浅谈励磁系统在330MW机组中的应用

　　摘要：华能海口电厂#8、9机组励磁系统新改造为南瑞RCS-9400系列励磁系统，原励磁系统为南瑞SAVR2000，本文主要介绍南瑞RCS-9400励磁系统在海口电厂#8、9汽轮发电机启、停机及运行中的应用。

　　关键词：励磁系统;励磁技术;功能与应用

　　1背景

　　华能海口电厂四期共有2台330MW国产北京北重汽轮电机有限责任公司生产的QFSN-330-2型汽轮发电机，单机容量为330MW。发电机原励磁系统为南瑞SAVR2000系列，因系统老化，便改造为南瑞RCS-9400系列静态励磁系统。

　　2 励磁系统的重要性

　　在发电厂，励磁系统是为发电机提高可控的励磁电流的系统，即给发电机提高可控的磁场，是发电机最为重要的辅助系统之一，励磁系统是闭环的调节系统，可以保证在机组正常运行的情况下维持发电机极端电压稳定运行，使机组能够输出一定的有功与无功，除此之外，还可以保证发电机转子电流恒定输出。当系统波动或者发生事故时，需励磁系统维持发电机端电压在给定值，合理分配发电机组之间的无功，对发电机定子及转子侧各电气量的负荷进行限制和保护，保证电力系统的稳定性。因此励磁系统对提高发电机电力系统的稳定性具有相当大的作用。

　　3 RCS-9400励磁系统的构成

　　海口电厂#8、9机组励磁系统主要有双通道数字励磁调节装置柜(包含9410数字励磁调节装置、9415励磁系统信息管理装置、9412智能脉冲触发装置)、#1~3号RCS-9420可控硅整流柜、RCS-9431灭磁开关柜、RCS-9432灭磁电阻/转子接地柜、励磁变压器及其其他辅助部分组成。

　　(1)该励磁系统的核心设备是励磁调节柜中的9410数字励磁调节装置，RCS-9410励磁调节装置是以高速DSP为计算机控制核心、以ARM为对外通讯系统的中心，同时最外层以32位单片机为人机接口层，提供内容最为丰富和灵活的人机操作平台，配置了标准模型的PID + PSS调节软件，配置了最完善的限制和保护功能软件，不仅保证正常运行工况下的稳定性，而且在异常工况或事故情况下，一方面保护励磁系统及发电机的安全，同时保证对系统的较大出力，对系统稳定作贡献。

　　(2)RCS-9420可控硅整流装置通过接受励磁调节器的触发脉冲信号，实现可控整流，为发电机或副励磁机的励磁绕组提供励磁电流;该整流装置可实现短时间的逆变功能，通过逆变实现发电机的快速灭磁。主要包含以下五部分：(1)三相可控硅整流桥;(2)过压保护;(3)过流保护;(4)冷却系统;(5)辅助控制回路。RCS-9430 灭磁装置是由灭磁开关、灭磁电阻、转子过电压保护组成的，在正常停机或事故停机时对发电机转子绕组进行快速灭磁，在运行中抑制转子中过电压的综合设备。对于自并励系统，还配置直流电源供电的或交流电源供电的初励回路，保证发电机的可靠起励。

　　(3)微机励磁系统典型原理

　　大致的原理是取发电机端电压、定子电流、转子电流作为参考，通过励磁调节装置，输出可控硅的触发脉冲，即触发角度，使得整流装置输出励磁电流，给发电机提供特定的磁场，调节发电机无功，维持发电机端电压的输出。

　　4 南瑞RCS-9400励磁系统在330MW发电机组的应用

　　4.1机组启机过程

　　发电机组启动过程中，主要是如何建立有效稳定的磁场，输出稳定的机端电压。

　　我厂#8/9发电组发电机励磁方式采用机端静态自并励方式，发电机启动时，先由辅助直流或交流启励电源给转子提供励磁电流，定子绕组切割磁场产生感应电势，使得端电压逐步上升，为了维持输出机端电压的稳定，励磁调节装置采用机端电压闭环控制，以发电机端电压作为调节变量，利用PID控制+PSS电力系统稳定器，维持机端电压稳定输出，采用自动定速升压的方式进行升压，当定子升压到20%额定电压后，自动切换可控硅向发电机转子提供励磁电流。

　　当初励投入6秒后，发电机电压仍未能大于20%额定电压，则会强制退出。励磁电源是通过励磁变压器取发电机出口电压作为电源，经过可控硅整流后送至发电机转子，通过微机励磁控制自动调节可控硅导通角，使得发电机端电压维持在给定值范围内，同时可根据南方电网中调的要求进行利用增减磁通量来调节发电机无功。

　　其中电力系统稳定器(PSS)在自并励励磁系统中可有效的提高电力系统电压水平，当电力系统大量采用该励磁方式时，会降低电力系统的阻尼特性，导致低频振荡时电力系统运行不稳定，但投入PSS后会提高功率阻尼系数，振荡时使转子阻尼达到理想数值，从而提高电力系统运行的稳定性。

　　4.2机组运行时

　　发电机组运行时，主要是要维持机端电压稳定输出，无功能根据电网系统负载情况进行相关平衡调节。励磁系统维持机端电压闭环运行方式，保证机端电压稳定输出。同时励磁系统带有低励磁限制、过励磁限制、伏赫兹限制、硅柜过电流限制、TV断线保护功能、空载过电压保护、45Hz低周波保护等功能，所以励磁调节器备有主从两套通道，当装置检测到故障后，“通道选择”在自动位时，调节器执行主从通道切换，闭锁故障调节装置通道输出。若从通道在正常状态，则会自动切换至从通道;若从通道有故障，在并网运行时则会维持主通道运行，并自动切换至恒转子电流闭环方式或者是定角度开环运行;若发电机空载，则会逆变停机。

　　注：Cntl_mode值意义如下：

　　0、代表电压闭环方式(AVR)

　　1、代表励磁电流闭环方式(FCR)

　　2、代表开环控制方式

　　3、代表恒无功控制方式

　　4、代表恒功率因素控制方式

　　通过微机励磁控制自动调节可控硅导通角，使发电机机端电压维持在给定值范围内，从而控制发电机无功功率和电压，调节可控硅导通角也即改变励磁电流大小。以海口电厂330WM机组为例，正常运行时三台可控硅整流柜并列运行，负荷均衡分配。一台整流柜退出，不影响励磁系统出力。两台整流柜退出，则不允许强励。

　　当发电机励磁系统在额定工况或强励工况下运行时，励磁电流比较大，此时由于故障或人为意外因数导致励磁回路断开，此时电磁自动力矩突然消失，汽轮机在强大的机械力矩下飞速上升旋转，若该机组主变高压侧开关未能及时跳开，导致发电机定子从电网中吸收大量无功来建立旋转磁场，切割转子绕组，从而产生巨大的电流，使转子过热烧毁，致使机组强烈振动危机设备人身安全。若在强励磁电流运行时，突然断开励磁回路亦会产生强烈的拉弧现象，有可能烧毁氧化锌灭磁电阻，而在励磁系统保护中有灭磁开关联跳发电机并网开关的逻辑保护功能，保证发电机运行全过程中安全稳定。

　　4.3停机过程中

　　发电机停机过程中，主要是如何将发电机无功、机端电压、转子电流(即励磁电流)降至0，即如何快速清除磁场。在发电机停机过程中，要先将励磁逐渐减至零，即将发电机的无功、励磁电流均减至零，最直接的办法就是将励磁回路断开，但是转子绕组具有很大的电感，断开励磁回路不能使发电机电流突变，而于转子磁场，因强迫电感性电流分断，在转子绕组两端感应出较高的过电压，施加在磁场开关上，阻止磁场开关切断电流;另一方面，对于开关，强行分断触头，产生断口，但即使产生断口，但转子电流仍经开关断口上的电弧而流通。

　　因为转子磁场存储了一定的能量，能量不能消失，只能转移，如果没有其他转移能量的措施，转子储能全部转化为开关断口电弧热能，不是专用开关，难以承受电弧能量，开关将被断口电弧烧损，所以如何更加可靠安全有效对发电机灭磁非常重要，而励磁系统设有自动灭磁装置，配备专用的灭磁开关能够维持电弧燃烧，消耗磁场能量，并控制电弧电压在安全的范围内，设置每次电阻吸收磁场能量。

　　当然，当发电机发生内部或机端短路故障时，即使继电保护正确及时动作，将机组从电网上切除，但因发电机转子磁场的存在，定子电压的存在，故障电流仍然存在，磁场存在时间越长，故障点故障电流维持的时间也就越长，故障电流所造成的危害就越大。所以当发电机故障紧急停机时，励磁系统的灭磁装置也能灭磁迅速，减少短路电流造成的损害。其灭磁装置具备以下几个功能：

　　(1)灭磁时间短;

　　(2)灭磁时反向电压不超过规定的倍数，即不超过转子出厂耐压试验电压的50%;

　　(3)灭磁开关应有足够的分断发电机转子电流能力，不会因分断而烧坏。

　　可见，灭磁装置能够保证发电机可靠快速灭磁，保证机组设备安全。所以，以海口电厂330MW #8、9汽轮发电机组配备的南瑞RCS-9400励磁系统为例，正常停机前，先按“停机令”，降低发电机的励磁电流，将发电机无功、有功减至零，最后断开灭磁开关。

　　电力论文投稿期刊：《电力学报》(双月刊)创刊于1986年，是经国家新闻出版署审批，山西省电力公司主管，由太原电力高等专科学校和山西省电机工程学会、山西省水利发电工程协会合办、国内外公开发行的学术性期刊。

　　5 结束语

　　以海口电厂330MW #8、9汽轮发电机组配备的南瑞RCS-9400励磁系统为例，自2018年改造励磁系统为南瑞RCS-9400以来，均可按照以上功能及技术应用在330WM机组中能够提供较为可靠的励磁、灭磁功能，自动切除故障通道，维持发电机安全稳定运行，且能够在整个过程中保证汽轮发电机安全稳定启停机。这套励磁装置在海口电厂四期机组已运行两年无故障，且安全可靠运行，显而易见，南瑞RCS-9400励磁系统在330MW机组中的应用比较可靠，同时也为其他电厂发电机机组的励磁系统改造和新投运机组励磁设备选型提供了一定的借鉴意义。

　　【参考文献】

　　[1] RCS-9400微机励磁系统现场用资料汇编.南瑞公司内部资料.

　　[2] 华能海口电厂.330MW机组集控运行规程.2019.

　　[3] 宋宇，任哲.提高同步发电机励磁系统可靠性的措施[J].东北电力学院学报.2005，(02).

　　[4] 李家坤同步发电机励磁控制方式发展综述[J] .电力学报，2005，(01).

　　作者：黄恒

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