)整流电流谐波分量的增加降低了励磁变压器的功率因数,使设备容量增加;同时加重了励磁变压器的损耗,使温升加大。

(4)用于深控状态的晶闸管元件承受更高的换相过电压。

2　轴电压问题及新型接地装置

轴电压的存在一直是大型汽轮发电机运行倍受关注的问题之一。自励励磁系统,除了因磁路不对称、轴向磁通、静电荷及转子绕组绝缘不对称等原因产生轴电压外,又为发电机提供了一个相当大的高频轴电压源,通过电源、转子绕组及与接地状况有关的绝缘电容和电阻,使得大轴产生电动力。若轴和地之间无任何接触,很容易产生超过100V的电压,且电压覆盖很宽的频带,从直流到500kHz。

实践表明,将发电机励磁端的所有轴承和轴密封加以绝缘,对防止发电机中产生感应的轴电压及由此形成大环流是非常有效的。

当轴电压幅值超过20V会引起轴和轴瓦之间的油膜放电,由此引起轴电流并对轴承造成连续的腐蚀。

为了防止轴电压引起环流,通常利用接地碳刷将轴接地。但是,因碳刷和转速达3000r/min的大轴表面(轴表面速度可达100m/s)接触。要达到良好而可靠的接地是非常困难的。另外,油雾的污染也导致接地碳刷接触不良。

三河发电有限责任公司引进的2台日本三菱350MW机组,在发电机大轴的汽轮机侧装有2只MH52型(截面积15×25mm)碳刷。装上新碳刷,测轴电压有7～8V。一周后,因碳刷磨损使轴电压达到25～30V。经过与三菱电机交涉,三菱电机为我们提供了一种新型接地装置,这种装置同多层次铜线编制的软铜辫叠压在一起,长度400mm宽度150mm,直接用带有弹性的钢板呈人字形压搭在大轴上。这样就增大了与大轴的接2

1　系统主回路接线方式及应注意的问题

自并励励磁系统主回路典型接线方式是将励磁变压器连接在同步发电机的出口端。这种接线方式比较简单,励磁电源的可靠性较高。自励系统中的励磁变压器也可以接在主断路器的系统一侧,但此时受系统电压波动影响较大,因此很少采用。亦可将励磁变压器接到厂用电母线上或通过厂用变压器中间环节供电给整流器作为励磁电源,但对于同步发电机励磁系统要求供电可靠和干扰影响较小的时候,这种接线方式就不宜采用。自并励系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接线。这种接线的优点是晶闸管元件承受的电压低,而变压器的容量利用率高,三相桥式电路可采用半控桥或全控桥。

对于采用单组功率整流柜的传统接线自励励磁系统,按照我国要求励磁系统需提供两倍的顶值励磁电压倍数,为了兼顾发电机空载、额定及强励状态的要求,在长期额定运行工况下,为满足强励能力的储备,晶闸管整流器必须处于深控状态,这将导致整流电压的波形发生严重的畸变,对于励磁系统的安全可靠运行是十分不利的,主要表现在:

(1)自励系统中的大功率整流装置直接接到发电机转子,晶闸管在换相期间产生高达10A/󰀁s的周期性脉动电流可通过转子绕组对地电容No.9　2004　　　　　　　华北电力技术　　NORTHCHINAELECTRICPOWER　　　　　　　　　　　　　35

触面积。经测量,轴对地电压只有0.5V,且经过一年运行,轴电压无大的变化。

须在晶闸管电源的直流侧加装尖峰吸收器(过电压保护),消去尖峰过电压,使尖峰率降至1.5倍以下,可使安全系数U绝/Ud≥2。所以对过电压保护器应加强维护,只有保证其可靠运行,才能保证发电机转子的安全。

3　发电机转子系统绝缘及过压保护

在自并励励磁系统中,由于晶闸管整流器处于深控状态,在晶闸管换相关断过程中,由电路中激发起电磁能量的互相转换和传递,在直流测产生尖峰过电压,该尖峰过电压的峰值可达阳极电压的2倍左右,容易引起转子系统软击穿事故,甚至引起器件烧毁。

在半导体整流电路中,定义󰀁=Up/2Uac为尖峰率,其中Up为尖峰过电压的峰值,Uac为阳极电压的有效值。对未加尖峰过电压保护的几十台大小机组的测试表明,其尖峰率󰀁为2倍左右,即Up≈Uac。设转子绕组绝缘电压为U绝,励磁电源输出额定电压为Ud,对非晶闸管励磁电源,电压波动率Up/Ud=1,按《电力设备预防性试验规程》规定,额定励磁电压500V及以下者U绝/Ud≥10。对于自励励磁系统,当Ud和U绝均与非晶闸管励磁电源相当时,由于晶闸管整流器处于深控状态,Ud还不到其阳极电压Uac的一半,所以它的电压波动率Up/Ud≥6,绝缘安全系数U绝/Ud≤2。两种励磁电源绝缘安全系数相差甚远,当然运行可靠性就降低很多。由于自励励磁系统的转子绝缘裕度不够,引起转子绝缘劣化加速,故障叠起。

对于换相尖峰电压引起的励磁故障,由于过电压时间短(仅几微妙),能量小(几个焦耳),一般对绝缘形不成直接击穿,多为闪络放电,形成非金属击穿,事故后绝缘能恢复,故障点不易查找。对于晶闸管微秒级上升前沿的尖峰电压来说,通过变压器高低压线圈的匝间杂散电容耦合也可产生感应过电压或反射波叠加过电压。在脉冲变压器的一侧是晶闸管几千伏的高压电位,另一侧是十几伏的低压电子线路,稍有一点电位扰动,就会从高压侧传到低压侧,引起电子线路的紊乱。这种在高低压悬殊的连接点、隔离点产生的感应过电压也是非晶闸管电源没有的,所以励磁故障多从脉冲变压器处产生、发展。在辽宁清河电厂曾因脉冲变压器击穿,引起误强励。

上述问题,对于脉冲变压器这种较小的部件,可通过加强本身的绝缘水平来解决,将脉冲变压器绝缘电压从阳极电压的3～4倍提高到8～10倍。而对于汽轮发电机这种庞然大物,提高其转子的绝缘等级难度较大且可靠性要求更高,因此必4　励磁变压器的维护

自并励励磁系统主回路典型接线方式是将励磁变压器连接在同步发电机的出口端。因此励磁变能否可靠运行,不仅关系到发电机组的运行可靠性,而且与发电机使用寿命密切相关。国际大电机会议规定,发电机寿命期间,允许出口短路一次、主变高压侧短路3次、振荡1次,占总寿命的30%,其余70%用于正常运行。换句话说,就是出口短路一次、主变高压侧短路3次、振荡1次不影响发电机的标称使用寿命。否则,超出上述范围,将危害正常使用寿命。

随着绝缘材料的发展,干式变压器在自励励磁系统中的应用越来越多,但整流电流谐波分量的增加降低了励磁变压器的功率因数,使干式变压器的容量裕度相对减小。同时谐波的增加加重了励磁变压器的损耗及温升,从而使其对运行环境的要求也相对提高,尤其是对冷却条件的要求。

2000年对三河发电有限责任公司2号励磁变、江苏利港电厂励磁变烧毁事故的分析表明,除了保证原设计的绝缘距离以外,励磁变周围空气质量及保持励磁变通风效果是至关重要的。因此应加强对励磁变冷却系统的维护,特别是在春季柳、杨絮纷飞的时候,注意对励磁变滤网的检查、清扫。

5　励磁变交流侧及整流相过压保护

励磁变压器接有整流负载,在运行中,整流桥各臂晶闸管依序进行换相导通或关断。当晶闸管处于关断状态时,储存在相应励磁变压器二次绕组的磁场能量的释放将会引起危及设备安全的瞬时过电压,为此,除在晶闸管两端并联阻容阻尼器外,还须在励磁变压器二次绕组接入抑制交流过电压的阻容保护装置以及非线性电阻(硒堆或压敏电阻)保护。一般应采用三角形接线方式,以避免因接地为轴电流提供另外的通道。

目前,国际和国内普遍流行一种直流阻断式过电压阻容保护。如图1所示。

图1中V1～V6为晶闸管组成的功率整流器,V7～V12和C1、C2、R1、R2,以及Cx、Rx组成直　　　　　　　　　　　　华北电力技术　　NORTHCHINAELECTRICPOWER　　　　　　　　No.9　200436

表1　不同容量下的整流元件参数

元件CxC1、C2RxR1、R2

500A1400V,6󰀁F1000V,0.47󰀁F×1100W,500󰀁×(4～5)50W,10󰀁×(1～2)

800A1400V,18󰀁F1000V,1󰀁F×(2～4)100W,500󰀁×(4～5)50W,10󰀁×2

1600A1400V,18󰀁F×21000V,2󰀁F×4100W,500󰀁×(5～8)50W,10󰀁×4

6　结论

(1)自并励励磁系统大功率整流装置直接接到发电机转子,为发电机提供了一个产生高于

100V电压、且电压频带从直流到500kHz的高频轴电压源,常规的接地碳刷难以消除轴电压,增大接触面积是一种简单有效的方法。

(2)在自励励磁系统中,由于晶闸管整流器处

图1　直流阻断式过电压保护线路

于深控状态,使得转子绝缘裕度不够,只有靠加装尖峰吸收器(过电压保护),提高转子的安全系数。脉冲变压器是高低压悬殊侧的连接点、隔离点,可通过加强本身的绝缘水平来解决绝缘问题。

(3)励磁变压器连接在同步发电机的出口端,其地位非常重要,而整流电流的谐波分量使得其容量裕度相对减小。同时谐波分量的增加加大了励磁变压器的损耗及温升,对环境要求就相对增高。

(4)在自并励励磁系统中晶闸管元件承受更高的换相过电压,过电压保护的作用显得尤为重要。参考文献

[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用.北京:中国电力出版社,2002

收稿日期:2004-12-29

作者简介:郝雪平(1962—),1983年毕业,学士学位,电气专业高级工程师,多年来一直从事发电机励磁系统的技术工作。

流阻断式过电压保护线路。此线路不仅可吸收交流侧的过电压,也可吸收直流侧过电压和抑制元件换相过电压。其作用原理为:其一,对主功率整流器而言,不论阴极组或者阳极组,每一整流元件两端均并联有一组过电压阻容吸收电路,同时,由于二极管V7～V12的阻断作用,电容C1或C2不会向进入导通状态的晶闸管整流器的触发回路放电引起di/dt过负载,这种接线大大地简化了元件的阻容保护电路。其二,当发电机励磁绕组直流正端或负端引起瞬时过电压时,此过电压由阻容保护元件C1、R1或C2、R2所吸收。表1列出了国外某公司推荐的选用值。用于深控状态的晶闸管元件承受更高的换相过电压时。过电压保护的作用更加重要,对其元件特性的检查及接线的可靠性应引起足够的重视。否则会因个别元件问题或接触不良而导致烧毁整个整流柜。(上接第30页)方向。参考文献

[1]杨东华.1986

[2]朱明善.能量系统的火用分析.北京:清华大学出版社,1988

[3]郑体宽.热力发电厂.北京:中国电力出版社,1998

[4]汪孟乐.火电厂热力系统分析.北京:水利电力出版社,1992火用分析和能级分析

[5]蒋慧,吴礼发,陈卫卫.UML设计核心技术.北京:希望电子出版社,2001

[6]郭江龙,张树芳,陈海平.火电机组排汽焓在线计算方法的研究.发电没备,2001,11(6)

.北京:科学出版社,

[7]TheInternatinalAssociationforthePropertiesofWaterandSteam.Erlangen,Germany,September1997[8]任浩仁,李薇,盛德仁.火电机组变工况下运行指标应达值的分析.中国电机工程学报,1999,50(9)

收稿日期:2004-01-30

作者简介:胡效雷(1965—),男,工学硕士,在职博士生,高级工程师,现任广东沙角发电C厂副总工程师,长期从事火电生产技术管理工作。