大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念

1、大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念摘要：結(jié)合三峽水電廠700MW水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果，從大系統(tǒng)角度出發(fā)論述了兼顧電力系統(tǒng)穩(wěn)定需求和保證勵(lì)磁系統(tǒng)安全性合理選擇勵(lì)磁參數(shù)的必要性。對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)組滅磁系統(tǒng)，從新理念出發(fā)提出了滅磁安匝平衡理念，可為今后滅磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有益的依據(jù)與借鑒。：三峽機(jī)組；靜止自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)；勵(lì)磁變壓器；滅磁大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念主要內(nèi)容0. 概述 1. 水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)的選擇 2. 滅磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的演繹與發(fā)展 3. 結(jié)語(yǔ) 大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念0. 概 述 近年來(lái)，我國(guó)水電建設(shè)事業(yè)得到了飛躍的發(fā)展，以三峽水電廠建成與投運(yùn)

2、為表征的左岸14臺(tái)，右岸12臺(tái)單機(jī)容量為700MW水輪發(fā)電機(jī)組已相繼投運(yùn)?！笆晃濉逼陂g，我國(guó)將又有一批大容量水輪發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行，為此，及時(shí)總結(jié)已投運(yùn)的大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)際勵(lì)磁控制技術(shù)的最新進(jìn)展，進(jìn)一步探討勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇方面一些關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，已成為一項(xiàng)重要和迫切的課題。 從新的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，開(kāi)拓新思維，擴(kuò)大新視野，重點(diǎn)對(duì)大型水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念進(jìn)行分析與探討，并期望文中的結(jié)論和建議，在優(yōu)化大型水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)性能及提高運(yùn)行可靠性方面有所裨益。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念1. 水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)的選擇11 頂值電壓倍數(shù)的選擇 在確定強(qiáng)勵(lì)頂

3、值電壓倍數(shù)時(shí)，多以正序電壓標(biāo)么值作為評(píng)價(jià)勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)的基礎(chǔ)，因?yàn)閯?lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是以機(jī)端電壓平均值作為控制量的。 受前蘇聯(lián)技術(shù)觀點(diǎn)的影響，對(duì)頂值電壓倍數(shù)的選擇多趨向于高參數(shù)，運(yùn)行結(jié)果表明：高頂值勵(lì)磁電壓往往對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響并未呈現(xiàn)明顯實(shí)際效果，卻為正常運(yùn)行帶來(lái)了事故不斷的后果。例如白山水電廠300MW水輪發(fā)電機(jī)組原采用的自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，其勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓高達(dá)1320V，由于二次電壓過(guò)高，多次造成脈沖變壓器及滅磁開(kāi)關(guān)燒毀事故，最終不得不將其勵(lì)磁變壓器二次電壓降低到1000V以下，以保證勵(lì)磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行。類(lèi)似的事故亦多次發(fā)生在葛洲壩大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念水電廠，造成滅磁開(kāi)關(guān)大量

4、燒毀，最終以降低勵(lì)磁變壓器二次電壓的措施保證勵(lì)磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 另外，三峽水電廠左岸機(jī)組亦發(fā)生了類(lèi)似情況，由于在標(biāo)書(shū)中選用了過(guò)高的勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)，機(jī)端正序電壓為0.8 p.u.時(shí)，保證倍強(qiáng)勵(lì)頂值電壓，正序電壓為1.0 p.u.時(shí)頂值勵(lì)磁電壓為倍，其勵(lì)磁變壓器二次額定電壓高達(dá)1243V，投運(yùn)后了發(fā)現(xiàn)整流電壓波形中尖峰電壓過(guò)高，在倍以上，危及正常安全運(yùn)行。為此，三峽水電廠不得不采用在功率整流柜交流輸入端加設(shè)RC濾波器，以降低尖峰過(guò)電壓的幅值。如果在設(shè)計(jì)中考慮到勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)選擇對(duì)全局的影響，取一適宜值，上述情況將會(huì)有根本性的改善。 事實(shí)上，勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)的選擇，不僅取決于電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求

5、，而且還受到其他諸多因素的制約，例如：頂值大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念電壓的選擇影響到功率整流柜、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、滅磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為此，應(yīng)全面兼顧到各方面，以便對(duì)頂值電壓倍數(shù)做出正確和合理的選擇。12 受頂值電壓倍數(shù)影響的因素121 整流橋尖峰過(guò)電壓 整流陽(yáng)極電壓，即勵(lì)磁變壓器的二次額定電壓取值越高，在額定狀態(tài)下整流器將處于控制角值較大的深控狀態(tài)，由此引起危及整流元件安全運(yùn)行的尖峰過(guò)電壓也越高。從運(yùn)行安全角度出發(fā)，期望對(duì)陽(yáng)極電壓的選擇在滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定要求的同時(shí)，應(yīng)兼顧到勵(lì)磁系統(tǒng)安全運(yùn)行的各種因數(shù)。當(dāng)前對(duì)我國(guó)引進(jìn)機(jī)組的勵(lì)磁設(shè)備運(yùn)行參數(shù)而言，當(dāng)整流橋陽(yáng)極電壓超過(guò)1000V時(shí)，可認(rèn)為已進(jìn)入高

6、參數(shù)范圍。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 對(duì)于大功率晶閘管整流元件反電壓參數(shù)應(yīng)用水平而言，用于三峽機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中的晶閘管元件最高反向重復(fù)峰值電壓為5200V，可認(rèn)為是高參數(shù)元件。 另按我國(guó)水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)標(biāo)書(shū)編制準(zhǔn)則，晶閘管元件所能承受的反向重復(fù)峰值電壓應(yīng)不小于倍勵(lì)磁變壓器二次側(cè)最大峰值電壓，依此可求出采用上述反向峰值電壓為5200V元件的條件下，允許的勵(lì)磁變壓器二次電壓有效值為U=5200/(2.751.414)=1337V，對(duì)三峽水電廠右岸阿爾斯通機(jī)組而言，其勵(lì)磁變壓器額定電壓已應(yīng)用到1264V，接近于極限值，從安全角度而言，顯然是不期望的。1.2.2 RC阻容緩沖器的選擇大型水輪發(fā)電

7、機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 在自勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁變壓器二次額定電壓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)極電壓）的選擇取決于強(qiáng)勵(lì)頂值電壓的倍數(shù)，頂值電壓倍數(shù)越高，陽(yáng)極電壓值也越高。另外，接在勵(lì)磁變壓器二次繞組側(cè)的功率整流橋中的晶閘管元件，在換相中存儲(chǔ)的能量將由與整流元件并聯(lián)的RC阻容緩沖器旁路并消耗，存儲(chǔ)與消耗能量之間應(yīng)達(dá)到平衡并有一定的吸收容量?jī)?chǔ)備，否則將導(dǎo)致吸收換相能量的阻容元件的燒毀，進(jìn)而引起整流橋相間短路等嚴(yán)重事故。這類(lèi)事故在國(guó)內(nèi)水、火電廠中曾多次發(fā)生。例如：揚(yáng)州第二發(fā)電廠美國(guó)西屋公司600MW汽輪發(fā)電機(jī)組以及珠海發(fā)電廠美國(guó)西屋公司740MW汽輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)均發(fā)生過(guò)由上述原因?qū)е抡鞴駠?yán)重?zé)龤У氖鹿省?由阻容阻

8、尼器吸收的能量Wu，根據(jù)美國(guó)西屋公司推薦的計(jì)算表達(dá)式為：大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 式中: C為阻尼器中電容值，F(xiàn)； f為電源頻率，Hz；U為勵(lì)磁變壓器二次額定線電壓，V。 由式（1）可看出，阻容阻尼器吸收的換相磁場(chǎng)能量與外加電壓的平方成正比，如分別取勵(lì)磁變壓器二次電壓值為1000V及1243V（三峽右岸阿爾斯通機(jī)組勵(lì)磁數(shù)據(jù)），此時(shí)由阻尼器吸收的能量比將為 倍。 由此可見(jiàn)，勵(lì)磁變壓器二次側(cè)的陽(yáng)極電壓越高，與整流元件并聯(lián)的吸收換相能量阻尼器的容量也越大，而且其容量與勵(lì)磁變壓器二次額定電壓的平方成正比，一旦換相阻尼器的允許容量小于阻尼器吸收的能量Wu，將引起阻容緩沖器元件大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)

9、磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念的燒毀，進(jìn)而導(dǎo)致整流柜相間短路的嚴(yán)重事故。在諸多大型水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的標(biāo)書(shū)中，多的是片面強(qiáng)調(diào)強(qiáng)勵(lì)頂值電壓倍數(shù)的高參數(shù)選擇，而極少考慮到由此引起的危及勵(lì)磁系統(tǒng)安全且運(yùn)行的其他方面的影響。 1.2.3 對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS參數(shù)的影響 選用過(guò)高的強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)，還將引起由勵(lì)磁系統(tǒng)提供的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增長(zhǎng)，從而給電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的頻率參數(shù)整定帶來(lái)更多的困難。對(duì)此，在當(dāng)前還未被國(guó)內(nèi)勵(lì)磁界同仁所重視并認(rèn)識(shí)到其負(fù)面的影響。1.2.4 發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵(lì)轉(zhuǎn)子電流的影響大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)組，目前基本上選用靜止自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)作為典型勵(lì)磁方式。對(duì)于以發(fā)電機(jī)端電壓為電源

10、的自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，在空載誤強(qiáng)勵(lì)條件下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流因受機(jī)端電壓大于額定值的影響，在極限狀態(tài)下會(huì)達(dá)到3倍及以上的額定勵(lì)磁電流,選用過(guò)高的頂值勵(lì)磁電壓倍數(shù)，會(huì)引起更高的危及到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的安全運(yùn)行的勵(lì)磁電流值。 應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出的是：對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)組而言，為防止其機(jī)端過(guò)電壓危及到發(fā)電機(jī)定子繞組的安全，按相關(guān)規(guī)程規(guī)定均設(shè)有過(guò)電壓保護(hù)，其整定值為倍額定電壓值，延時(shí)為。這一整定值是沿襲了過(guò)去水輪發(fā)電機(jī)均采用直流勵(lì)磁機(jī)條件下的設(shè)定值一直至今。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 但是，對(duì)均采用自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的大型水輪發(fā)電機(jī)組，仍采用這一設(shè)定值，在發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵(lì)條件下有可能對(duì)發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行帶來(lái)不可估量的嚴(yán)

11、重的后果。 發(fā)電機(jī)靜止自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)性能特征顯著不同于直流大勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一點(diǎn)是，在過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作后及延時(shí)過(guò)程中，由于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是隨機(jī)端電壓的變化而繼續(xù)上升的，諸多的勵(lì)磁系統(tǒng)仿真試驗(yàn)表明：當(dāng)過(guò)電壓保護(hù)達(dá)倍設(shè)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流約為額定勵(lì)磁電流值。在其后的延時(shí)過(guò)程中，由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組磁路處于飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流增長(zhǎng)速度極快，有可能使發(fā)電機(jī)電壓增加到（）倍額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流也會(huì)增加到使發(fā)電機(jī)磁路近于飽和的程度，在高頂值直流勵(lì)磁電壓以及高倍數(shù)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的作用下，將導(dǎo)致磁場(chǎng)斷路器斷流困難或發(fā)生不能斷流大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念的事故，其后果將使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流達(dá)到危及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞

12、組安全的水平。在采用直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，在過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作后及延時(shí)過(guò)程中，由于發(fā)電機(jī)電壓是不變的，始終保持倍額定值，不會(huì)在自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)和空載誤強(qiáng)勵(lì)條件下發(fā)生引起轉(zhuǎn)子電流嚴(yán)重過(guò)載的情況。 鑒于當(dāng)前包括三峽水電廠700MW機(jī)組在內(nèi)的大型水輪發(fā)電機(jī)組過(guò)電壓保護(hù)均沿用倍額定電壓及延時(shí)值，在發(fā)生空載誤強(qiáng)勵(lì)條件下存在導(dǎo)致磁場(chǎng)斷路器斷流不成功，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路嚴(yán)重過(guò)流的危險(xiǎn)。審時(shí)度勢(shì)，取消延時(shí)是十分必要的，這將為大型水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行提供更可靠的保證。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念2.滅磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的演繹與發(fā)展 對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組,一般認(rèn)為:由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極具有凸極結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子繞阻回路阻尼效應(yīng)較弱,

13、在滅磁時(shí)大部分的磁場(chǎng)能量由滅磁回路吸收,對(duì)滅磁電阻的容量提出了更加苛刻的要求。按傳統(tǒng)滅磁理念確定滅磁電阻容量可的方式有： （1）發(fā)電機(jī)空載滅磁； （2）發(fā)電機(jī)額定滅磁； （3）發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)滅磁； （4）發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載失控誤強(qiáng)勵(lì)滅磁； （5）發(fā)電機(jī)突然三相短路滅磁。 發(fā)電機(jī)及變壓器內(nèi)部故障時(shí)引起的滅磁能量小于上述5種滅磁方式之一的相應(yīng)值。前3種滅磁方式中,以強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)時(shí)的滅磁能量為最大,通常強(qiáng)勵(lì)電流為2倍的額定勵(lì)磁電流,在勵(lì)磁繞組中存儲(chǔ)的能量遠(yuǎn)大于額定及空載狀態(tài)的磁場(chǎng)能量。 大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 但是理論分析及運(yùn)行實(shí)踐表明:強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)時(shí)的滅磁容量和空載誤強(qiáng)勵(lì)以及發(fā)電機(jī)突然三相短路時(shí)引起

14、的滅磁容量比較仍是較小的。為此,滅磁容量的選擇取決于后2種方式滅磁容量的最大者，顯然依此選擇滅磁電阻容量將可完全滿足上述5種滅磁方式對(duì)滅磁容量的需求。 下面分別對(duì)后2種滅磁電阻容量的選擇作進(jìn)一步的分析。2.1 電機(jī)空載失控誤強(qiáng)勵(lì)滅磁狀態(tài)的分析 首先討論發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵(lì)的滅磁狀態(tài)，在此滅磁方式下，應(yīng)注意到滅磁過(guò)程具有以下幾點(diǎn)明顯的特征： 大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 由于勵(lì)磁系統(tǒng)失控，導(dǎo)致晶閘管整流器的控制角接近于最小設(shè)定值,勵(lì)磁系統(tǒng)所有的限制功能均處于失效狀態(tài)，對(duì)于發(fā)電機(jī)空載失控誤強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)而言，勵(lì)磁電流的增長(zhǎng)是隨定子電壓的升高而增加的，同時(shí)隨勵(lì)磁電流的增加，轉(zhuǎn)子磁路飽和程度的加大，促使轉(zhuǎn)

15、子電流的增加速度進(jìn)一步加快，直至發(fā)電機(jī)定子過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行滅磁。此外還注意到在此過(guò)程中隨發(fā)電機(jī)電壓變化的勵(lì)磁電壓的增量變化是瞬時(shí)完成的，而轉(zhuǎn)子電流的增量變化則決定于對(duì)應(yīng)的由轉(zhuǎn)子磁路的飽和程度所決定的發(fā)電機(jī)空載時(shí)間常數(shù)。總的來(lái)說(shuō)這是一個(gè)勵(lì)磁電壓源變化引起轉(zhuǎn)子電流變化的過(guò)程，兩者之間受動(dòng)態(tài)飽和的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)的影響。但是應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是：在勵(lì)磁電流增長(zhǎng)過(guò)程中任一瞬間的發(fā)電機(jī)的電壓值總是與發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)空載特性曲線確定的轉(zhuǎn)子電流對(duì)應(yīng)的。例如當(dāng)定子大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念電壓為倍額定值時(shí)，此時(shí)的轉(zhuǎn)子電流大約與發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流相當(dāng)，其后經(jīng)過(guò)過(guò)電壓保護(hù)延時(shí)動(dòng)作后，跳磁場(chǎng)斷路器進(jìn)行滅磁。

16、為此，對(duì)空載失控誤強(qiáng)勵(lì)工作狀態(tài)的滅磁，以過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作后對(duì)增長(zhǎng)中的轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行截流的滅磁理念是適宜的。 考慮到過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作電壓倍額定電壓無(wú)延時(shí)動(dòng)作跳磁場(chǎng)斷路器時(shí)，相應(yīng)開(kāi)斷轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流與額定勵(lì)磁電流相當(dāng)，如果經(jīng)延時(shí)，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)電壓可能增加到（）倍，同時(shí)由于發(fā)電機(jī)空載特性曲線工作點(diǎn)已處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流已近于3倍額定勵(lì)磁值以上，在這種調(diào)節(jié)下，加重了磁場(chǎng)斷路器的開(kāi)斷負(fù)載，甚至導(dǎo)致斷路器開(kāi)斷的失敗，為此，為保證磁場(chǎng)斷路器的開(kāi)斷成功，在大型水輪發(fā)電機(jī)自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中，取消倍過(guò)電壓保護(hù)的延時(shí)是十分必要的。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 至于勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)，發(fā)電機(jī)仍在電網(wǎng)中并聯(lián)運(yùn)行，其端電

17、壓仍為額定值，但是由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器處于誤強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，整流橋控制角為最小值，轉(zhuǎn)子電流將急劇增加。對(duì)三峽機(jī)組而言，最終轉(zhuǎn)子電流值將達(dá)到2.5 /0.8=3.125 , 將危及到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組回路的安全。對(duì)此應(yīng)以發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁變壓器的過(guò)流保護(hù)作為對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行“截流”的主要措施。過(guò)流保護(hù)動(dòng)作值以及延時(shí)設(shè)定值應(yīng)以保證發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子繞組回路的安全運(yùn)行為首要約束條件，并以此確定滅磁電阻容量。顯然，以穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子電流而不以“截流”時(shí)的轉(zhuǎn)子電流作為選擇滅磁電阻容量的依據(jù)，這一理念是不正確的。22 發(fā)電機(jī)突然三相短路滅磁大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 理論分析表明：發(fā)電機(jī)空載額定時(shí)定子側(cè)突然三相短路時(shí)，計(jì)及周期分量

18、轉(zhuǎn)子電流最大值 可以由下式求得： 式中：K為系數(shù)，為； 為發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)直軸同步電抗，p.u.； 為發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電流，A。 在發(fā)電機(jī)定子突然三相短路過(guò)程中，轉(zhuǎn)子電流最大值不超過(guò)3 。轉(zhuǎn)子回路勵(lì)磁電流的變化曲線見(jiàn)圖1。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念圖1 發(fā)電機(jī)定子三相突然短路時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的變化通常此曲線可作為確定發(fā)電機(jī)滅磁電阻容量的依據(jù)。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 當(dāng)發(fā)電機(jī)定子側(cè)發(fā)生三相突然短路后，經(jīng)過(guò)一定的故障持續(xù)時(shí)間，通常不超過(guò)，磁場(chǎng)斷路器動(dòng)作并接入滅磁電阻后，此時(shí)轉(zhuǎn)子非周期分量的直流電流將按相應(yīng)定子繞組三相短路時(shí)間常數(shù)而衰減，如圖1所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組突然發(fā)生三相短路故

19、障時(shí)，按傳統(tǒng)滅磁理論，將依下列思路確定滅磁電阻容量： 在三相短路暫態(tài)過(guò)程中，定子短路電流在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電流分別由非周期、次暫態(tài)分量以及周期分量三部分電流所組成。由于定子短路電流產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)子回路耦合的磁鏈對(duì)轉(zhuǎn)子回路為去磁作用，從三相短路開(kāi)始瞬間至滅磁左右開(kāi)始前期間，轉(zhuǎn)子磁路處于不飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電感為常數(shù)，并依此作為計(jì)算存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中的磁場(chǎng)能量的依據(jù)，而不飽和轉(zhuǎn)子電感值則由與發(fā)電機(jī)定子三相短路大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念相應(yīng)的直軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù) 予以確定，傳統(tǒng)的滅磁計(jì)算理論均基于此基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的滅磁計(jì)算理論均基于此基礎(chǔ)。依此理念，對(duì)三峽VGS型機(jī)組而言， ，相應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組不飽和電感: 相

20、應(yīng)磁場(chǎng)能量 按此式計(jì)算的磁場(chǎng)能量高達(dá)30MJ以上。 但是，無(wú)論從勵(lì)磁系統(tǒng)仿真計(jì)算機(jī)結(jié)果，還是從發(fā)電機(jī)三相突然短路實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在發(fā)電機(jī)突然三相短路過(guò)程中，轉(zhuǎn)子電流的衰減過(guò)程是及其迅速的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快速于按發(fā)電機(jī)定子三相短路直軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù) 決定的衰減過(guò)程。 圖2中示出了三峽機(jī)組發(fā)電機(jī)三相突然短路時(shí)的發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子電流的仿真計(jì)算結(jié)果，可看出轉(zhuǎn)子電流整個(gè)衰減過(guò)程在左右，基本上與定子繞組三相短路時(shí)間常數(shù) 相對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念應(yīng)，而不是由三相短路直軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù) 所決定，對(duì)三峽VGS型機(jī)組而言， 而 ，為此在估算磁場(chǎng)滅磁電阻容量時(shí)，可用與實(shí)際結(jié)果相近的時(shí)間常數(shù) 來(lái)估算相應(yīng)磁場(chǎng)能量是適

21、宜的，其結(jié)果具有工程應(yīng)用上的實(shí)用性。 圖2 三相發(fā)電機(jī)組定子三相突然短路仿真試驗(yàn)結(jié)果大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 另外，三峽機(jī)組真機(jī)在進(jìn)行55額定電壓三相突然短路時(shí)所錄取的轉(zhuǎn)子電流衰減全過(guò)程實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，轉(zhuǎn)子電流衰減全過(guò)程在1s左右（圖3），同樣也近似是按 衰減的，更進(jìn)一步證明了上述工程估算滅磁理念的正確性。圖3 三峽機(jī)組55額定電壓突然三相短路定子電流及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的變化曲線大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 此外，發(fā)電機(jī)三相突然短路時(shí)，轉(zhuǎn)子電流非周期分量最大值按標(biāo)準(zhǔn)建議值為3 。但是在確定滅磁電阻容量時(shí)，不應(yīng)以此電流作為選擇磁場(chǎng)存儲(chǔ)能量的依據(jù)，因?yàn)樵谇谐獠抗收纤矔r(shí)，通常短路持續(xù)時(shí)間

22、在以內(nèi)，此時(shí)衰減的轉(zhuǎn)子電流非周期分量，已接近于60%70%初始值，使滅磁電阻所承受的滅磁容量更進(jìn)一步大大降低。 再次，還應(yīng)注意到當(dāng)接入滅磁電阻后，轉(zhuǎn)子電流將按比原時(shí)間常數(shù)更小的等效響應(yīng)時(shí)間常數(shù)而衰減，這將使滅磁過(guò)程進(jìn)一步加速結(jié)束。 另外，在選擇滅磁電阻的容量時(shí)還應(yīng)該考慮到滅磁電阻短路時(shí)的過(guò)載能力，這樣依據(jù)本文提出的滅磁理念，可使滅磁電阻標(biāo)稱(chēng)容量的選擇更加合理。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是：在發(fā)電機(jī)定子突然三相短路時(shí)，此時(shí)相當(dāng)于電制動(dòng)過(guò)程，將有大量的磁場(chǎng)能量消耗在定子繞組中，在估算發(fā)電機(jī)突然三相短路滅磁能量時(shí)，應(yīng)予以考慮，其影響必將有助于降低滅磁電阻的容量。按發(fā)電機(jī)磁鏈?zhǔn)睾阍?/p>

23、理確定滅磁容量的新概念 雖然對(duì)傳統(tǒng)滅磁理念進(jìn)行了修正，但這種修正仍是不完善的，因?yàn)閷?shí)際上在滅磁過(guò)程中，特別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的變化并非按滅磁前工作方式所確定的初始值而變化的，而是依據(jù)發(fā)電機(jī)磁鏈?zhǔn)睾阍碜鲭A躍式的變化。作為實(shí)例，可從圖4所示的水輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)載勵(lì)磁系統(tǒng)的示波圖得到正確的結(jié)論，測(cè)試機(jī)組為三峽700MW水輪發(fā)電機(jī)組，甩負(fù)載前有功負(fù)載大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念350MW，無(wú)功141Wvar；甩負(fù)載后發(fā)電機(jī)頻率瞬時(shí)上升f34 ,機(jī)端電壓上升瞬時(shí)5 。因此，應(yīng)特別關(guān)注發(fā)電機(jī)甩負(fù)載后，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流值由額定勵(lì)磁電流值瞬時(shí)跌落到近似于空載額定勵(lì)磁電流值，其后逐漸上升到空載額定勵(lì)磁電流值。圖4

24、清晰地說(shuō)明了在滅磁過(guò)程中轉(zhuǎn)子電流并不是按初始值和相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行衰減的，而是以近似按空載勵(lì)磁電流進(jìn)行衰減的，這一物理現(xiàn)象可以理解為由于發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路遵循磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t，當(dāng)發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)載后，由于定子安匝急劇下降到零值，為遵循磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t，保持發(fā)電機(jī)磁路中氣隙合成電勢(shì)不變，轉(zhuǎn)子電流必須下降到與合成氣隙電勢(shì)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值，此電流近于空載勵(lì)磁電流值。在甩負(fù)載過(guò)程中，甩負(fù)載前儲(chǔ)存在發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路的能量，部分的通過(guò)氣隙分配到各耦合電磁回路以及消耗在接在發(fā)電機(jī)升大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念壓變壓器高壓斷路器斷口中，其后的滅磁過(guò)程將等同于發(fā)電機(jī)空載滅磁。 基于上述發(fā)電機(jī)磁鏈?zhǔn)睾慊靖拍?，?duì)于發(fā)電機(jī)其他負(fù)

25、載運(yùn)行方式的滅磁，例如發(fā)電機(jī)額定滅磁以及強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)下各種滅磁的滅磁方式，一旦發(fā)電機(jī)高壓側(cè)出口斷路器跳閘，其滅磁容量均可以按空載滅磁考慮。 作者這一滅磁理念，與美國(guó)GE公司考慮滅磁能量的觀點(diǎn)，即帶負(fù)載的發(fā)電機(jī)，一旦主斷路器跳閘，不論其原始勵(lì)磁電流如何，均可按發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)作為選擇滅磁能量的依據(jù)是一致的。 至于發(fā)電機(jī)突然三相或兩相短路以及單相對(duì)地短路等故障方式的滅磁，概括起來(lái)基本有2種：第一種是故障發(fā)生后在大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念圖4 水輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)載時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)各參量的變化大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念相應(yīng)繼電器保護(hù)作用范圍內(nèi)通過(guò)總出口繼電保護(hù)跳閘發(fā)電機(jī)出口斷路器及滅磁磁場(chǎng)斷路器進(jìn)行滅

26、磁，其后滅磁過(guò)程類(lèi)似于空載滅磁，仍可按發(fā)電機(jī)空載滅磁考慮滅磁電阻的容量；第二種是當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生直接短路時(shí)，由于發(fā)電機(jī)主斷路器分?jǐn)嗪鬅o(wú)法切除短路點(diǎn)，定子仍處于短路狀態(tài)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的變化將分別按次暫態(tài)、暫態(tài)而衰減，在滅磁磁場(chǎng)斷路器動(dòng)作后，流過(guò)滅磁電阻的電流視故障方式而定，一般來(lái)說(shuō)，此時(shí)的滅磁容量遠(yuǎn)大于空載滅磁容量，其后繼電保護(hù)動(dòng)作，跳磁場(chǎng)斷路器進(jìn)行滅磁。但是應(yīng)該說(shuō)明的是在發(fā)電機(jī)采用分相封閉母線情況下發(fā)電機(jī)發(fā)生三相直接短路的機(jī)率是極低的。如果認(rèn)為有必要，可考慮選擇一種合理的短路方式，例如兩相短路或單相接地等故障作為選擇滅磁電阻容量的依據(jù)是可行的。大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念24 滅磁時(shí)間

27、 對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁時(shí)間的定義不盡相同，通常應(yīng)用較多的有以下幾種：（1）按發(fā)電機(jī)端電壓下降到接近殘壓或小于500V作為滅磁時(shí)間，因?yàn)楫?dāng)定子電壓小于500V時(shí)鐵芯接地故障點(diǎn)的電弧會(huì)自動(dòng)熄滅。（2）按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流為零的時(shí)間，定義為滅磁時(shí)間。（3）按合同規(guī)定，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流下降到10初始值定義為滅磁時(shí)間，例如對(duì)于三峽水電廠機(jī)組的滅磁系統(tǒng)以及委內(nèi)瑞拉古里（）水電廠機(jī)組的滅磁系統(tǒng)外商即采用這一定義標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于滅磁時(shí)間的定義應(yīng)該明確是：以發(fā)電機(jī)電壓為零定義滅磁時(shí)間最為直接反映滅磁的效果，而以轉(zhuǎn)子電流為零定義滅磁時(shí)間不完全反映滅磁效果，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流為零時(shí)，由于受發(fā)電機(jī)大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念阻尼繞組