摘要：锦界电厂三期工程已经进入主机选型招标阶段，从国内三大主机厂励磁方式的选择来看，既有自并激静止励磁系统，也有无刷励磁系统，本文希望通过对励磁系统方式的比较和分析研究，为锦能公司三期发电机励磁方式的选择提供依据。
关键词：励磁方式；选型；分析
中图分类号：TM63 文献标识码：A
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的性能直接影响发电机的运行特性。励磁系统性能的优劣，其各部件质量的好坏，是影响整个机组安全、经济、满发的重要因素之一。同时，励磁系统性能也对电力系统有一定的影响。自并励励磁系统以其响应速度快，发电机轴系短，经济等特点，在国外大型发电机组中早已得到广泛的应用。
1 1000MW大型发电机组的几种主要励磁方式：
目前国内外600MW机组及以上大型机组的励磁系统主要有以下两种方式：
1.1 自并激静止励磁系统
也称有刷励磁系统，发电机励磁电源取自发电机端，经大容量励磁变压器、可控硅整流供给发电机励磁。国际上使用自并激励磁系统的公司主要有：ABB、美国GE公司、东芝、日立等。国内东方电机厂引进的日立技术，亦为自并激励磁系统，邹县、绥中、灵武电厂发电机为东方电机厂制造生产，励磁系统均为自并激静止励磁系统。
1.2 无刷励磁系统
它由带旋转整流器的交流励磁机、永磁副励磁机及自动电压调节器等几部分组成。无刷励磁系统根据其主励磁机的励磁电源的来源，可分为两类：一类为主励磁机励磁电源取自付励磁机（永磁式）的无刷励磁系统，即他励无刷励磁系统，一类为主励磁机励磁电源取自发电机端，有发电机机端经小容量的励磁变、可控硅整流，供给主励机励磁，即自励无刷励磁系统。
2 无刷励磁系统概述
在他励和自励交流励磁机系统中，发电机的励磁电流全部由可控硅（或二极管）供给，而可控硅（或二极管）是静止的故称为静止励磁。在静止励磁系统中要经过滑环才能向旋转的发电机转子提供励磁电流。滑环是一种转动接触元件。随着发电机容量的快速增大，巨型机组的出现，转子电流大大增加（3000～5000安培），转子滑环中通过如此大的电流，滑环的数量就要增加很多。为了防止机组运行当中个别滑环过热，每个滑环必须分担同样大小的电流。为了提高励磁系统的可靠性取消滑环这一薄弱环节，使整个励磁系统都无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系统，如图1所示：
副励磁机FL是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚线框内。为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是电枢是旋转的。其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的转子回路作励磁电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。
主励磁机的励磁绕组JLLQ是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。静止的励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维持发电机端电压保持恒定。如图2所示。
在方案一中，考虑到励磁机励磁绕组LLQ的时间常数，其响应速度较慢。为了提高响应速度可以采用方案二，就是将可控硅整流桥装设旋转部分，代替方案一旋转部件中的二极管整流桥。方案二中由中频副励磁机ZPF供电给交流主励磁机JL的直流励磁绕组JLLQ。可控硅的触发脉冲由同轴旋转的触发脉冲发生器PG供给。
3 自并励静止励磁系统概述
励磁机本身就是可靠性不高的元件，可以说它是励磁系统的薄弱环节之一，因励磁机故障而迫使发电机退出运行的事故并非鲜见，故相应地出现了不用励磁机的励磁方案。自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制。
4 不同励磁方式的性能比较
4.1强励倍数及响应比比较
强励倍数，即强行励磁电压与励磁机额定电压Ue之比。无刷励磁系统由于外特性较硬，不受机端电压波动的影响，在系统扰动需要强励时，能较好的强励。自并激静止励磁系统的强励电压和电流倍数均可达到2倍，但1000MW大型发电机组无刷励磁系统的强励倍数一般只能做到1.8倍，而强励倍数的大小对增加电力系统的稳定性、短路切除后，电压恢复速度、过流保护动作的可靠性等暂态功角稳定影响较为明显，且自并激励磁系统励磁响应速度快，其强行励磁时起始电压响应速度比较高，对于远距离输电满足电力系统动态稳定要求是非常有利的，我公司接入系统报告虽未完成，但从目前来看，不管是接入河北南网，还是接入特高压电网，均处于电网的末端，自并激励磁系统可以通过变压器灵活地选择强励倍数，可以较好地满足电力系统暂态稳定水平的要求。因此自并激励磁系统在上述方面优势较为明显。
4.2 对继电保护的影响
（1）采用自并激静止励磁系统时，由于发电机的励磁电流取自发电机端，因此发电机机端电压变化将对励磁输出产生影响，若强励倍数较低时，发电机机端及近端短路时，电流衰减快，后备保护有可能拒动。若强励倍数达到2倍时，短路故障对电流衰减基本没有影响。
（2）采用他励无刷励磁系统时，由于励磁电源取自独立的永磁励磁机，其功率来自发电机端，因此发电机机端及近端短路时，其励磁功率不受影响，短路电流的衰减不会影响励磁电流，主保护及后备保护不受影响，均能动作。
（3）采用自励无刷励磁系统时，虽然其主励磁机励磁电源取自发电机机端，但因为采用外加直流励磁电源，其励磁外特性较好，发电机机端及近端短路均不影响主保护及后备保护的动作。同时由于发电机的励磁电源是经主励磁机供给的，增加了励磁系统的时间常数，因而短路电流的衰减较慢。
（4）无刷励磁系统在发电机组出口附近发生短路故障时，强励能力强，有利于提高系统的暂态稳定水平，自并励可控硅励磁系统的缺点是它的励磁电源来自发电机端，受发电机机端电压变化的影响。当发电机机端电压下降时其强励能力下降，对电力系统的暂态稳定不利。 4.3 灭磁性能的比较
发变组回路发生电气短路或接地故障时希望尽快切除故障，对于自并激静止励磁系统，由于断开灭磁开关后能对发电机转子回路直接灭磁，因而灭磁较快。而他励无刷励磁系统和自励无刷励磁系统，不能对发电机转子励磁回路直接灭磁，只能在主励磁机磁场回路中设置灭磁装置，发电机励磁绕组只能靠自然衰减灭磁，因而发电机的灭磁时间较长，故障电流衰减慢，延长发电机内部故障时间。同样在主变压器故障时，延长了主变压器内部故障时间。
4.4 检测及报警问题比较
自并激静止励磁系统的静止整流器故障信号容易发出，同时由于有备用的静止整流器，可在不影响机组运行条件下更换故障整流器，既方便，又不致引起机组停机。对于无刷励磁系统，旋转整流器在故障或保险丝熔断时需要有一套特殊的装置，同时旋转整流器在故障或保护熔断丝熔断超过一定数量时，只能靠停机来更换处理。
无刷励磁系统，无法用常规方法测量转子电压和电流，监视发电机励磁回路的绝缘。但对自并激励磁系统，就不存在此问题。
4.5 运行维护比较
无刷励磁系统励磁电源独立，不受系统电压波动干扰，强励能力不受发电机短路和电网电压大幅度下降的影响，可靠性高。自并励励磁系统正常运行时由于自动电压调节器调节可控硅导通角，从而直接调节供给发电机转子绕组的励磁电流，所以调节快速；而采用无刷励磁时，则自动电压调节器是调节旋转交流主励磁机自产磁场回路，其时间常数长。自并激静止励磁系统虽然在发电机变压器组高压母线近处发生三相短路时，机端电压大幅下降，强励倍数受到影响，对系统稳定性有影响，但因电网都配有快速动作的继电保护装置及快速断路器，能够将短路故障快速切除，一旦故障切除，发电机端电压即迅速恢复，由于其调节速度快，转子励磁电压在几个周波内就达到顶值。因此自并励励磁系统对改善暂态稳定效果比无刷励磁系统效果好。
4.6 安装及维护比较
无刷励磁系统整流器组件安装要求高，由于无碳刷，旋转部分工作在密封环境中，工作环境较好，也无碳粉问题，正常运行时维护工作量小。但整流元件及熔断丝故障超过一定数量时，维修及更换元件需停机，故障检修工作量更多。
自并激静止励磁系统安装较为简单，由于有碳刷、封母、励磁开关、励磁变、大功率整流硅元件等暴露在空气中，工作环境较差，易发生故障，必须经常性的对集电环-碳刷系统进行检查和精心维护，因此日常运行维护工作量相对较大，维护不当会产生局部过热、火花和烧坏，碳粉处理不当将降低励磁回路的绝缘可靠性，但由于其除滑环外无旋转部件，维修一般不需要停机，元件更换方便。
4.7 经济性比较
无刷励磁系统旋转整流元件需进口，价格昂贵，故机组成本较高；且由于自并激励磁系统无主、副励磁机及旋转整流装置在发电机的大轴上，从而缩短了发电机组的轴系，降低了发电机的造价；同时由于缩短了汽轮发电机组基座长度，也使投资减少。因此，采用自并励励磁系统发电机组比采用无刷励磁系统发电机组造价低，性能价格比高。
5 自并激静止励磁系统设计、选型中应注意的问题
大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统在设计、选型、调试、运行中需要注意以下问题， 才能充分发挥其响应快、稳定性高等优点， 真正提高机组、电网稳定运行水平。
（1） 励磁变压器一般应采用环氧树脂干式变压器，加装外壳，同时设置温控及温显系统；变压器应采用三角形2星形接线，并考虑到在一次电压为80 %额定电压值时仍能保证所需的顶值电压值， 提高系统的强励能力；应采取相应的措施防止励磁变压器的电源投入或切除等过程中变压器会产生过电压。
（2）在发电机电压建立前， 励磁变压器不能提供励磁电源， 所以在系统设计时必须考虑起励回路及相应设备；并考虑发电机第一次启动及大修结束后作发电机短路、空载试验时为自并激系统提供的试验电源。
（3） 励磁功率整流桥的接线方式易采用可控硅全控桥。由于机组容量较大，建议选择大电流、高电压元件组成的整流桥。
（4） 为满足并联功率柜投入和切除操作需要，应在可控硅整流桥支路的交流侧及直流侧设置高绝缘水平刀闸或断路器， 方便功率柜的投入、切除操作， 以利运行、检修。
结语
自并激静止励磁系统由于运行可靠性高、技术和经济性能优越的原因， 现已成为1000MW大型汽轮发电机组的主要励磁方式之一，只要设计、调试、运行、检修人员熟悉掌握其特点并注意其问题所在， 1000MW机组应用自并激静止励磁系统是完全可行的。因此，我公司三期工程4*1000MW发电机组推荐采用自并激静止励磁方式。
参考文献
【1】薛学斌.1000MW机组发电机励磁方式的选择[J].电工技术， 2008（01）.
