火电大机组励磁系统的回顾与展望.docx

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火电大机组励磁系统的回顾与展望

火电大机组励磁系统的回顾与展望

摘 要：

回顾国内各大制造厂配套的励磁系统的发展，阐述各种灭磁技术及在国内各电厂的应用情况。

根据目前国内外的自并励励磁系统的应用情况，提出在大型汽轮发电机应用自并励励磁系统是可行的。

对火电大机组励磁系统的发展提出希望与建议。

　　关键词：

励磁系统；无刷励磁；自并励励磁；灭磁开关；励磁调节系统 

　　20世纪70年代末，原电力部设置了大机组办公室，着手国产大机组主辅设备的完善工作。

后与原一机部进行了300、600MW级机组制造技术的引进事宜。

当时定义的火电大机组是指容量为100MW及以上的机组，实际上国产大机组完善化的主要对象是原125、200、300MW机组。

其励磁系统除少数机组用直流励磁机外，主要是用三机励磁配套，包括励磁电源（永磁机、交流旋转励磁机、整流柜）、滑环、电刷、刷握及灭磁开关、灭磁电阻、AVR。

20世纪80年代末，300、600MW机组引进美国西屋与燃烧公司的制造技术，西屋公司转让的励磁系统技术是无刷励磁。

到20世纪90年代末，则多选用自并励励磁系统。

　　1 国内各大制造厂配套的励磁系统 

　　1.1 哈尔滨电机厂 

　　原200MW发电机均采用三机励磁；引进型300MW发电机先是配三机励磁，后来也能配自并励励磁；引进型600MW发电机先是配无刷励磁，现在也开始能配自并励励磁。

3种方式都具备。

近年生产的125MW（135、200MW）发电机励磁系统配套选择就更方便用户。

　　1.2 上海电机厂 

　　原双水内冷125MW（现为135MW）与300MW发电机均系配三机励磁；引进型300、600MW发电机先是配无刷励磁，现在也能配自并励励磁。

因此，3种励磁方式都有。

　　1.3 东方电机厂 

　　原200MW发电机均采用三机励磁；300MW发电机有二机励磁和自并励励磁2种；引进日本日立公司技术的600MW发电机采用自并励励磁系统，近年生产的125MW（135MW）发电机励磁系统能配三机励磁和自并励励磁2种方式。

　　1.4 北京重型电机厂 

　　原200MW发电机也是采用三机励磁；与法国原阿尔斯通公司合作生产的330MW发电机配无刷励磁系统，发电机国产化方案已评审通过，从市场看，也能配自并励励磁。

　　2 励磁系统的发展情况 

　　2.1 滑环材质等问题 

　　过去担心的滑环材质、通风、碳粉、刷握及其恒压弹簧等问题均已解决，现在滑环都能做到外径不大于400mm，使线速度不超过70m/s；刷握所需的恒压弹簧问题也已解决，而且运行中能做到插拔安全方便；碳刷质量也能达到要求，但有的厂配用进口件。

　　2.2 三机励磁系统与无刷励磁系统的选用 

　　由于国产整流元器件质量的提高及交流励磁机、永磁机的可靠性的提高，使三机励磁系统与无刷励磁系统基本可并列选用。

　　2.3 灭磁开关 

　　过去老一代的灭磁开关存在断门灭弧性能差、机构不灵等问题，原东北技改局虽有相当的调试经验，但没有在全国推广使用。

其后虽引进了制造技术，但产品未能完全占领市场。

所以，300、600MW发电机在选用自并励励磁系统时，仍多采用进口直流开关。

　　引进型300、600MW发电机前期用的是无刷励磁，没有、也不设灭磁开关。

山东曾在125、300MW双水内冷发电机的三机励磁系统中，将原灭磁开关短路运行过，还做过鉴定。

但在采用三机励磁方式与自并励励磁方式时，仍定型装设直流灭磁开关。

理由是担心若无开关会托延时间，当发电机本身故障时扩大烧损范围。

　　河北对200MW发电机三机励磁系统采用逆变和在交流侧装设开关灭磁有经验，也做过鉴定。

邯峰电厂从德国西门子公司进口的660MW发电机就是采用逆变和在交流侧加开关灭磁的方式，迄今运行正常至于灭磁电阻，多采用国产氧化锌件，ABB公司则多配用碳化硅。

　　扬州第二发电厂600MW（世界银行贷款项目）西屋公司进口发电机及配套的励磁系统，其灭磁方式采用可控硅整流桥和灭磁设备灭磁2种方式，两者都能独立完成灭磁。

（1）可控硅整流桥的逆变灭磁：

由调节器和可控硅整流柜共同完成，条件是脉冲回路正常，可控硅整流桥正常，正常停机时都采用该方式；

（2）灭磁回路灭磁：

该回路由交流灭磁开关、电子跨接器、机械跨接器及灭磁线性电阻组成。

　　由于配套整流桥故障现由南京自动化研究院负责进行改造，因此国内在灭磁方式上也有了另一种技术可以借鉴。

　　2.4 无刷励磁 

　　自从引进无刷励磁技术后，原机械、水电两部将配套的电容器、熔断器列入了攻关课题，在吴泾电厂300MW发电机上试验成功并进行过鉴定，但没有形成国产配套，仍依靠进口。

至于可控硅元器件，无论是无刷励磁或自并励励磁，迄今仍多选用进口件。

自并励励磁系统的电源变压器，国内多选用干式。

由于我国已有多家企业引进制造技术，所以国产干式变压器是被选用的基本模式。

石洞口二厂进口的ABB公司600MW超临界机组采用的是油浸式变压器，布置也很简单。

　　2.5 AVR 

　　过去制造厂配套的AVR水平都不高，即使是300、600MW用引进技术配套的AVR，也并不先进。

特别是大同电厂200MW机组飞车事件，在调查中发现该机组当时启动并网、负荷升到170MW时，由于AVR不能跟踪调节以致失步，诱发机组原存在的轴系不稳定，导致毁灭性事故。

经电科院研究后证明，此系事故起因。

随后，由电科院列专题研究开发了微机型AVR，并将技术转让予南京自动化设备厂生产。

这几年新开发的双微机型AVR先后有：

（1）南京电力自动化研究院（南瑞公司）生产的AVR过去都用于水电，火电上首先用于牡丹江二电厂原苏联210MW发电机自并励励磁系统的改造，其励磁容量相当于国内300MW发电机所需等级，已经原电力部科技司鉴定。

江苏扬州二电厂进口的600MW发电机自并励励磁系统的AVR就是由此改造的，山西神头电厂原捷克进口的500MW发电机AVR改造也是用的该厂产品。

2002年，南自院首先在新建的贵州安顺、黔北电厂各2台300MW发电机的自并励励磁系统项目取得订货合同。

（2）东方电机股份有限公司下属的控制设备有限公司开发的6ES型全数字双通道励磁装置，已于2001年初通过鉴定，并在新建的贵州黔北电厂后2台300MW发电机自并励励磁系统项目仁取得订货合同。

（3）哈尔滨电机厂有限责任公司开发的微机励磁调节装置于2001年通过鉴定，已在新建的贵州纳雍电厂2台300MW发电机项目，—亡取得订货合同。

（4止海电机厂有限责任公司在新建的贵州纳雍电厂后2台300MW发电机汀货合同中，其自并励励磁系统采用上海成套发电设备研究所开发的ABB公司散件组装的产品。

　　以上所述的AVR可用于各种容量发电机及三机励磁、无刷励磁和自并励励磁等3种励磁系统中。

三机励磁和无刷励磁属于旋转励磁机系统，励磁系统均由发电机制造厂成套。

如果采用自并励励磁系统，除了滑环、碳刷、刷握由发电机制造厂负责配供外，励磁系统可选择的供货单位就更多，国内已有先例，进口机组也有先例，如山东邹县电厂2台口立—东方合作型600MW发电机的自并励励磁系统就是采用ABB公司的，国产300MW发电机有选用ABB公司的，还有选用美国R·R公司的。

发展至今的AVR已非“国产的自并激静止励磁系统尚外于工业性试验”，在这一点上，水电机组走在火电机组的前面，值得学习。

　　2.6 关于开发自并励励磁系统的背景 

　　过去火电大机组都使用三机励磁系统，引进西屋公司300、600MW机组制造技术后，就有了无刷励磁系统，迄今运行情况良好，维护工作量也不多，但这2种励磁方式都是采用旋转励磁机，相对于自并励静止励磁系统而言，转动部件是关键。

如山东石横电厂最初2台引进型300MW发电机，由于外方误将60Hz的旋转励磁机套用在我国50Hz发电机上，其固有频率为2880r／min，接近50Hz，敏感而易引发振动超标，虽然原山东中试所做了大量调整工作，毕竟难以根治，以后的机组采取了励磁机小轴系加长300mm的办法，避开了其固有频率，轴系振动问题才得以彻底解决。

如果石横电厂300MW机组在原基础上进行改造，自并励励磁可能是方案之一。

　　1981年初在西屋公司维修中心参观时，曾看到有若干发电机转子在该中心维修。

无刷励磁具有不需要滑环、碳刷的优点，但所见被维修电枢直接安装在发电机转子轴上，必须连同发电机转子整体运回制造厂处理。

国内的交通运输条件与国外尚有差距，如遇到这种情况必将延长停机时间，即使有整体备用转子，也必须在制造公差上做到可以互换，这一点显然不如自并励励磁系统简单方便。

　　原水电部电科院在对自并励励磁系统进行研究后提出《大型汽轮发电机采用自励励磁系统的可行性分析》报告。

通过大机小网和大网系统暂态功角稳定影响及自并励励磁方式对继电保护的影响的研究后得出结论，认为“我国电网大型汽轮发电机推广采用自并励励磁系统是可行的：

（1）自并励励磁系统由于没有旋转部件，运行可靠性高。

（2）从暂态功角稳定要求考虑，大型汽轮发电机推广采用自并励励磁系统是可行的。

个别发电机采用自并励励磁系统时，高压出口三相短路，在较低强励倍数下（计算中为K=2倍，相当于国标计算方法的1.6倍），暂态功角稳定水平与时间常数为0.35s的常规励磁系统相比，基本相同。

而全网机组均采用自并励励磁系统时，在低强励倍数下，暂态功角稳定水平优于全网机组均采用0.35s的常规励磁系统。

强励倍数提高后，自并励系统的优势更加明显。

（3）从电力系统暂态电压稳定要求出发，大型汽轮发电机推广采用自并励系统也是可行的。

它不会降低系统的暂态电压稳定水平，而且可提高系统的暂态电压稳定水平，甚至町使在某些条件下暂态电压不稳定的系统为稳定。

（4）大型汽轮发电机采用白并励系统，不会影响主保护的可靠动作，也可保证后备保护正确动作，切除故障。

（5）自并励励磁发电机没有同轴旋转的励磁机，减少了机组的扭振模式，降低了轴系扭振损坏的可能性。

（6）自并励励磁系统参数的选择比常规励磁系统更为灵活，可根据不同电网的特点提出要求，以满足其需要” 

　　自并励静止励磁系统应用于水电系统似乎“理所当然、别无选择”，已有丰富的经验，但要推广采用到大型汽轮发电机上却经历了相当漫长的道路。

原先东方电机厂开发并推荐在宝鸡电厂300MW发电机上使用，但因当时担心宝鸡电厂地处陕西电网震荡中心而作罢。

随着管理体制改革，由计划经济转向市场经济，在原电力部科技司主持下，由华北电管局支持，在北京召开了自并励静止励磁的技术研讨会，会上建议推广该技术，可以先进口，如RolesRoyals公司和ABB公司的产品。

以此为契机，一批300MW机组工程项目几乎都采用了自并励静止励磁系统，而且2001年以来新的600MW机组：

工程项目，如定曲、嘉兴、台山电厂，也都选用了自并励静止励磁系统。

　　在原电力部的自并励励磁系统技术研讨会后，相当一批工程项目均采用自并激励磁系统，当时的客观条件是还没有国产化的成熟产品，采用进口自并励静止励磁系统的价格与国产旋转励磁机无刷励磁系统持平。

如果利用静止励磁系统，由于轴系缩短.300MW机组若在主厂房内能改为横向布置，机头直对锅炉房，则管道等布置将更方便，从而节省土建、安装费用。

国外甚至有将机头对锅炉、轴系横[甸偏斜、以缩短主厂房跨度的布置实例。

　　此外，励磁系统在大机组、大电网中已不宜仅视之为发电机的一个附属装置，它与电力系统密切相关，如现代的AVR都配有PSS功能。

牡丹江电厂改造后的经验证明，将PSS调试投入运行后，改善了故障后电网低频振荡，从而释放了电厂窝电，达到满发，取得了显著的经济效益。

根据现在的市场情况和贵州省10台300MW机组的招投标经验，已可做到如上述日立600MW发电机励磁系统的单独招投标配套厂。

　　美国100MW发电机的改造都采用了自并励励磁系统，这一点对我国的改造工作颇有参考借鉴价值。

实际上，我国已有田家庵等电厂改造的实绩。

根据加拿大的经验，迄今尚未发现电力系统中大量使用自并励励磁后对电力系统的负面影响，这是国内近几年来几乎新建工程都乐于采用自并励励磁系统的原因之一。

　　3希望与建议 

（1）今后火电大机组发电机容量将多发展600MW及以上、甚至1000MW级工程，自并励励磁系统中所需励磁开关若继续用直流开关，产品选用上将遇到更多困难。

根据河北200MW发电机改造用逆变加交流侧开关灭磁的经验，及邯峰电厂进口西门子公司660MW发电机也用逆变加交流侧开关灭磁的经验，最好进行系统总结并作必要的试验研究，开发出本地化的成套产品。

（2）要重视励磁系统既有的特点需要，又与电力系统密切相关，特别是要各方配合，将PSS功能调试投入使用。

　　（3）根据国内现有条件，可控硅与灭磁开关的本地化，应当说是具备了条件，如何发挥社会主义市场经济的社会主义优越性，有待于各方的关注与组织。

　　（4）根据参加招投标工作时遇到的情况，下列问题应予注意：

　　a.发电机不能只说额定功率，还要明确其额定容量。

为了扣除自并励励磁系统所需功率与容量后，计量系统布置设计要配合好。

　　b.由于自并励励磁系统的电源接自发电机出口，热稳定不是主要的问题，而机械稳定性应予充分关注。

　　c.不论是采用干式变压器或油浸式变压器，由于谐波与杂散磁场的影响，要考虑加大变压器的容量。

　　d.对引进型300、600MW发电机，其额定容量按过去的传统标准定为353、667MVA，实际上还有“最大连续容量”（按美国的做法，这就是额定容量）358（386）、727（728）MVA，励磁系统的容量当以后者作基数设计配套。

这是从美国引进大机组制造技术与以往做法的不同之处。

　　参考文献：

　　[1]河北省马头发电厂生技科，河北省电研所高压室，河北省电力局.SKM200发电机自动灭磁及滑差过电压保护装置技术报告[R].

　　[2]电力科学研究院系统所，大型汽轮发电机采用自并励励磁系统的可行性分析[R].

　　[3]西门子公司，河北邯峰电厂660MW发电机对静励系统交流侧与直流侧设断路器的研究[R].作者：

都兴有（国家电力公司科学技术委员会，北京100031）　来源：

《中国电力》2003年第1期