自并励静态励磁系统在神火电厂的运用

　　摘要：通过介绍南瑞公司SAVR-2000励磁系统在135MW机组的运用，对汽轮发电机自并励静态励磁系统在设计、选型、调试、运行中需要注意的问题进行了一些具体分析，并提出了一些意见和看法，供同行参考和指正。
　　关键词：自并励励磁系统，SAVR-2000，运用
　　
　　前言
　　在发电机的各种励磁方式中，自并励静态励磁系统在性能上具有高励磁电压响应速度，高起始响应性能，高可靠性，接线简单，灭磁效果好，能提高电力系统稳定性能等优点而得到了广泛的应用。其励磁方式取消了旋转部件，可靠性优于交流励磁机，大大减少了事故隐患；采用冗余设计，故障元件可在线进行更换，能有效地减少停机次数，对运行、维护的要求也相对较低；它与三机励磁系统相比，取消了主、副励磁机，缩短了轴系长度，减少了大轴联接环节，因而提高了轴系稳定性，降低了厂房造价，减少了机组投资；其励磁电源取自发电机机端并联变压器，接线方式简单，可靠性高；其控制系统能够提高系统暂态稳定水平。因此随着电力电子技术的发展，大型汽轮发电机采用自并励励磁方式已成为一种趋势。
　　河南神火集团发电有限公司两台135MW发电机组励磁系统选用南瑞公司生产的SAVR-2000自并励静态励磁系统，整个系统包括发电机、机端励磁变压器（励磁变），可控硅整流器、自动电压调节器（AVR）、灭磁和过电压保护装置、启励装置及一些必要的监测、保护、报警辅助装置组成。本文将结合SAVR-2000自并励静态励磁系统在神火电厂的运用，对大型汽轮发电机自并励静态励磁系统的设计、选型和调试中出现的一些问题进行具体分析，并提出了一些意见和看法，供同行参考和指正。
　　
　　1、神火电厂SAVR-2000励磁系统概况
　　SAVR-2000发电机励磁调节器是以经典和现代控制理论与数字信号处理器DSP技术相结合的第二代微机励磁调节器.它继承了第一代微机励磁调节器的全部调节、控制及限制保护功能，同时在计算速度、搞电磁干扰、可靠性等方面者都有了极大的进步，是现代大、中型同步发电机组较为理想的励磁调节装置。SAVR-2000适用于各种方式的可控硅励磁，是一种通用性极强的励磁调节装置。作为更新换代产品已被我国励磁行业的专家认可。SAVR-2000发电机励磁调节器拥有32位总线的DSP（数字信号处理器）作为控制的核心，采用积木式双通道或多通道冗余结构，并配备大屏幕液晶显示器，具有可靠性高、操作简单、维护方便、使用灵活等特点。
　　根据附图所示的SAVR-2000励磁系统的框图，整个系统可分为四个主要部分：
　　 励磁变压器：励磁变压器采用三相干式变，容量1600KVA，接线组别Y/d5，满载二次线电压为292V，一次电压15.75kV。发电机满载额定电流1807A；
　　 两套相互独立的励磁调节器：自动电压调节器冗余设计，每个调节器包含一个自动通道、一个手动通道和一个EGC紧急手动通道；
　　 可控硅整流器单元：可控硅整流装置整流方式为三相全控桥，具有逆变能力，整流柜数量2个
　　 起励单元和灭磁单元：励磁系统采用三相380V交流电源整流起励（目前已变更为直流直接起励），当发电机电压上升到规定值时，起励回路自动退出。正常情况下，可控硅逆变后灭励或跳灭磁开关；故障情况下，跳开直流灭磁开关并接通跨接器使发电机转子绕组接入非线性电阻进行灭磁，灭磁系统设有过电压保护。
　　
　　2、系统接线方式：
　　接于发电机出口母线（如图一）是典型的自并励静态励磁系统接线方式。
　                    　               
　　　　3、励磁变压器：
　　正常运行时，励磁系统由发电机机端电压经过励磁变压器供电，同步发电机的磁场电流经由励磁变压器、磁场断路器和可控硅整流桥供给。励磁变压器将发电机端电压降低到可控硅整流桥所需的输入电压，在电气上将发电机电压与发电机磁场绕组之间隔离，并为可控硅整流器提供整流阻抗，限制交流侧和直流侧的短路电流水平，此外励磁变还应该匹配电源电压，使其满足强励要求。
　　因此，励磁变压器的二次侧电压的设计要求是：整流器的最大输出电压必须与直流顶值电压相匹配；励磁变压器按短路电抗为4~6%(典型值为5%)来设计，这一电抗值应足以限制短路电流和/可控硅整流桥换相期间的电流上升率di/dt。
　　神火电厂励磁变压器的选择和计算考虑了以下几个方面：
　　1)为改善可控硅整流桥电压波形，考虑铁芯磁通的均匀分布，变压器采用星形-三角形(Y/Δ)接线，一次电压与发电机端电压相同，二次电压由励磁系统的正向顶值电压所决定，额定容量取决于励磁系统应提供的直流功率值，同时应考虑到在一次电压为80%额定电压值时仍能保证所需的顶值电压值，提高系统的强励能力。
　　2)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绕组(C形不闭口的线圈)，使大部分的操作过电压通过屏蔽绕组流入大地。
　　此外还需要考虑变压器的阻抗电压、过载能力、保护配置、绝缘问题等等。
　　
　　4、励磁调节器
　　励磁调节器的核心是控制板COB。所有的调节、控制以及脉冲形成等功能均由COB实现。带数字信号处理器DSP的测量单元板MUB用于实际值的快速测量。这两块板叠装在同一个金属箱内，形成一个独立的调节通道。箱内还安装了一块结构上独立的扩展门极控制板EGC作备用通道，用于励磁电流调节。并配置了一套完全冗余的系统。每个通道可以控制一个或多个并联的整流桥，输出励磁电流高达10000A。
　　自动电压调节器AVR的主要目的是精确地控制和调节同步发电机的端电压和无功功率。这就要求励磁电压对运行工况的变化作出快速反应，响应时间仅为几个毫秒。因此，AVR是一个快速控制器，它不断地计算给定值与反馈值的偏差，在尽可能短的时间内完成调节运算，控制可控硅整流桥的触发角度。SAVR-2000型励磁调节器的调节周期相当短，相对于模拟式励磁调节器，其延迟可忽略不计。调节运算完全由软件实现。
　　
　　5、灭磁
　　神火电厂灭磁解决方案是快速直流灭磁。在整流桥出现内部短路的情况下，它能可靠地将整流桥与电源断开，防止事故扩大。
　　灭磁过程由来自发电机保护的或内部的励磁保护跳闸命令启动，采用逆变灭磁，将转子电流导入灭磁电阻。灭磁电阻的额定值与磁场断路器的弧压和励磁绕组允许的最大电压相匹配。其能容选择则以能够吸收故障条件下励磁绕组中因感应电流而存储的最大灭磁能量为准，典型的故障条件是机端三相短路和空载误强励。
　　
　　6、起励
　　一般情况下，SAVR-2000可实现残压起励。电子控制回路能够正常工作所需的整流桥输入电压约为10V~20V。如果电压低于该值，首先使用残压起励，连续触发可控硅整流桥，以二极管整流桥模式将电压升至该范围。如果因长期停机等原因造成在几秒钟时间内无法用残压建立起正常工作所需的10V~20V电压，则启用备用起励回路，用它励方式建立这一电压。当机端电压达到发电机额定电压的10%时，整流桥已能接管励磁控制，起励自动退出，软起励过程开始并将发电机电压升到预定水平。整个起励过程的控制和监测都是由AVR软件实现的。备用起励回路需要的电流很小，这使得直流起励在大容量发电机励磁系统中的应用成为可能。进一步讲，由于起励电阻的阻值可以很高，起励时的励磁时间常数（L/R）也随之大为减小。
　　
　　7、目前励磁系统存在的问题：
　　7.1、励磁变的出口问题：
　　A、 发变组保护和励磁变保护对励磁系统的出口均只动作于跳灭磁开关，靠转子过电压回路电流判断启动逆变灭磁，影响了灭磁开关寿命，建议引发变组保护和励磁变保护出口接点直接作用于逆变灭磁，确保任何情况下，灭磁开关均只切除剩磁。
　　B、 目前只有在远方控制时汽机转速低于90%（2700转）时闭锁励磁开关合闸脉冲，当励磁系统在就地控制时，没有闭锁功能，建议加装，使其在远方/就地都有此功能。
　　C、 断路器跳闸线圈1跳合闸电压过低13V，，不符合断路器低电压30％－65％的部颁标准，且万一控制回路发生直流一点接地，因电压低问题极有可能造成开关偷跳。建议在开关线圈后加装回路电阻，以免此种情形的出现。
　　7.2、转子接地保护问题：
　　转子接地保护目前由发变组保护来实现，其转子电压A601、A602分别接自直流母排，再上保护柜端子排，N线直接引自发电机大轴，这种方式给机组带来了一定的隐患：转子电压A601、A602分别接自直流母排，直流母排与转子直接相连，其绝缘耐压不符合现行部颁标准。按国标GB-7409-87的标准，当Ufn≤500V时，Us=10Ufn，Us≥1500V；Ufn≥500V时，Us=2Ufn＋4000V，我厂励磁额定电压为407V，则其暂态过电压大于4070V，即过电压保护电缆的绝缘耐压水平应大于此数值，但实际上从励磁小间引入励磁保护屏的电缆仅能耐压600~800V，如发生转子过电压，其电缆耐压水平是不能满足要求的。且电缆直接接在转子正负极上，相当于延长了发电机转子，将转子延伸到了发变组保护屏，增加了转子接地的概率。如果此电缆接地或绝缘降低，就相当于转子接地和绝缘降低。其实励磁调节器中的转子过电压和接地保护已能满足运行的要求，将励磁电压601外引，其实并不合适，厂家也不赞成。因此建议采用励磁调节柜中的转子过电压保护（现已完成改造）。
　　7.3、励磁保护的配合问题：
　　A、自并励机组和常规励磁机组相比，在机端或靠近机端部位出现短路故障时，特别是机端出现三相短路时，短路电流的变化差别特别大。常规励磁方式下，短路电流在经一段时间会达到稳定短路电流；而对于自并励方式，当短路点距机端的电抗小于临界外接电抗时，短路电流会很快衰减至零，这时必须按后备保护的动作电流或动作阻抗以及动作延时来校验自并励发电机故障点经附加电抗后发生的三相短路。一旦证实通常的电流、电压和阻抗型后备保护对自并励发电机不满足技术要求，则改用低电压保持的过电流保护，或带电流记忆的低压过流保护，以保证自并励发电机外部短路电流衰减时，后备保护仍有足够的动作灵敏度。
　　B、励磁系统本身配置了完善的过负荷保护、V/F保护、最大转子过电流保护等，其动作后果均动作于全停，而发变组保护也配备了相关保护，如果两者保护定值存在配合问题，存在励磁误动的极大可能性，对发电机安全运行构成极大威胁。因此神火电厂励磁系统采取只负责调节和限制，保护任务全部由发变组保护来承担。其主要原因是发电机出口短路故障后，需要励磁提供强励短路电流，保证发电机保护迅速动作切除故障。如果此时励磁系统先灭磁，将影响保护动作的灵敏性和可靠性。如果想更好地发挥励磁系统的作用，可以适当提高励磁系统保护定值，使其高于发变组保护的定值，即确保出现故障后，励磁系统先限制，跳闸则由发变组保护来完成。采取这样对策时应注意，AVR中限制和保护的定值间隔要放大，确保励磁系统的限制定值低于发变组保护定值，发挥限制作用；跳闸定值高于发变组保护定值，起到后备保证。
　　
　　8、结束语：
　　对引进型静态自并励励磁系统，对国外的设计理念和习惯，我们还有许多需要加强理解和认识，值得我们斟酌和注意，我们设计、调试、运行、检修人员应尽快熟悉、掌握励磁系统的技术，加强对励磁系统的认识和了解。
　　参考文献
　　[1]南瑞电气控制公司，SAVR-2000励磁调节器技术说明书
　　[2]沈全荣，何雪峰等，大型发变组微机保护双重化配置探讨，电力系统自动化，2002
　　[3]黄海燕，赵立东等，自并励励磁系统中励磁变压器保护方式的选择，黑龙江电力，2000