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200MW汽轮发电机组灭磁方式探讨及交流励磁机灭磁方式的应用

北极星电力网技术频道    作者:3   2007/12/21 15:58:53   

 关键词:  200MW 发电机 电机

发电机的灭磁装置是其灭磁系统的一个重要部份,灭磁装置的可靠性对发电机的安全运行有着重要作用,随着发电机单位容量的不断增大和保护的完善,原在小容量发电机转子回路装设大容量直流开关的灭磁方案,可靠性差,运行维护工作量大,本文在分析现有200MW发电机灭磁方式存在的问题及其改进措施的基础上,提出交流励磁机励磁系统灭磁的改造方案,并列举河南新乡火电厂200MW发电机灭磁装置改造为在交流励磁机励磁系统加装LMK开关灭磁后的测试及运行情况。
关键词 灭磁方式灭磁开关故障

一、概述
  同步发电机的励磁系统是指供给同步发电机的励磁电流的电源及其附属设备,其主要作用是当发电机正常运行时,供给发电机维持一定电压及一定无功输出所需的励磁电流;当电力系统短路、负荷突然增、减时,对发电机进行强行励磁、减磁,以提高电力系统运行的稳定性和可靠性;当发电机内部出现短路时,对发电机进行灭磁,以避免事故扩大。
  200MW汽轮发电机组上同步发电机的灭磁主要有直流励磁机励磁系统灭磁方式和交流励磁机灭磁方式两种。
二、200MW汽轮发电机组直流励磁机励磁系统的灭磁方式及其存在问题分析
  当前200MW汽轮发电机组励磁系统可分为同轴直流励磁系统和半导体励磁系统,在主要采用直流励磁机作为200MW汽轮发电机励磁电源的年代,规定应在发电机转子回路内装设灭磁开关,其主要原因如下:
⑴直流励磁机残压较高,在额定转速下,即使直流励磁机励磁电流减少至零,如果发电机转子回路不断开,发电机机端电压可达额定值的20左右。这样,如果在灭磁时不同时断开转子回路,就会存在以下两个问题:
发电机电压不能降低到故障点电弧的熄灭电压以下。
发电机内部故障时,电弧的自然熄灭电压为500V(峰值),按发电机额定电压10500V,残压为10计算,则直流励磁机完全灭磁后的发电机停机,这将大大扩大发电机的损坏程度。
发电机保护跳闸后,需要在发电机电压为零时对各部分进行检查,如属保护误动,可以立即并网,重新向电网送电。如果发电机残压很高,则在断开发电机时需要立即停机,这也将使事故扩大,延长故障处理时间。
⑵直流励磁机故障较多,为了在直流励磁机故障时发电机能继续运行发电,采用直流励磁机的发电机均设有备用励磁机。在主直流励磁机事故切换到备用励磁机时,有时需要将转子回路断开,进行切换,或者短时无励磁运行,以便处理下游励磁机的缺陷,使其能恢复正常运行。因此,灭磁开关又称磁场开关。
⑶提高灭磁速度
  早期的汽轮发电机转子阻尼比较弱,运行力率也较低,在发电机转子回路内装设灭磁开关可以提高灭磁速度,效果较好。同时,早期汽轮发电机一点接地保护不完善,并允许发电机静子一点接地后继续运行。因此,发电机山静子一点接地发展为静子两点接地故障的机会就大大增加,由于静子绕组两点接地故障引起铁心烧坏的事故相对多一些,因此认为采用快速灭磁可以限制静子两相对铁芯短路时铁芯的烧坏程度。
⑷发电机转子额定电流较小
  采用直流励磁机励磁的汽轮发电机容量较小,其额定励磁电流一般为几百安培,当时直流开关制造上没有困难,运行也很可靠。
三、200MW汽轮发电机组交流励磁机励磁系统灭磁方式及其存在问题分析
  60年代后期由于硅整流装置的发展,国内外大型汽轮发电机绝大部分已采用交流励磁机整流励磁系统或可控硅励磁系统。我国生产的的200MW汽轮发电机目前已几乎全部采用该励磁系统。额定转子电流都已增大到1765A,通过在转子回路内加装直流灭磁开关来灭磁,不仅价格较贵,而且由于国产大电流直流开关可靠性较差,运行维护、调试比较困难,要求也比较高,运行中经常出现开关的拒动和误动及开关触头发热等问题。灭磁开关误动作,为了提高发电机灭磁系统的可靠性,许多单位提出了改进措施,归纳起来有如下几类:
1.采用DM2开关与非线性电阻配合。
2.人工过零非线性电阻灭磁.
3.与DM2开关并联熔断的非线性电阻灭磁方式。
4.与DM2灭磁开关并联电阻的灭磁方案。
以上四种均是在保留原灭磁开关的基础上提出的,它们在解决灭磁开关容量不足方面可以起到很好的作用,但还不能解决开关的拒动和误动问题。灭磁开关误动作,直接造成发电机的失磁事故;在需要灭磁时,尤其是事故情况下需要灭磁时,灭磁开关拒动又会造成事故的扩大,这都是不允许发生的。
  由于上述改进措施均未能解决灭磁开关机械缺陷所造成的开关拒动和开关误动问题,近年来,有关厂家研制了新的开关来代替灭磁开关。上海立新开关厂研制了1600/08快速磁场断路器,与非线性电阻配合,实现灭磁。90年又生产了两常开一常闭的快速磁场断路器,与线性电阻配合,实现灭磁。沈阳低压开关厂研制了DM□—3150和DY□—3150两个系列的灭磁开关。DM系列灭磁开关为带灭弧栅的大容量灭磁开关,DY系列为不带灭弧栅,而是与非线性电阻配合,靠非线性电阻吸收能量的灭磁开关。以上生产的大容量直流开关,不但价格贵,运行维护、调试比较困难,要求也比较高。同时,是否能可靠运行也有待于积累运行经验。
  200MW机组运行单位对于正在运行的灭磁开关,为了提高其可靠性,在运行方式方面也作了改进如下:
①为了减少灭磁开关操作次数,防止断开灭磁开关时不能灭弧的事故发生,在正常停机等灭磁开关操作时,不跳灭磁开关改为将交流励磁机励磁电流降到零后,断开励磁调节器电源开关。
灭磁开关只作为事故时快速灭磁之用。
②需要灭磁开关的动作实行灭磁时,灭磁开关延时动作,先由励磁调节器逆变0.5秒后再断开灭磁开关,以改善其工作条件,也有将灭磁开关延时动作时间增大到2~3秒的,其灭磁特性已接近自然灭磁,这样又有可能发生小电流不能进入灭弧栅而引起过电压及烧坏开关的现象。
上述两种措施,虽然能减少灭磁开关的操作,减轻其负载,使矛盾有缓和,但未能解决灭磁开关缺陷的根本问题。
5、200MW汽轮发电机组上采用交流励磁机灭磁代替发电机磁场回路灭磁理论分析。
(1)交流励磁机残压比较低,一般不大于5,只有3左右,而且发电机都采用高压氢冷,电弧熄灭电压已高于500V。
(2)发电机不容许定子线圈一点接地情况下继续运行。因此,都有完善的定子线圈一点接地保护,一旦发生一点接地,就动作跳闸停机或发出信号。从而完全避免了从一点接地过渡到两点接地的可能性。根据事故统计材料,几年间发电机未发生过两点接地故障。当然也就未发生过因两点接地故障引起静子铁心烧坏的事故。

(3)发电机有比较强的阻尼,而且运行力率高,使快速灭磁的作用明显降低。
(4)快速灭磁对大型汽轮发电机的实际影响
以—台200MW发电机为例,其参数为:
Tdo=7.68″X′d=24.23Xd=195
Xd=14.44X2=17.62TF=5S
分别计算Tm,T′m,Tm3,T′m3d,Tm2和T′m3d,结果列于表1
表1快速灭磁的影响
Tm工况自然灭磁(单位)秒快速灭磁的影响不计及阻尼效应计及阻尼效应
空载7.681.873.92
二相短路1.510.380.77
三相短路0.950.240.49

③Q轴磁通过灭磁的影响
发电机空载运行或三相短路时,发电机只存在D轴磁通。但发电机额定运行,特别是高力率运行时,Q轴磁通占的比例很大,而Q轴磁通是不受快速灭磁影响的。
表2列出了有功功率为额定时D、Q轴磁通分量之比。
表2D、Q轴磁通变化表
功率因数0.850.91.0
D轴磁通1.00.940.67
Q轴磁通0.550.630.78
④灭磁速度对发电机故障程度及修复工作的影响
  发电机内部故障时,灭磁对限制故障的发展是很重要的,这里的关键在于是否能及时实现灭磁。例如:马头电厂#7机(QFQS-200-2),1985年11月3日运行中由于C相接线盒焊接不良,造成BC相间短路,差动保护动作,发电机主开关跳闸,但DM2灭磁开关拒动,远方操作也跳不开,直至值班员跑到开关站间才手动断开DM2,这样使故障时间持续很长,发电机静子绕组严重烧坏,转子铁芯及绕组也有局部烧伤。
  汽轮发电机自然灭磁和快速灭磁,在灭磁时间上相差不多,这对发电机故障时损坏程度的影响较小的,一般不会影响发电机的修复时间。只有在下述临界情况下,即当发电机发生两相对地短路,使发电机铁芯烧坏,如果能快速灭磁,烧坏的铁芯可以局部修复,而采用自然灭磁时,铁芯的烧坏程度就会扩大到必须取出所有静子线棒,更换矽钢片才能使发电机修复运行,只有这时,快速灭磁才有意义。但是,实际上现代大型汽轮发电机两相对铁芯的短路事故极少,更难遇到这样一个临界状态,即电弧早熄灭1~2秒铁芯可以局部修复,如果延长1~2秒就必须取出线棒大修。
  在我国历年来对发电机事故的调查统计中,未发生发电机两相对铁芯短路,如果延长2~3秒灭弧,铁芯烧坏的程度就需要将静子铁芯重新组装的情况。从1978年至1990年的统计中,共发生铁芯事故9次。100MW以上汽轮发电机未发生过两相对铁芯短路的事故,和因此而造成的烧坏事故。100MW以上汽轮发电机两次铁芯严重烧坏的事故均与励磁回路无关,发电机均未跳闸灭磁。所以其损坏程度与灭磁速度无关。
  从上述1985年马头#7机事故还可以看出,发电机内部不对称故障时,长时间不灭磁也可能导致转子铁芯和绕组的损坏,这种情况,在灭磁开关拒动时是完全可能发生的。依靠发电机磁场回路内的灭磁开关动作的方案都存在这种危险。采用自然灭磁时,即采用交流励磁机灭磁的方案,虽然灭磁时间常数增加了零点几秒,但不会导致转子铁芯和绕组因负序电流而受到烧伤。以东方电机厂200MW(QFQS-200—2)汽轮发电机为例,根据试验实测,其稳态负序能力为15,暂态负序能力(I2t)为10.8,国标的规定值为8,部标的规定值为7。按发电机的设计值计算(Td0=6.55秒,Td3=0.803秒),发电机机端两相短路时的I2t值为4.33,小于部标、国标和制造厂提供的容许值。按实测值计算,(Td0=7.55秒,Td3=1.93秒)为6.13,也低于规定的容许值。
  由上可知采用交流励磁机灭磁代替发电机磁场灭磁,在技术上是可行的,另外此方法不仅节省了费用,而且使磁场回路结构简单、安装调试方便,运行维护简单,可以大大的提高灭磁回路的运行可靠性。
四、河南新乡火电厂发电机交流励磁机励磁系统灭磁方式的改造措施
  新乡火电厂#4、#5机(200MW)为哈尔滨电机厂生产的200MW(QFSN-200-2)机组,其发电机励磁系统是哈尔滨电机厂配套的带永磁副励磁机的交流励磁机---静止硅整流器励磁系统,即通常所说的“三机”交流励磁系统,但其灭磁方式仍用直流励磁机励磁系统所采用的灭磁方式,即在发电机转子回路上装设大容量直流断路器的灭磁方式。

  新乡火电厂#4、#5机(200MW)励磁系统在运行中存在许多问题,主要为其发电机转子回路沈阳开关厂生产的DM2-2500型灭磁开关运行中出现的问题:
⑴机构部分动作不灵
⑵小电流时电弧不能进入灭弧栅,造成过电压或烧坏灭磁开关。
⑶热容量不满足要求
DM2开关的最大额定电流为2500A,而200MW的发电机,其额定励磁电流为1760A,强行励磁电流为3520A,如果在顶值励磁时灭磁场,也不能保证可靠灭弧,此外,发电机额定工况下断开DM2开关时也易发生开关烧坏的事故。
⑷安装调试维护复杂。运行中的DM2开关故障,缺陷较多,触头经常发热,影响负荷,不利于长期安全可靠运行。
⑸DM2开关与励磁机灭磁包含问题,在事故情况下,DM2跳开,在强励情况下灭磁。
为了提高发电机励磁系统的工作可靠性,改善电力系统稳定运行状况,同时降低机组运行维护人员的劳动强度,提高工作效率,在充分的理论分析及考察的基础上,新乡火电厂对#4、#5机励磁系统进行改造,具体如下:
①发电机改造为有两种互相独立的灭磁手段,以保证发电机内部故障时能可靠灭磁,确保发电机安全,既对交流励磁机灭磁,采用两种互相独立的手段,互为备用,提高可靠性。一种手段是跳开交流励磁机磁场开关实现灭磁;另一种手段是控制励磁调节器的输出至最小(采用全控桥时使之逆变,输出为负;半控桥时使a最大,输出为零)如图2所示。
②对灭磁系统进行简化,将原DM2灭磁开关用铜排短接,由于无备用励磁,切换柜中BLK、GLK刀闸拆除,以避免GLK运行中长期过热造成隐患,同时简化回路。取消了转子回路的大容量直流灭磁开关后,解决了灭磁开关误掉和拒动以及因触头发热而造成降负荷的因素,减少了因人为因素造成转子回路开路的可能性,还节省了投资、减轻了运行、维护、检修调试的工作量,提高了励磁系统的可靠性。

③交流励磁机励磁系统采用交流励磁机灭磁的方式,在主励磁机磁场回路增加一灭磁开关屏,灭磁开关LMK主触头串入1K、2K、3K出口至主励转子绕组回路,承担对主励磁机磁场回路的灭磁。代替发电机转子回路装设大容量灭磁开关(或其他大容量耗能元件)的灭磁方式,因为发电机静子一点接地保护比较完善,大都动作于跳闸,即使动作于信号,在运行人员发现并查明确属一点接地后也将立即停机处理,因此发展到两点接地的机率是很小的。新乡火电厂发电机从没有发生过两点接地短路烧坏铁芯的事故。在灭磁速度略有的差别,对发电机故障的扩大,并无实质差别。不对称故障时的T2t值也在容许范围之内。因此,采用交流励磁机快速灭磁,而发电机为自然灭磁的方式是合适的,可行的。

五、新乡火电厂#4、#5机改造后的测试及运行情况
1.#5发电机有关时间常数测试结果
1.1空载工况下:跳FMK快速灭磁时机端电压衰减时间常数为1.33秒,转子电流衰减至零的时间为0.35秒;跳LMK自然灭磁时机端电压衰减时间常数为7.11秒,转子电流衰减时间常数为4.8秒。
1.2短路工况下:跳FMK快速灭磁时机端电流衰减时间常数为0.14秒,转子电流衰减至零的时间为0.35秒;跳LMK自然灭磁时机端电流衰减时间常数为0.877秒,转子电流衰减时间常数为0.706秒。
从上可以得出:发电机定子开路转子时间常数Td0=7.11秒
发电机三相短路瞬变分量时间常数T’d=0.877秒
Td0、T’d实测值比设计值略偏大(约0.05秒),这主要是因为在实际自然灭磁中包含有主励磁机的时间常数,而理论计算未包含该因素。
1.3去掉FMK后,由主励磁机灭磁时,发电机定子残压较大,这主要是由于主励磁机有残压,并继续向发电机转子输出少许电流,当断开整流柜交流侧开关后,测量发电机定子残压值为221V(相电压),跳开1KQD、2KQD后发电机定子残压值为82V(相电压),拉开4DK、5DK后,发电机定子残压值为63V(相电压)。由于该发电机采用高压氢冷方式,电弧熄灭电压高于500V,因此不会影响电弧的熄灭。
1.4短路工况下的自然灭磁,定子电流的衰减是按Td’时间常数进行的,因此比空载工况下灭磁快的多。
1.5空载工况下逆变同时跳LMK灭磁试验中,逆变先将电流衰减较小后,LMK断开,大大减轻了LMK的工作负担,减少了开关维护工作量,提高了灭磁系统可靠性。
1.6主励磁机磁场灭磁过程中,主励转子绕组中存在一幅值逐渐衰减的交流电压,频率为100Hz,时间约0.15秒,最后稳定值约8V左右。这主要是因为在主励磁机转子绕组开路后,主励磁机定子电流衰减过程中在转子绕组中感应的电压。
1.7并接在主励转子绕组两端的非线性电阻过电压保护动作值约450V,负向过电压(包括灭磁过电压和感应过电压)时正常动作。正向过电压(感应过电压)时因二极管的阻断无法动作。

  试验结果表明,改造后的灭磁系统各种性能指标满足设计要求,动作可靠,可满足发电机在事故及异常工况下的灭磁要求。消除了由于FMK开关机械机构等原因造成的拒动和误动,以及FMK开关灭磁过程中产生的过电压及烧毁事故,提高了励磁系统的工作可靠性,减少了运行维护工作量。#4发电机改造后测试情况同#5发电机。
  新乡火电厂#4、#5机采用交流励磁机励磁系统灭磁方式的改造后,运行情况良好,并已有两次事故情况下的跳机灭磁及多次正常起停发电机,均正常灭磁,未出现任何异常,以前出现的灭磁开关触头发热等影响负荷的情况已不复存在,有效地提高了机组安全稳定运行的能力,降低了维修费用,减少了运行、维护的工作量,事实证明交流励磁机励磁系统灭磁方式在新火200MW汽轮发电机组上的应用获得了较满意的结果。

来源:未知
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