发电机灭磁回路改造研究

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一．前言

新乡火电厂#5发电机为三机交流励磁系统，原灭磁系统设计采用的是短弧栅原理的DM2型来分断发电机转子回路进行灭磁。由于该开关在材质、结构上存在的不足，运行中发现了不少问题，给励磁系统的可靠性带来了隐患。为此，我们采用主励磁机磁场回路灭磁方式取代常规的发电机转子回路灭磁开关进行灭磁，对#5机灭磁系统进行了改造，并进性了全面的灭磁性能试验，事实证明该项改造是成功的。这是我们对发电机灭磁理论和灭磁方式长期研究的实践，也是我们为全国同行做出了有益的尝试。

二．灭磁方式的发展历程

在主要采用直流励磁机作为发电机励磁电源的年代，普遍采用发电机转子回路装设大容量直流灭磁开关的灭磁方式。对直流励磁机系统采用这种灭磁开关，有以下原因和作用：

1、直流励磁机残压较高，即使直流励磁机电流减少到零，如果发电机转子回路不断开，发电机机端电压仍可能达到额定值的20左右，这样可能造成发电机电压不能降低到故障点电弧的熄灭电压以下，大大扩大发电机的损坏程度。

2、早期的发电机转子阻尼较弱，运行功率因数较低，在发电机转子回路里装设灭磁开关可以提高灭磁速度，效果较好。

3、早期的发电机一点接地保护不完善，并允许发电机定子一点接地后继续运行。因此，发电机由定子一点接地发展成二点接地的故障的机会就会大大增加，由于定子绕组二点接地故障引起的铁芯烧坏的事故相对较多，因此采用快速灭磁可以限制定子二相对铁芯短路时铁芯的烧坏程度。

4、发电机转子额定电流较小，一般为几百安培，当时直流开关制造上没有困难，运行比较可靠。

六十年代后期，由于硅整流装置的发展，国内外大型汽轮发电机绝大部分采用交流励磁机整流系统或可控硅励磁系统。我国生产的100MW—600MW的发电机目前大部分采用此励磁系统，额定转子电流增大到1500—4000A。对这些发电机，其灭磁方式仍采用直流励磁机系统在发电机转子回路上装设大容量直流灭磁开关的灭磁方式。目前采用的直流灭磁开关多为50年代仿苏产品DM2—2500型开关。该开关在运行中发现不少问题：

1、由于该开关材质硬度不够，制造质量差，机械机构不灵，电气接线不合理，经常发生误跳、拒动。

2、小电流下分断时，由于磁吹力较弱，不能将电弧吹进灭弧栅，有可能将开关烧坏并产生过电压。

3、安装调试与维修复杂。由于安装、调试、维护不当而引起的开关故障时有发生。

4、热容量不能满足大机组的要求（例如200MW发电机额定励磁电流1840A，1.8倍强励时可达3310A，DM2开关额定电流仅有2500A）。

由于存在上述问题，灭磁开关成为发电机安全运行急待解决的关键问题。当今围绕解决灭磁开关存在的问题有以下改进方法：

1、DM2操作机构改进。改进后的灭磁开关减少了拒动与误动的机会，在一定程度上提高了灭磁系统的可靠性，但对小电流灭弧能力及断流容量不足并无改善。

2、灭磁系统操作程序改进。在正常启、停机及外部故障引起的保护动作，只对主励磁场回路灭磁，只有在发电机内部故障主保护动作时，才跳DM2开关。这种方式虽然可以明显减少DM2的操作次数，减少维护工作量，但不能解决DM2存在的问题。

3、采用DM2开关并联熔丝的非线性电阻灭磁。DM2只起开断作用，不起灭磁作用，可以防止开关烧坏，但当DM2开关拒动时，熔丝和非线性电阻等于虚设，发电机不能灭磁。而该开关误动时，发电机照样灭磁，造成事故，而且每灭磁一次，就必须更换一次笨重的熔丝，增加了运行复杂性。

以上改进方案，虽然取得了一定的成效，但由于仍然采用大容量的磁场开关（或其他耗能元件），使回路结构复杂，调试、安装工作量大，且费用较昂贵。其中许多方案仍然保留DM2开关，由于大容量直流开关价格贵、运行维护、调试困难，要求较高，而其运行可靠性不能得到保证，所以隐患依然存在。

三．灭磁方式的研究

1、近代大型同步发电机为了保证并列运行的稳定性，都装有阻尼绕组，其时间常数有2—3秒，和励磁绕组统一数量级，不能忽略。

2、阐明了“同步发电机灭磁是指发电机内整个气隙磁通减少为零的过程该磁通不仅由励磁绕组电流产生，而且由阻尼绕组、电枢绕组的电流产生和维持，纠正了把灭磁等同于励磁电流衰减的概念。

3、发电机快速灭磁是在发电机带负荷运行时，内部发生短路故障时才需要的，此时励磁绕组瞬变时间常数很小，快速灭磁作用不大，而大部分磁场能量转移到阻尼绕组及实体转子，其灭磁过程主要由阻尼绕组决定。

4、发电机带负荷运行时，特别是高功率因数运行，不仅产生纵轴电枢反应磁通，还产生横向磁通，灭磁开关对这部分磁通是无能为力的。

5、发电机定子一点接地保护性能完善，使得发电机定子绕组两点接地烧毁铁芯的事故极少发生。

由以上分析可得出结论，作为实现“快速灭磁”得发电机励磁回路得灭磁开关并不能起到预期得作用，但危害性很大。

经过对国外灭磁方式的研究和借鉴国内同行的经验，我们决定采用主励磁机励磁回路灭磁的“三保险”措施。首先采用逆变灭磁，短时跳开灭磁开关LMK，然后由主励磁机励磁回路并联的二极管和非线型电阻来灭磁的方式来保证灭磁的可靠性。该灭磁方式有以下优点：

1、提高了发电机安全运行的可靠性，避免了灭磁开关拒动、误动、烧坏等事故及其操作过电压带来的危害。

2、减少了开关的维护、修理工作量，减轻了工人的劳动，提高了工作效率，节约了大量维护费。

3、节省大量投资。MD2开关性能容量已经不能满足需要，而开发新的开关需要投入大量的资金、人力、物力，即使开发出新开关也不一定完全满足灭磁需要。

4、减少了与灭磁开关相配套的过电压保护装置，不仅节约了费用，而且避免了由其性能及可靠性引起的事故。

四、改造说明：

图一：改造前一次回路接线图

图二：改造后一次回路接线图

说明：

1、灭磁开关MK短接，将灭磁回路进行简化，取消非线性电阻；

2、主励磁机回路中增加一LMK开关屏，灭磁开关LMK串入1K、2K、3K出口至主励转子绕组回路中，对主励磁机磁场进行灭磁；

3、原MK控制回路改为LMK控制回路；

4、保护出口继电器BHZ动作时启动逆变灭磁及联跳LMK开关；

5、主励磁机励磁回路首先采用由微机自动调节器逆变灭磁，短时跳开LMK开关，由并接在主励磁机转子回路的续流二极管和电阻进行续流。

五、改造效果：

表一：空载灭磁试验数据表

试验方法

参数

数据

UF

（KV）

IL

（A）

UL

（V）

UJL

（V）

定子电压衰减到0.1倍的时间（S）

转子电流衰减到0.1倍的时间（S）

跳MK

试验前

15.75

645

128

102

6.14

0.5

试验后

0.22

1

10

逆变跳

LMK

试验前

15.75

645

127

103

14.8

1.8

试验后

0.402

10

3

2

从上表可以看到，采用逆变并跳LMK开关的试验中，逆变先动，在15ms内将主励磁机励磁回路电流衰减到零，又经过10ms，将LMK跳开。LMK不起断流作用，大大减少了LMK开关的维护工作量，增加了灭磁系统的可靠性。同时灭磁效果令人满意，达到了预期目标，明显改善开关的工作条件。自2001年11月投运以来，#5发电机励磁系统未出现任何异常现象，经过多次停机灭磁的考验，表明这次改造是成功的，达到了简化灭磁系统操作、减少维护工作量、提高灭磁可靠性的目的，受到了省局领导和运行人员的一致好评。

六、改造后的经济效益：

1、对于新建200MW汽轮发电机组，取消灭磁开关及屏体，每台机组可节省设备费、安装调试费等约30万元；

2、对于已经投运地200MW汽轮发电机组，取消灭磁开关，每台机组按3年为一大修周期计算，可节省大小修、临检、异常处理及调试费用20万元；

3、对于200MW汽轮发电机组，因灭磁开关异常或故障导致停机一次，每台机组按2小时内恢复正常200MW负荷计算，可节省机组启动费用约30万元，避免少发电量40万度；

4、大型汽轮发电机组因灭磁开关异常或故障，将对电网产生巨大的冲击，严重影响电力系统的安全、稳定，导致电力系统电压品质恶化，给用户造成无法估计的损失。