文档介绍：第一章发电机励磁系统的发展及现状
§1-1 励磁主回路的发展动态
在上世纪60年代以前,同步发电机基本上都是采用同轴直流励磁机的励磁方式,由于当时发电机单机容量不大,输电线路不长,因此基本上能满足当时的要求,但直流励磁机维护困难,炭刷易产生火花,换向器易于磨损,随着发电机单机容量的增大,励磁容量也相应增大,当汽轮发电机单机容量达10万千瓦,励磁机容量已近500千瓦,而同轴的转速为每分钟3000转的直流电机,受限于换向的极限容量仅为500千瓦。当时大容量发电机或是用齿轮减速后驱动直流励磁机,或是用带大飞轮的独立驱动的电动发电机供励磁。
后来,随着硅整流元件出现,直流励磁机逐步被同轴交流励磁机和整流器代替,交流励磁机的容量基本上不受限制。在1960年代,当时的第一机械工业部委托电器科学研究院,组织了汽轮发电机三机交流整流励磁系统的全国统一设计。这种方式在大型汽轮发电机上一直延用至今。为减小时间常数,交流励磁机通常采用频率100-250周,中频付励磁机用350-500周,早期中频付励磁机采用感应子式,转子上无绕组,近年来已逐步被永磁发电机所代替。
1960年代初,可控硅元件刚出现,电流、电压定额较低,所以他励式可控硅静止励磁用得较少。可控硅主要用在三机交流整流励磁系统主励磁机的励磁控制上。应该指出1960年代末期天津电气传动设计研究所,在发展我国各种主回路励磁方式上,起了很大作用,例如在1969年率先研制,并在天津第一发电厂4#机25MW汽轮发电机上,投运了直流侧电流相加的自复励可控硅励磁系统,并励部分用的是三相半控整流桥。串联部分用的是三相二极管整流桥。1971年投运了由天传所设计,上海华通开关厂、上海整流器厂、上海电机厂参与生产的富春江2#机60MW发电机的自复励可控硅励磁系统,容量为当时国内最大。并励的功率部分用的是三相半控整流桥,限于当时,富春江水电厂的可控桥臂是由(700V,200A)可控硅元件4串6并组成。此外天传所还为长办试验电站陆水电站8800KW发电机设计了他励可控硅励磁系统,可控硅整流桥用三相全控桥,整流桥每臂SCR 2串5并,于72年投运。后来这种方案天传所还用在南桠河、渔子溪水电厂二台4万KW发电机上。与此同时,在参照河北省岗南水电站从日本进口的10MW抽水蓄能发电机励磁的基础上,还设计出了可控相复励的励磁系统,在湖北省一台10MW调相机上运行。整流器是不可控的,是靠改变相复励变压器电压绕组上的电压来调节,后者由饱和电抗器L控制,本方案可靠性高,缺点是相复励变压器,饱和电抗器体积大。动态响应差。
图1-1 可控相复励
1970年代中期,天传所还为河南安阳发电厂一台10万KW汽轮发电机研制了无刷励磁装置,同时还参加了从英国Brush公司引进的一台23MW燃汽轮发电机的无刷励磁系统的仿制。同一时期,为给葛洲坝电站励磁方案进行中间试验,天传所(东方电机厂参加)在湖南省花木桥电站进了交流侧电压相加的自复励磁系统的研制。
在中小型发电机上,天传所还推出了双绕组电抗分流励磁调节系统,国内还开发过谐波励磁系统,最大的一台是用在河北邯郸马头电厂#25MW汽轮发电机上。
图1-2 谐波励磁系统
大型发电机定子电压高,谐波绕组和主绕组绝缘困难,制造工艺复杂。谐波励磁只适用中小电机。现在美国GE公司生产的P棒励磁系统也是在发电机定子槽内安放附加绕组(不是谐波绕组),作为励磁供电电源。
1970年代中期,南京热电厂进口了一台125MW意大利制造的汽轮发电机,采用他励可控硅励磁,励磁机本身用不可控相复励,意专家来调试,曾遇困难,不稳定,最后由我国的技术人员调试成功,在此期间,富春江水电厂从法国进口了5#、6#机,励磁为自复励励磁系统,其自励部分和复励部分的直流侧电压串联相加,这种方式比较特殊。应指出,1960年代在大容量发电机励磁研究方面我国受到苏联影响,在新安江九号机10万KW水冷发电机上,也是采用了交流侧相加的自复励系统。这时串联变压器原边的电流要在付边转换为电压,变压器铁心中要嵌入空气隙,导致串联变压器体积庞大,鉴于当时可控硅容量无法满足要求,整流器采用了汞弧整流器,后者有玻壳的和铁壳的。(当时苏联斯大林格勒到古比雪夫的长距离输电也是用汞弧整流器)。国内电车供电电源当时也是用汞弧整流器(缺点是对环境有污染)整流得到的。此方案由哈尔滨电机厂和东北的中试所和设计院等研制成。
图1-3 直流侧电压串联相加的自复励(法国方案)
发电机自并励方案,在国内电力部门受旧观念束缚,长期认为自并励不可靠,无强励能力,故障时无足够短路电流,不能保障继电保护正确动作,在这方面清华大学等曾进行了卓有成效的研究,并且指出自并励的优点,动态响应快,适当提高强励倍数等,它的缺点是可克服的。国内例如河北工学院电工