白石，兀鵬越，何信林，張登寶

(1.華能大慶熱電廠，黑龍江省大慶市163159;2.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安市710032)

0 引言

自并勵發(fā)電機組進行啟動試驗時，為了進行他勵狀態(tài)下的發(fā)電機短路試驗和空載試驗，需另設(shè)一路獨立的臨時他勵電源送至勵磁變壓器高壓側(cè)，該電源的容量要能夠滿足發(fā)電機短路、空載試驗時所需的勵磁電流。在發(fā)電廠內(nèi)，比較合適的電源是高壓廠用配電段電源，在機組啟動時，該段電源由獨立于機組的啟動變壓器提供。由于該電源屬于臨時性質(zhì)，因此不包括在設(shè)計院的設(shè)計范圍，需要試驗人員在現(xiàn)場進行選擇、計算。

如果臨時他勵電源未經(jīng)核算，有可能在機組整套啟動進行中才發(fā)現(xiàn)電源無法滿足啟動試驗要求，勢必影響整個機組試驗進度，有可能為機組順利投產(chǎn)帶來不利影響。因此，試驗前計算他勵電源，才能保證發(fā)電機機組的整套啟動試驗安全、順利地完成。他勵電源選擇計算的主要問題是當(dāng)發(fā)電廠高壓廠用電的電壓等級為6～10 kV，僅為勵磁變壓器額定電壓的1/3～1/2時，能否滿足發(fā)電機啟動試驗的要求。另外，當(dāng)勵磁變壓器臨時接至高壓廠用母線后，其原有設(shè)置在發(fā)電機變壓器組保護裝置中的勵磁變壓器繼電保護功能將失去作用，還需要設(shè)置臨時的保護，并結(jié)合發(fā)電機啟動試驗這一特殊過程，整定合理的專用保護定值。如果對此考慮不周，有可能出現(xiàn)發(fā)電機短路、空載試驗達不到預(yù)期結(jié)果，在某些意外故障下，甚至有可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。本文結(jié)合我國首臺空冷超臨界機組的啟動調(diào)試工作，對自并勵機組啟動試驗勵磁電源的選擇及保護定值計算進行研究。

1 機組簡介

1號機組的系統(tǒng)接線如圖1所示，圖中虛線部分是機組勵磁電源正式接線，在啟動試驗時需斷開。機組參數(shù)如表1［1］所示。

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2 勵磁電源的選擇計算

自并勵發(fā)電機勵磁系統(tǒng)見圖2。計算他勵電源的步驟為:(1)根據(jù)發(fā)電機特性曲線，確定試驗所需最大勵磁電流If，乘以試驗轉(zhuǎn)子溫度70℃時的轉(zhuǎn)子電阻R70，得到試驗所需勵磁電壓Uf;(2)根據(jù)三相全控整流橋關(guān)系式求得整流橋陽極電壓Us;(3)將陽極電壓換算到勵磁變壓器高壓側(cè)，與高壓廠用電壓比較，判斷他勵電源是否滿足試驗要求［1］。

2.1 發(fā)電機試驗最大勵磁電流的確定

根據(jù)發(fā)電機出廠資料，在發(fā)電機特性曲線上，可以查找空載、短路試驗時所需最大勵磁電流。

GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》［2］規(guī)定:“發(fā)電機電壓應(yīng)為定子額定電壓值的120%，對于發(fā)電機變壓器組之間無斷路器的情況，發(fā)電機電壓可以升到額定電壓值的105%”。查特性曲線(圖3)可知，發(fā)電機機端電壓為1.05Un時，空載勵磁電流約為2 017 A;發(fā)電機電流達到額定電流時，所需勵磁電流約為2 958 A。因此，最大勵磁電流為發(fā)電機額定短路試驗時的勵磁電流。

圖3 發(fā)電機特性曲線Fig.3 Characteristic curves of generator

2.2 計算試驗時的最大轉(zhuǎn)子電壓

發(fā)電機短路試驗時的轉(zhuǎn)子電壓為Uf=IfdR70，其中Ifd是勵磁電流。發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度無法直接測量，可以通過氫溫間接估算，轉(zhuǎn)子溫度比熱氫溫度高20～30℃。試驗時，熱氫溫度測量值為45℃，因此取發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度為70℃。經(jīng)計算得到 Uf=244.38 V。

2.3 確定陽極電壓

三相全控整流橋的可控硅導(dǎo)通角最小時，輸出電壓最大。勵磁系統(tǒng)最小導(dǎo)通角αmin=30°，勵磁變壓器低壓側(cè)電壓為

式中:Kc為強勵倍數(shù);Uf為發(fā)電機勵磁電壓;If為發(fā)電機額定勵磁電流;XΣ為勵磁變漏抗，一般取4% ～8%;ΣΔU為饋線回路電壓降之和，包括導(dǎo)通兩臂的硅元件的電壓降，線路電阻壓降和轉(zhuǎn)子碳刷與滑環(huán)之間的壓降，一般取2～4 V。

剛開始試驗時，XΣ無法確認，ΣΔU也取為估計值，因此，一般可以把回路總的電壓損耗估計為10%，αmin=30°，cosαmin=0.866。由于空載試驗時不考慮強勵作用，取Kc=1，則可以求得Us=232.25 V。

2.4 計算勵磁變壓器高壓側(cè)電壓

將陽極電壓折算到勵磁變壓器高壓側(cè)，得到Us=6.308 kV，該機組的高壓廠用電為6 kV等級。因此，該電壓基本與正常高壓廠用電一致，可以滿足啟動試驗要求。

2.5 提高試驗勵磁電流的措施

根據(jù)經(jīng)驗，高壓廠用電壓為10 kV等級時，完全可以滿足發(fā)電機短路試驗要求。

高壓廠用電壓為6 kV等級時，還要根據(jù)發(fā)動機電壓和勵磁變壓器的變比情況，判斷高壓廠用電是否滿足試驗要求。表2統(tǒng)計了部分機組的啟動試驗情況，可見他勵臨時電源無法滿足啟動試驗的情況比較常見。

表2 部分機組啟動試驗情況Tab.2 Unit start-up test

如果臨時電源無法達到試驗要求，可以采取以下措施:

(1)調(diào)節(jié)啟動備用變壓器有載調(diào)壓檔位，提高廠用母線電壓，原則上母線電壓不宜超過6.5 kV。

(2)改變勵磁變壓器的分接頭，如井岡山電廠3、4號機組在調(diào)整了分接頭以后，就可以滿足額定短路電流的試驗要求。某些國外的干式變壓器不帶分接頭，如海門電廠1、2號機組采用的ABB進口干式變壓器，就無法采用調(diào)整分接頭的辦法來解決這一問題，這在設(shè)備采購時要注意。

(3)修改勵磁調(diào)節(jié)器的最小導(dǎo)通角。為了防止顛覆的發(fā)生，一般來說最小導(dǎo)通角不能小于15°。

以上措施可以同時采用，以達到盡可能大的勵磁電流。也有可能采取了以上措施以后，仍然無法達到試驗要求的情況。這是因為設(shè)計勵磁變壓器的變比時未考慮到發(fā)電機啟動試驗這一特殊工況的要求，勵磁變壓器的變比偏大。例如，華能海門電廠1號機組，在整套啟動試驗時，短路電流只能達到額定電流90%，采取以上措施后，仍舊無法滿足試驗要求。后來在3號機組的建設(shè)中，將勵磁變壓器的變比改為27 00/1 100，才滿足了啟動試驗要求。

因此，作為調(diào)試人員，在機組啟動前應(yīng)該預(yù)先核算試驗電源的容量，準(zhǔn)備好應(yīng)對措施，才能保證試驗的順利進行。

3 勵磁變壓器非全壓沖擊過程分析

發(fā)電機整套啟動前，要由高壓廠用電向勵磁變壓器送電。由于這是勵磁變壓器的首次送電，有可能存在安裝、質(zhì)量問題，因此必須有繼電保護裝置在發(fā)生異常時可靠跳閘。原有勵磁變壓器保護設(shè)置于機組保護中，在啟動試驗過程中尚未投運，因此臨時試驗電源需要另設(shè)保護。自并勵系統(tǒng)中，勵磁變壓器的額定電壓為發(fā)電機電壓，由于6 kV高壓廠用電壓遠低于此，因此，這種情況下的勵磁變壓器勵磁涌流也不同于正常情況，見下文試驗及分析。如果按照正常全壓沖擊變壓器來整定保護定值，有可能會導(dǎo)致事故狀況下保護拒動。

2007年9月，在銅川電廠1號機組啟動試驗中，安裝單位錯將勵磁變壓器低壓側(cè)繞組安裝短路。沖擊勵磁變壓器時，由于速斷保護定值按常規(guī)考慮躲過勵磁涌流，導(dǎo)致動作值過大而未動作。幸虧還有過負荷保護延時10 s跳閘設(shè)置，但已經(jīng)使得勵磁變壓器在6 kV廠用電壓下短路運行10 s。所幸勵磁變壓器采用過負荷能力極強的干式變壓器，未對勵磁變壓器造成實質(zhì)性損害［3］。

3.1 變壓器非全壓合閘勵磁涌流分析

本文主要分析額定電壓下變壓器空載合閘勵磁涌流。單相變壓器一次回路電壓方程為

式中:φ為變壓器磁通;R為繞組電阻;Um為變壓器電壓峰值;ω為電壓頻率;α為投入時刻初相角［4-5］。

式(1)的解析解為

式中:φr為合閘時刻鐵芯剩磁;L為繞組電感［4］;φm的表達式為

式中Im為變壓器電流峰值。

式(2)中φ1為穩(wěn)態(tài)磁通;φ2為維持t=0時刻磁通不發(fā)生突變而產(chǎn)生的暫態(tài)磁通，其初始值大小取決于剩磁大小、極性和α。當(dāng)α=0時，φ2為最大值φr+2φm，當(dāng)剩磁 φr與 φm極性相同時，φr+2φm遠大于額定磁通。

φr的大小、極性取決于變壓器上次分閘的時間，這個時間是隨機的。剩磁一般為穩(wěn)態(tài)運行φm的20% ～30%［5］。

在變壓器額定電壓0°時刻合閘的情況見圖4，主磁通φ不對稱于時間軸，該磁通產(chǎn)生的勵磁電流i'0見圖5，也是不對稱的，其峰值可能達到變壓器額定電流的6～12倍。

3.2 低電壓下變壓器空載合閘勵磁涌流

勵磁涌流衰減以后，鐵芯中剩下穩(wěn)態(tài)磁通－φmcos(ωt+α)，見圖6，是一個對稱磁通，該磁通產(chǎn)生一個對稱的較小的勵磁電流i0.1，即變壓器正常勵磁電流，其值一般不大于額定電流的1%。

當(dāng)機組啟動試驗時，勵磁變壓器接于6 kV廠用母線，電壓僅為勵磁變額定電壓22 kV的27%，那么主磁通也只有額定主磁通的27%，則剩磁僅為額定主磁通的5.4%～8.1%。

因此，額定電壓22 kV的勵磁變壓器，接于6 kV廠用電源空載合閘時，即使φr與φm極性相同，產(chǎn)生的合成磁通也遠遠小于額定磁通，也即遠遠小于鐵芯勵磁特性曲線的飽和值，所以其產(chǎn)生的勵磁電流i0.2將比正常電壓下的勵磁電流i0.1更小。

圖6 正常及低于額定電壓時勵磁電流Fig.6 Magnetizing inrush current under at normal rated voltage or below rated voltage

將勵磁變壓器安裝正確后，再次進行的送電過程中，用錄波器記錄了低電壓情況下勵磁變的勵磁涌流情況，發(fā)現(xiàn)勵磁涌流幾乎為0，說明了以上分析的正確性。

4 勵磁試驗電源選擇及保護整定

4.1 機組啟動試驗所需最大試驗電流的確定

發(fā)電機啟動試驗期間的勵磁變壓器和轉(zhuǎn)子繞組的繼電保護由6 kV廠用臨時電源間隔提供，需要計算最大負荷電流，也即試驗所需最大電流。由發(fā)電機空載、短路特性曲線可知，發(fā)電機短路試驗時的勵磁電流為試驗所需的最大負荷電流。再將此電流折算到勵磁變壓器高壓側(cè)，來選擇開關(guān)間隔容量以及高壓電纜規(guī)格。

根據(jù)廠家提供發(fā)電機特性曲線，查得發(fā)電機短路試驗時的勵磁電流為2 958 A，再折算為交流電流2 413.7 A，則勵磁變壓器高壓側(cè)電流為88.9 A，該電流即機組啟動試驗時的最大試驗電流。

4.2 速斷保護的整定

變壓器在額定電壓下空載合閘時，速斷需要考慮躲過變壓器空載勵磁涌流，否則有可能導(dǎo)致變壓器空載合閘時速斷動作［6-8］。但根據(jù)上文分析，對于啟動試驗過程中，勵磁變壓器臨時電源接于廠用電源的情況，速斷保護動作電流Iop1只要避開低壓側(cè)三相短路電流即可，而不考慮勵磁涌流影響。

式中:Kre1為可靠系數(shù)，取1.2;Ik是勵磁變低壓側(cè)三相短路電流;na為CT變比。

4.3 過流保護整定

過流保護動作電流按保證變壓器低壓側(cè)兩相短路時有足夠的靈敏度來整定，即

式中:Ksen是靈敏系數(shù)。

動作時限t2與整流柜熔斷器配合，取t2=0.3 s。

4.4 過負荷整定

過負荷按短路試驗最大勵磁電流下能可靠返回整定。

式中:Krel取1.05;Kr為返回系數(shù)，取0.9;I1是勵磁變壓器一次側(cè)額定電流。

動作時限t3=10 s，可投跳閘，因為試驗過程一般不會過負荷，出現(xiàn)過負荷電流，也可認為故障狀態(tài)。

4.5 接地保護整定

設(shè)置一簡單零序過流保護，定值按照高壓廠用電6 kV母線接地電流整定，經(jīng)短時限跳閘。

4.6 熔斷器的保護配合

如果選擇負荷開關(guān)間隔，為了與熔斷器特性配合，不設(shè)速斷保護，而過電流時間與高壓側(cè)熔斷絲特性配合。

5 結(jié)語

(1)自并勵機組啟動試驗的臨時勵磁試驗電源需要預(yù)先核算，防止試驗過程中電源不能滿足試驗要求出現(xiàn)，延誤時間。

(2)啟動試驗時，勵磁變壓器臨時接于高壓廠用電源，由于該電壓遠低于額定電壓，在變壓器空載合閘時產(chǎn)生6～8倍額定電流的勵磁涌流，并不會出現(xiàn)可觀的勵磁涌流。

(3)進行自并勵機組啟動試驗臨時電源的保護整定時，速斷及過流保護不考慮勵磁涌流，這是完全符合實際情況的。

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