静止自并励励磁系统的设计方案的探讨 - 谢丹

第24卷　第12期

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2003年12月

电　力　建　设ElectricPowerConstruction

Vol.24　No.12

Dec,2003　

·电力设备·

静止自并励励磁系统的设计方案的探讨

谢　丹

(辽宁电力勘测设计院,沈阳市,110005)

[摘　要]　静止自并励励磁系统由励磁变压器、励磁调节器、可控硅整流装置、灭磁开关及转子过电压保护等组成。它没有旋转设备,接线简单,运行可靠,维护方便,有利于系统稳定。由于该系统还没有统一的国家标准,因此,有必要推出一套能体现该系统优越性的设计方案,供工程设计参考。[关键词]　自并励　励磁系统　优化设计

中图分类号:TM621.3　文献标识码:B　文章编号:1000-7229(2003)12-0032-03

InquisitionintoDesignSchemeofExcitingSystemwithStaticSelfParallelExcitation

XieDan

(LiaoningElectricPowerSurveyDesignInstitute,ShenyangCity,110005)

[Abstract]　Theexcitingsystemwithstaticselfparallelexcitationconsistsofexcitingtransformer,excitingregulator,siliconcon-trolledrectifier;magneticextinguishingswitchandrotorovervoltageprotection,etc..Ithasnorotarydevicewithsimplewiring,reliableoperationandconvenientmaintenance,whichisfavorableforstabilityofthesystem.Sincethereisnounifiednationalstan-dardforthesystem,itisnecessarytoputforwardasetofdesignschemetorepresentitsadvantagesforthereferencetoengineeringdesigners.

[Keywords]　self-parallelexcitation;excitingsystem;optimizeddesign

　　自并励励磁系统没有旋转设备,其接线简单、运行可靠、维护方便、有利于系统稳定。因此,该系统

在很多新建或技改项目中都得到了广泛的应用。但由于该系统还没有统一的国家标准,各设备制造厂所生产的励磁系统的设备性能、系统组成不尽相同,因此,推出一套能体现该系统优越性的设计方案已成为设计部门的重要任务。

通道作为工作通道,备用通道自动跟踪工作通道,在工作通道发生电源故障、硬件故障及软件故障情况下自动切换到备用通道。

励磁调节器的附加控制调节程序有5种:PID控制、PSS(电力系统稳定器)、LOEC(线性最优励磁控制器)、NOEC(非线性最优励磁控制器)和NHEC(非线性鲁棒控制器)。

PID控制为单参量控制,容易实现,鲁棒性好,

1　自并励励磁系统的组成

自并励励磁系统由励磁变压器、励磁调节器、可控硅整流装置、灭磁开关及转子过电压保护等组成,其系统原理接线见图1。

1.1　励磁调节器

励磁调节器的性能是改善发电机运行稳定性最有效和最经济的措施之一。目前,国内的励磁调节器已有了长足的进步,它们以全数字电路为基础,提高了同步移相的精确度,提高了触发通道的一致性,提高了系统抗干扰能力。一般微机励磁调节器采用完全独立的2套自动通道,可由人工指定其中1套

收稿日期:2003-06-27图1　系统原理接线图

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结构简单。但由于只用了频率偏差,而未考虑其他状态,因此低频振荡仍存在。

PSS为单参量辅助控制,容易实现。但参数整定困难,适用范围窄。其控制模型与PID控制相同。

LOEC是调节电压偏差为主的多参量最优控制,可抑制低频振荡,却无法抑制大扰动。

NOEC是多参量最优控制,考虑到电力系统的非线性,能显著提高系统的稳定性。但电力系统运行潮流和运行状态使NOEC方式受到限制。

NHEC的稳态控制目标是电压调节精度,动态控制目标是改善上升时间、超调量和振荡次数。提高系统的静稳和暂稳,以抑制多种频率振荡和干扰。据悉,NHEC目前尚未投入使用,但随着测量手段的完善,它的优越性会充分体现出来。

微机励磁调节器还可附加断线保护、过励延时限制、顶值限制、低励限制、欠励保护、V/F限制、强励反时限限制、空载过压保护等保护功能,可根据火力发电厂和水力发电厂区别及机组规模做相应的配置。

1.2　灭磁回路

对发电机的灭磁是由接在发电机励磁绕组回路中的自动灭磁开关完成的。对于汽轮发电机,鉴于转子本体具有很强的阻尼作用,由阻尼绕组全电感及电阻所决定的阻尼绕组时间常数Td远大于由阻尼绕组漏电感及电阻之比所决定的次暂态时间常数T″d。故尽管采用快速灭磁系统也只能加速纵轴励磁绕组回路中的转子励磁电流的衰减,而不能使蓄藏在发电机转子本体以及横轴阻尼绕组中能量迅速消失,不能得到快速灭磁的效果。因此,对静止自并励励磁系统,国外采用如下2种灭磁方式:一是断开可控硅整流器交流侧电源中性点进行灭磁,如美国G.E.公司所生产的Generrex-PSS励磁系统,在灭磁时将供电P线棒的中性点打开,使可控硅整流器失去交流电源实现灭磁。

二是根据用户需要,在发电机励磁绕组回路中设置灭磁开关及非线性灭磁电阻,如日本日立公司采用了此种灭磁系统。瑞典ASEA和瑞士ABB公司,则采用非线性灭磁电阻。

目前,国内普遍采用双断口直流空气开关配非线性灭磁电阻的灭磁方法。选择灭磁开关要考虑到灭磁开关应在发电机空载、额定负荷、短路及可控硅失控、强励时都能可靠地遮断发电机的励磁电流,以防将灭磁开关烧毁。应该说明的是,在正常情况下,操作程序是先由励磁调节器AVR发出指令,使可控硅整流器处于逆变状态,然后再动作于灭磁开关跳闸。

接在发电机磁场侧的非线性电阻除作为吸收磁场电量的灭磁电阻外,还起到吸收转子中各种反向过电压的保护作用。接在可控硅整流柜侧的非线性电阻用于保护可控硅的过电压。1.3　可控硅整流装置

可控硅整流装置的功能是将来自励磁变压器的交流功率转变为作为发电机励磁的直流功率电源。此外根据运行方式的要求,调节可控硅元件的控制角,相应地改变发电机的励磁电流值。影响可控硅元件额定电流的因素除了可控硅本身的质量外,还有元件的结温和壳温。因此需在整流柜上加装风扇等散热装置,以保证可控硅的额定输出。散热装置的配置有2种考虑:一是风扇的冗余配置;二是电源回路的冗余配置。

为了保护可控硅元件免受交直流侧过电压的危害,在励磁绕组两侧均设有灭磁及直流过电压保护装置。在整流柜中重点考虑交流过电压保护,直流过电压保护是次要的。交流过电压产生的主要原因是交流侧合拉闸过电压以及元件换相引起的过电压。因此,在励磁用整流变压器付侧设置有足够容量的ZnO阀片组成的非线性电阻来抑制过电压。此外,整流变压器高压侧拉闸时,付边的过电压能量则用RC储能元件来吸收。1.4　励磁变压器

励磁变压器由最初的油侵式或普通干式变成环氧浇注的干式变压器,尽管投资增加了,但减少了事故率,从而提高了励磁系统的可靠性。励磁变压器有2种选择方案:一是三相固体成型;二是单相固体成型。三相固体成型的干式变压器成本低、占地小,应优先采用。当励磁功率过大时,可考虑采用3台单相固体成型的干式变压器。

2　自并励励磁系统的布置

在条件允许的情况下,考虑将励磁系统在发电机小间作一体化布置,这样既便于整个系统的调试、运行,又节省电缆投资,还可避免因信号远距离传输而造成误差。励磁系统的运行状态除了由运行人员定期巡检外,还将远方控制和部分重要监测信号送至主控制室(或单元控制室)的发电机控制屏上(或纳入DCS系统)。但在一些老厂改造中,由于受到实际条件的制约,无法实现最佳布置。如在牡丹江第二发电厂200MW机组改造工程中,将3台单相变压器布置在主厂房0m的一块空地上,用封闭母线与机端相连。这样,既增加了投资,又使厂房内空·34·

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间紧张。在阜新发电厂的1号机组(200MW)改造工程中,则将励磁调节器布置在单元控制室内,励磁系统间用大量的屏蔽电缆连接,也相应地增加了投资。

口断路器(或主变高压侧断路器)、厂用分支断路器及灭磁开关。为了检修方便可在高压侧加装隔离开关。

3.3　启励设备的选择

通常已投运的发电机有足够的剩磁,能够满足启励条件,无须加启励电流,便能自动建压。设置启励设备是为了保证发电机在低剩磁情况下也能顺利建压。因此,启励设备的容量只要能使发电机建压5%～10%Ue就可以了。3.4　低励限制和失磁保护的配合问题

在发电机励磁系统及继电保护系统中分别设有低励限制和失磁保护,动作程序应低励限制先动作,失磁保护后动作,两者之间存在整定值配合问题。因为低励限制是在P-Q平面进行计算的,而阻抗型失磁保护是在R-Q平面进行分析的。为了正确协调两者之间的参数配合,必须将两者归算到同一平面上,由此可确定低励限制与失磁保护整定参数的配合是否适宜。3.5　关于发电机的强励

发电机的强励可由励磁调节器的软件进行控制,当机端电压降低到一定值时,励磁调节器发出指令将可控硅的触发角全部打开,对发电机进行强励,并维持一段时间。但是,当机端发生两相或三相短路时,强励功能将无法实现,也就是说机端电压无法维持。所以,将来在大量使用自并励励磁系统时,应

3　自并励励磁系统保护的设计

3.1　关于励磁系统的后备保护

在发电机发生故障时,由于主励磁绕组具有较大的时间常数,励磁电流随此时间常数而衰减,对于整定时间在0.5s以外的后备保护将无法可靠动作。因此考虑增加自保持环节,可采用带自保持的低压过电流保护作为后备保护,如图2。当发生短路故障时,电流继电器1～3LJ动作,中间继电器ZJ通过低电压继电器1～2YJ实现自保持,经时间继电器SJ延时后,动作于保护出口继电器BCJ。此处的DL(FDJ)为发电机的断路器辅助触点,或者换成时间继电器使该保护延时复归。

图2　保护接线图

考虑在每个电厂保留1～2台他励发电机,以避免由

于某台发电机故障而导致整个电厂瓦解,影响电网的安全。

(责任编辑:李汉才)

此外,可以用精确工作电流足够小的低阻抗保护作为后备保护。随着控制管理水平的不断提高,

微机保护得到广泛的应用,因此,可采用带电流记忆的低压过电流保护或带电流记忆的复合低压过电流保护。3.2　关于励磁变压器的保护

在是否将励磁变压器纳入发变组的差动保护范围的设计计算时,发现励磁变压器的额定电流比主变压器的不平衡电流小,它在低压侧发生三相短路时的短路电流值比发电机的短路电流值小得多,不在同一数量级上,不会造成发变组保护的误动。因此,励磁变压器的保护不纳入发变组差动保护范围内。赤峰热电厂的励磁变压器的保护采用速断过流保护,其CT加在励磁变压器高压侧。阜新发电厂的励磁变压器的保护则采用差动保护。

励磁变压器的高压侧不应加装断路器,因为增加一个环节就增加一个故障点,不利于励磁系统的稳定运行。当励磁变压器保护动作时,跳发电机出宜宾发电总厂节能效果显著

从11月4日下午召开的宜宾发电总厂节能工作座谈会上获悉,宜宾发电总厂大力开展节能工作,在减少非计划停运和各项小指标、厂用电率、燃烧调整、入厂煤计量和采样上狠下功夫,有效降低了成本,取得了显著的经经济效益。1～10月,该总厂完成发电量30.43亿kW·h,比去年同期多发6.7亿kW·h,厂用电率比去年同期下降0.13%,尤其是总厂所属豆坝电厂在机组调峰频繁启停的情况下,供电煤耗比去年同期下降1g/(kW·h),减少耗油135t,耗气79.5万m3,共计节约燃料费用约105万元。