發電機滅磁回路改造研究

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一．前言

新鄉火電廠#5發電機為三機交流勵磁系統，原滅磁系統設計采用的是短弧柵原理的DM2型來分斷發電機轉子回路進行滅磁。由于該開關在材質、結構上存在的不足，運行中發現了不少問題，給勵磁系統的可靠性帶來了隱患。為此，我們采用主勵磁機磁場回路滅磁方式取代常規的發電機轉子回路滅磁開關進行滅磁，對#5機滅磁系統進行了改造，并進性了全面的滅磁性能試驗，事實證明該項改造是成功的。這是我們對發電機滅磁理論和滅磁方式長期研究的實踐，也是我們為全國同行做出了有益的嘗試。

二．滅磁方式的發展歷程

在主要采用直流勵磁機作為發電機勵磁電源的年代，普遍采用發電機轉子回路裝設大容量直流滅磁開關的滅磁方式。對直流勵磁機系統采用這種滅磁開關，有以下原因和作用：

1、直流勵磁機殘壓較高，即使直流勵磁機電流減少到零，如果發電機轉子回路不斷開，發電機機端電壓仍可能達到額定值的20左右，這樣可能造成發電機電壓不能降低到故障點電弧的熄滅電壓以下，大大擴大發電機的損壞程度。

2、早期的發電機轉子阻尼較弱，運行功率因數較低，在發電機轉子回路里裝設滅磁開關可以提高滅磁速度，效果較好。

3、早期的發電機一點接地保護不完善，并允許發電機定子一點接地后繼續運行。因此，發電機由定子一點接地發展成二點接地的故障的機會就會大大增加，由于定子繞組二點接地故障引起的鐵芯燒壞的事故相對較多，因此采用快速滅磁可以限制定子二相對鐵芯短路時鐵芯的燒壞程度。

4、發電機轉子額定電流較小，一般為幾百安培，當時直流開關制造上沒有困難，運行比較可靠。

六十年代后期，由于硅整流裝置的發展，國內外大型汽輪發電機絕大部分采用交流勵磁機整流系統或可控硅勵磁系統。我國生產的100MW—600MW的發電機目前大部分采用此勵磁系統，額定轉子電流增大到1500—4000A。對這些發電機，其滅磁方式仍采用直流勵磁機系統在發電機轉子回路上裝設大容量直流滅磁開關的滅磁方式。目前采用的直流滅磁開關多為50年代仿蘇產品DM2—2500型開關。該開關在運行中發現不少問題：

1、由于該開關材質硬度不夠，制造質量差，機械機構不靈，電氣接線不合理，經常發生誤跳、拒動。

2、小電流下分斷時，由于磁吹力較弱，不能將電弧吹進滅弧柵，有可能將開關燒壞并產生過電壓。

3、安裝調試與維修復雜。由于安裝、調試、維護不當而引起的開關故障時有發生。

4、熱容量不能滿足大機組的要求（例如200MW發電機額定勵磁電流1840A，1.8倍強勵時可達3310A，DM2開關額定電流僅有2500A）。

由于存在上述問題，滅磁開關成為發電機安全運行急待解決的關鍵問題。當今圍繞解決滅磁開關存在的問題有以下改進方法：

1、DM2操作機構改進。改進后的滅磁開關減少了拒動與誤動的機會，在一定程度上提高了滅磁系統的可靠性，但對小電流滅弧能力及斷流容量不足并無改善。

2、滅磁系統操作程序改進。在正常啟、停機及外部故障引起的保護動作，只對主勵磁場回路滅磁，只有在發電機內部故障主保護動作時，才跳DM2開關。這種方式雖然可以明顯減少DM2的操作次數，減少維護工作量，但不能解決DM2存在的問題。

3、采用DM2開關并聯熔絲的非線性電阻滅磁。DM2只起開斷作用，不起滅磁作用，可以防止開關燒壞，但當DM2開關拒動時，熔絲和非線性電阻等于虛設，發電機不能滅磁。而該開關誤動時，發電機照樣滅磁，造成事故，而且每滅磁一次，就必須更換一次笨重的熔絲，增加了運行復雜性。

以上改進方案，雖然取得了一定的成效，但由于仍然采用大容量的磁場開關（或其他耗能元件），使回路結構復雜，調試、安裝工作量大，且費用較昂貴。其中許多方案仍然保留DM2開關，由于大容量直流開關價格貴、運行維護、調試困難，要求較高，而其運行可靠性不能得到保證，所以隱患依然存在。

三．滅磁方式的研究

1、近代大型同步發電機為了保證并列運行的穩定性，都裝有阻尼繞組，其時間常數有2—3秒，和勵磁繞組統一數量級，不能忽略。

2、闡明了“同步發電機滅磁是指發電機內整個氣隙磁通減少為零的過程該磁通不僅由勵磁繞組電流產生，而且由阻尼繞組、電樞繞組的電流產生和維持，糾正了把滅磁等同于勵磁電流衰減的概念。

3、發電機快速滅磁是在發電機帶負荷運行時，內部發生短路故障時才需要的，此時勵磁繞組瞬變時間常數很小，快速滅磁作用不大，而大部分磁場能量轉移到阻尼繞組及實體轉子，其滅磁過程主要由阻尼繞組決定。

4、發電機帶負荷運行時，特別是高功率因數運行，不僅產生縱軸電樞反應磁通，還產生橫向磁通，滅磁開關對這部分磁通是無能為力的。

5、發電機定子一點接地保護性能完善，使得發電機定子繞組兩點接地燒毀鐵芯的事故極少發生。

由以上分析可得出結論，作為實現“快速滅磁”得發電機勵磁回路得滅磁開關并不能起到預期得作用，但危害性很大。

經過對國外滅磁方式的研究和借鑒國內同行的經驗，我們決定采用主勵磁機勵磁回路滅磁的“三保險”措施。首先采用逆變滅磁，短時跳開滅磁開關LMK，然后由主勵磁機勵磁回路并聯的二極管和非線型電阻來滅磁的方式來保證滅磁的可靠性。該滅磁方式有以下優點：

1、提高了發電機安全運行的可靠性，避免了滅磁開關拒動、誤動、燒壞等事故及其操作過電壓帶來的危害。

2、減少了開關的維護、修理工作量，減輕了工人的勞動，提高了工作效率，節約了大量維護費。

3、節省大量投資。MD2開關性能容量已經不能滿足需要，而開發新的開關需要投入大量的資金、人力、物力，即使開發出新開關也不一定完全滿足滅磁需要。

4、減少了與滅磁開關相配套的過電壓保護裝置，不僅節約了費用，而且避免了由其性能及可靠性引起的事故。

四、改造說明：

圖一：改造前一次回路接線圖

圖二：改造后一次回路接線圖

說明：

1、滅磁開關MK短接，將滅磁回路進行簡化，取消非線性電阻；

2、主勵磁機回路中增加一LMK開關屏，滅磁開關LMK串入1K、2K、3K出口至主勵轉子繞組回路中，對主勵磁機磁場進行滅磁；

3、原MK控制回路改為LMK控制回路；

4、保護出口繼電器BHZ動作時啟動逆變滅磁及聯跳LMK開關；

5、主勵磁機勵磁回路首先采用由微機自動調節器逆變滅磁，短時跳開LMK開關，由并接在主勵磁機轉子回路的續流二極管和電阻進行續流。

五、改造效果：

表一：空載滅磁試驗數據表

試驗方法

參數

數據

UF

（KV）

IL

（A）

UL

（V）

UJL

（V）

定子電壓衰減到0.1倍的時間（S）

轉子電流衰減到0.1倍的時間（S）

跳MK

試驗前

15.75

645

128

102

6.14

0.5

試驗后

0.22

1

10

逆變跳

LMK

試驗前

15.75

645

127

103

14.8

1.8

試驗后

0.402

10

3

2

從上表可以看到，采用逆變并跳LMK開關的試驗中，逆變先動，在15ms內將主勵磁機勵磁回路電流衰減到零，又經過10ms，將LMK跳開。LMK不起斷流作用，大大減少了LMK開關的維護工作量，增加了滅磁系統的可靠性。同時滅磁效果令人滿意，達到了預期目標，明顯改善開關的工作條件。自2001年11月投運以來，#5發電機勵磁系統未出現任何異?，F象，經過多次停機滅磁的考驗，表明這次改造是成功的，達到了簡化滅磁系統操作、減少維護工作量、提高滅磁可靠性的目的，受到了省局領導和運行人員的一致好評。

六、改造后的經濟效益：

1、對于新建200MW汽輪發電機組，取消滅磁開關及屏體，每臺機組可節省設備費、安裝調試費等約30萬元；

2、對于已經投運地200MW汽輪發電機組，取消滅磁開關，每臺機組按3年為一大修周期計算，可節省大小修、臨檢、異常處理及調試費用20萬元；

3、對于200MW汽輪發電機組，因滅磁開關異常或故障導致停機一次，每臺機組按2小時內恢復正常200MW負荷計算，可節省機組啟動費用約30萬元，避免少發電量40萬度；

4、大型汽輪發電機組因滅磁開關異?；蚬收希瑢﹄娋W產生巨大的沖擊，嚴重影響電力系統的安全、穩定，導致電力系統電壓品質惡化，給用戶造成無法估計的損失。