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

发机电的灭磁装配是其灭磁系统的一个重要部份，灭磁装配的靠得住性对发机电的平安运行有着重要作用，随着发机电单元容的不竭增年夜和庇护的完善，原在小容发机电转子回路装设年夜容直流开关的灭磁方案，靠得住性差，运行维护工作年夜，本文在分析现有200MW发机电灭磁方式存在的问题及其改良措施的根蒂根基上，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发机电灭磁装配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。
关头词　灭磁方式灭磁开关故障

1、概述
　　同步发机电的励磁系统是指供给同步发机电的励磁电流的电源及其附属装备，其主要作用是当发机电正常运行时，供给发机电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，对发机电进行强行励磁、减磁，以提高电力系统运行的稳定性和靠得住性；当发机电内部泛起短路时，对发机电进行灭磁，以免事故扩年夜。
　　200MW汽轮发机电组上同步发机电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。
2、200MW汽轮发机电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汽轮发机电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汽轮发机电励磁电源的年月，划定应在发机电转子回路内装设灭磁开关，其主要缘由以下：
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削减至零，若是发机电转子回路不竭开，发机电机端电压可达额定值的20左右。这样，若是在灭磁时分歧时断开转子回路，就会存在以下两个问题：
发机电电压不能下降到故障点电弧的熄灭电压以下。
发机电内部故障时，电弧的自然熄灭电压为500V（峰值），按发机电额定电压10500V，残压为10计较，则直流励磁机完全灭磁后的发机电停机，这将年夜年夜扩年夜发机电的损坏水平。
发机电庇护跳闸后，需要在发机电电压为零时对各部门进行检查，如属庇护误动，可以立即并网，重新向电网送电。若是发机电残压很高，则在断开发机电时需要立即停机，这也将使事故扩年夜，延长故障处置时间。
⑵直流励磁机故障较多，为了在直流励磁机故障时发机电能继续运行发电，采用直流励磁机的发机电均设有备用励磁机。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，或短时无励磁运行，以便处置下流励磁机的缺陷，使其能恢复正常运行。是以，灭磁开关又称磁场开关。
⑶提高灭磁速度
　　早期的汽轮发机电转子阻尼比力弱，运行力率也较低，在发机电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，早期汽轮发机电一点接地庇护不完善，并允许发机电静子一点接地后继续运行。是以，发机电山静子一点接地成长为静子两点接地故障的机遇就年夜年夜增加，由于静子绕组两点接地故障引发铁心烧坏的事故相对多一些，是以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水平。
⑷发机电转子额定电流较小
　　采用直流励磁机励磁的汽轮发机电容较小，其额定励磁电流通常是几百安培，那时直流开关制造上没有坚苦，运行也很靠得住。
3、200MW汽轮发机电组交流励磁机励磁系统灭磁方式及其存在问题分析
　　60年月后期由于硅整流装配的成长，国内外年夜型汽轮发机电尽年夜部门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汽轮发机电今朝已几近全数采用该励磁系统。额定转子电流都已增年夜到176，经由过程在转子回路内加装直流灭磁开关来灭磁，不仅价格较贵，而且由于国产年夜电流直流开关靠得住性较差，运行维护、调试比力坚苦，要求也比力高，运行中经常泛起开关的拒动和误动及开关触头发烧等问题。灭磁开关误动作，为了提多发机电灭磁系统的靠得住性，许多单元提出了改良措施，回纳起来有以下几类：
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根蒂根基上提出的，它们在解决灭磁开关容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，直接造成发机电的失磁事故；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年夜，这都是不允许发生的。
　　由于上述改良措施均未能解决灭磁开关机械缺陷所酿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取代灭磁开关。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年夜容灭磁开关，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的灭磁开关。以上生产的年夜容直流开关，不单价格贵，运行维护、调试比力坚苦，要求也比力高。同时，是否能靠得住运行也有待于堆集运行经验。
　　200MW机组运行单元对于正在运行的灭磁开关，为了提高其靠得住性，在运行方式方面也作了改良以下：
①为了削减灭磁开关操作次数，避免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，不跳灭磁开关改成将交流励磁机励磁电流降到零后，断开励磁调理器电源开关。
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，先由励磁调理器逆变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年夜到2～3秒的，其灭磁特征已接近自然灭磁，这样又有可能发生小电流不能进进灭弧栅而引发过电压及烧坏开关的现象。
上述两种措施，虽然能削减灭磁开关的操作，减轻其负载，使矛盾有缓和，但未能解决灭磁开关缺陷的基本问题。
5、200MW汽轮发机电组上采用交流励磁机灭磁取代发机电磁场回路灭磁理论分析。
（1）交流励磁机残压比力低，一般不年夜于5，只有3左右，而且发机电都采用高压氢冷，电弧熄灭电压已高于500V。
（2）发机电不允许定子线圈一点接地情况下继续运行。是以，都有完善的定子线圈一点接地庇护，一旦发生一点接地，就动作跳闸停机或发出旌旗灯号。从而完全避免了从一点接地过渡到两点接地的可能性。凭据事故统计材料，几年间发机电未发生过两点接地故障。固然也就未发生过因两点接地故障引发静子铁心烧坏的事故。

（3）发机电有比力强的阻尼，而且运行力率高，使快速灭磁的作用较着下降。
（4）快速灭磁对年夜型汽轮发机电的现实影响
以—台200MW发机电为例，其参数为：
Tdo=7.68″X′d=24.23Xd=195
Xd=14.44X2=17.62TF=5S
划分计较Tm，T′m，Tm3，T′m3d，Tm2和T′m3d，成效列于表1
表1快速灭磁的影响
Tm工况自然灭磁（单元）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轴磁经由过程灭磁的影响
发机电空载运行或三相短路时，发机电只存在D轴磁通。但发机电额定运行，出格是高力率运行时，Q轴磁通占的比例很年夜，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按时D、Q轴磁通份之比。
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灭磁速度对发机电故障水平及修复工作的影响
　　发机电内部故障时，灭磁对限制故障的成长是很重要的，这里的关头在因而否能实时实现灭磁。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，差动庇护动作，发机电主开关跳闸，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，这样使故障时间延续很长，发机电静子绕组严重烧坏，转子铁芯及绕组也有局部烧伤。
　　汽轮发机电自然灭磁和快速灭磁，在灭磁时间上相差不多，这对发机电故障时损坏水平的影响较小的，一般不会影响发机电的修复时间。只有在下述临界情况下，即当发机电发生两相对地短路，使发机电铁芯烧坏，若是能快速灭磁，烧坏的铁芯可以局部修复，而采用自然灭磁时，铁芯的烧坏水平就会扩年夜到必需掏出所有静子线棒，更换矽钢片才能使发机电修复运行，只有这时候，快速灭磁才有意义。可是，现实上现代年夜型汽轮发机电两相对铁芯的短路事故少少，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，若是延长1～2秒就必需掏出线棒年夜修。
　　在我国历年来对发机电事故的查询拜访统计中，未发生发机电两相对铁芯短路，若是延长2～3秒灭弧，铁芯烧坏的水平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以上汽轮发机电未发生过两相对铁芯短路的事故，和是以而酿成的烧坏事故。100MW以上汽轮发机电两次铁芯严重烧坏的事故均与励磁回路无关，发机电均未跳闸灭磁。所以其损坏水平与灭磁速度无关。
　　从上述1985年马头#7机事故还可以看出，发机电内部不合错误称故障时，长时间不灭磁也可能致使转子铁芯和绕组的损坏，这类情况，在灭磁开关拒动时是完全可能发生的。依靠发机电磁场回路内的灭磁开关动作的方案都存在这类危险。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，但不会致使转子铁芯和绕组因负序电流而遭到烧伤。以东方机电厂200MW（QFQS-200—2）汽轮发机电为例，凭据实验实测，其稳态负序能力为15，暂态负序能力（I2t）为10.8，国标的划定值为8，部标的划定值为7。按发机电的设计值计较（Td0=6.55秒，Td3=0.803秒），发机电机端两相短路时的I2t值为4.33，小于部标、国标和制造厂提供的允许值。按实测值计较，（Td0=7.55秒，Td3=1.93秒）为6.13，也低于划定的允许值。
　　由上可知采用交流励磁机灭磁取代发机电磁场灭磁，在技术上是可行的，另外此方式不仅节省了费用，而且使磁场回路结构简单、安装调试利便，运行维护简单，可以年夜年夜的提高灭磁回路的运行靠得住性。
4、河南新乡火电厂发机电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）为哈尔滨机电厂生产的200MW（QFSN-200-2）机组，其发机电励磁系统是哈尔滨机电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，即凡是所说的“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,即在发机电转子回路上装设年夜容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，主要为其发机电转子回路沈阳开关厂生产的DM2-2500型灭磁开关运行中泛起的问题：
⑴机构部门动作不灵
⑵小电流时电弧不能进进灭弧栅，造成过电压或烧坏灭磁开关。
⑶热容不知足要求
DM2开关的年夜额定电流为2500A，而200MW的发机电，其额定励磁电流为1760A，强行励磁电流为3520A，若是在顶值励磁时灭磁场，也不能保证靠得住灭弧，此外，发机电额定工况下断开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，触头经常发烧，影响负荷，晦气于持久平安靠得住运行。
⑸DM2开关与励磁机灭磁包括问题，在事故情况下，DM2跳开，在强励情况下灭磁。
为了提多发机电励磁系统的工作靠得住性，改善电力系统稳定运行状态，同时下降机组运行维护人员的劳动强度，提高工作效率，在充实的理论分析及考查的根蒂根基上，新乡火电厂对#4、#5机励磁系统进行改造，具体以下：
①发机电改造为有两种相互自力的灭磁手段，以保证发机电内部故障时能靠得住灭磁，确保发机电平安，既对交流励磁机灭磁，采用两种相互自力的手段，互为备用，提高靠得住性。一种手段是跳开交流励磁机磁场开关实现灭磁；另外一种手段是控制励磁调理器的输出至小（采用全控桥时使之逆变，输出为负；半控桥时使a年夜，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刀闸撤除，以免GLK运行中持久过热造成隐患，同时简化回路。取消了转子回路的年夜容直流灭磁开关后，解决了灭磁开关误失落和拒动和因触头发烧而造成降负荷的身分，削减了因工钱身分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，提高了励磁系统的靠得住性。

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主触头串进1K、2K、3K出口至主励转子绕组回路，承当对主励磁机磁场回路的灭磁。取代发机电转子回路装设年夜容灭磁开关（或其他年夜容耗能元件）的灭磁方式，由于发机电静子一点接地庇护比力完善，年夜都动作于跳闸，即使动作于旌旗灯号，在运行人员发现并查明确属一点接地后也将立即停机处置，是以成长到两点接地的机率是很小的。新乡火电厂发机电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异，对发机电故障的扩年夜，并没有实差异。不合错误称故障时的T2t值也在允许范围之内。是以，采用交流励磁机快速灭磁，而发机电为自然灭磁的方式是合适的，可行的。

5、新乡火电厂#4、#5机改造后的测试及运行情况
1.#5发机电有关时间常数测试成效
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：发机电定子开路转子时间常数Td0=7.11秒
发机电三相短路瞬变份时间常数T’d=0.877秒
Td0、T’d实测值比设计值略偏年夜（约0.05秒），这主要是由于在现实自然灭磁中包括有主励磁机的时间常数，而理论计较未包括该身分。
1.3往失落FMK后，由主励磁机灭磁时，发机电定子残压较年夜，这主要是由于主励磁机有残压，并继续向发机电转子输出少许电流，当断开整流柜交流侧开关后，丈发机电定子残压值为221V(相电压)，跳开1KQD、2KQD后发机电定子残压值为82V(相电压)，拉开4DK、5DK后，发机电定子残压值为63V(相电压)。由于该发机电采用高压氢冷方式，电弧熄灭电压高于500V，是以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，是以比空载工况下灭磁快的多。
1.5空载工况下逆变同时跳LMK灭磁实验中，逆变先将电流衰减较小后，LMK断开，年夜年夜减轻了LMK的工作负担，削减了开关维护工作，提高了灭磁系统靠得住性。
1.6主励磁机磁场灭磁进程中，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，后稳定值约8V左右。这主要是由于在主励磁机转子绕组开路后，主励磁机定子电流衰减进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头的非线性电阻过电压庇护动作值约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）时因二极管的阻断没法动作。

　　实验成效讲明，改造后的灭磁系统各类性能指标知足设计要求，动作靠得住，可知足发机电在事故及异常工况下的灭磁要求。消除由于FMK开关机械机构等缘由酿成的拒动和误动，和FMK开关灭磁进程中发生的过电压及烧毁事故，提高了励磁系统的工作靠得住性，削减了运行维护工作。#4发机电改造后测试情况同#5发机电。
　　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，运行情况秀，并已有两次事故情况下的跳机灭磁及屡次正常起停发机电，均正常灭磁，未泛起任何异常，之前泛起的灭磁开关触头发烧等影响负荷的情况已不复存在，有用地提高了机组平安稳定运行的能力，下降了维修费用，削减了运行、维护的工作，事实证实交流励磁机励磁系统灭磁方式在新火200MW汽轮发机电组上的运用获得了较满意的成效。