内蒙古岱海发电有限责任公司（以下简称岱海 发电公司）一期1号机组汽轮机由上海汽轮机厂有 限公司制造，型号为N600-16.7/538/538，亚临界、中 间再热、四缸、四排汽、单轴、冷凝式汽轮机，最大连 续出力648.6MW（T-MCR工况）；发电机为上海汽 轮 发 电 机 有 限 公 司 生 产 的 水 —氢 —氢 冷QF- SN-600-2型汽轮发电机；锅炉型号为B&WB-2028/ 17.5-M，为北京巴威公司制造的亚临界参数、自然 循环、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、全钢构架、 П型单锅筒锅炉，额定蒸发量2028t/h。1号机组采 用瑞士ABB公司制造的自并励静止励磁系统，系统配置主要分为励磁变压器、数字式UNITROL5000自 动电压调节器（以下简称AVR）、可控硅整流桥、灭 磁与过电压保护装置、启励装置5部分。 1.2 励磁系统工作原理

系统从发电机端部经三相封闭母线连接至励 磁变压器的一次侧，励磁变压器的二次侧经三相封 闭母线连接至可控硅整流桥，可控硅整流桥输出连 接至发电机转子滑环。AVR根据测量的发电机电 压、电流计算出有功功率、无功功率、功率因数，并 根据实际运行工况计算所需脉冲，控制可控硅整流 桥的输出，即控制发电机励磁，从而控制发电机运 行。自并励静止励磁系统在发电机无电压输出或 电压低于5%空载额定电压时，可控硅整流桥无整流 电压输出。此时启励装置借助于厂用220V交流电 源经整流二极管、接触器、限流电阻将起励电流送 入发电机转子绕组中，起励电压可通过软件参数设 定。在起励阶段，当AVR测量到发电机电压达到预 先设定值时，则即刻自行切换至AVR控制，即起励 装置的输出自行断开，由AVR控制可控硅整流桥输 出，保持发电机电压达到预设值。励磁系统工作原 理如图 1所示。

图 1(Figure 1)

图 1 励磁系统工作原理

为响应国家节能减排号召，缓解电力供需矛 盾，岱海发电公司于2010年正式实施1号机组增容 改造系列工程。机组增容改造具体方案为：1号机 组由600MW增容至630MW；发电机额定氢压由 0.4MPa调整为0.45MPa。根据机组增容后的参数 对发电机定子内冷水系统进行改造，励磁控制、整 流、灭磁及起励部分基本不变，集电环装置基本不 变，励磁变压器容量具有在630MW（额定功率因数 0.9）出力下满足各种工况（包括强励）长期运行的能力。机组增容改造前、后电气系统参数变化见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 1号机组增容改造前、后电气系统参数

表 1 1号机组增容改造前、后电气系统参数

1号机组增容改造前，岱海发电公司根据机组 增容后电气参数的变化对励磁变压器、灭磁开关、 灭磁电阻、阻容吸收过电压保护装置等涉及励磁系 统安全稳定运行的各项设备参数进行分析计算，以 确定需要更换的设备及设备参数。 3.1 励磁变压器二次侧线电压

励磁变压器二次侧线电压UL计算公式如下：

X_e —换弧电抗，Ω；

ΣΔU—滑环和线路等压降之和，V；

U_fd—发电机额定励磁电压，V；

I_fd—发电机额定励磁电流，A；

αmin—可控硅最小触发角，励磁调节器允许可 控硅最小触发角为15°。

为简化计算，根据经验数据，将换弧压降、线路 压降及滑环压降取为二次侧电压的10%，公式（1）可 简化为：

《GB/T7409.3—2007 同步电机励磁系统大、中 型同步发电机励磁系统技术要求》5.3、5.4章节要 求：对于励磁电源取自发电机机端的电势源静止励 磁系统，其励磁顶值电压倍数应按发电机额定电压的80%计算；励磁系统的顶值电流应不超过2倍额 定励磁电流，允许持续时间应不小于10s ^[1]。综合上 述两方面的要求，强励电压倍数K_C取2.5。

考虑到机组增容，要求励磁变压器容量具有在 630MW（额定功率因数0.9）出力下满足各种工况 （包括强励）长期运行的能力。励磁变压器二次侧 线电压为：U_L =1.1×2.5×424/ （1.35×cos15°）=894.2 V，取950V。 3.2 励磁变压器二次侧线电流

GB/T7409.3—2007 5.2章节要求：当同步发电 机的励磁电压和电流不超过其额定值的1.1倍时， 励磁系统应能保证长期连续运行^[1]。因此励磁变压 器二次侧线电流IL取额定励磁电流的1.1倍，计算公 式如下：

K_L—整流系数，取值1.22。

考虑到机组增容，要求励磁变压器容量具有在 630MW（额定功率因数0.9）出力下满足各种工况 （包括强励）长期运行的能力。励磁变压器二次侧 线电流为：I_L=1.1×4317/1.22=3892.4A。 3.3 励磁变压器容量

考虑励磁变压器所带负荷为整流性负荷，谐波 分量较多，对应谐波损耗也较大，根据经验数据，谐 波损耗取12%。励磁变压器容量为：S=U_LI_L× 1.12=1.732×0.95×3892.4×1.12=7173.1kVA，取7200 kVA。 3.4 结论

根据上述计算结果，确定励磁变压器的额定容 量为7200kVA，二次侧线电压为950V。1号机组增 容改造前、后励磁变压器参数比较见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 1号机组增容改造前、后励磁变压器参数比较

表 2 1号机组增容改造前、后励磁变压器参数比较

岱海发电公司1号机组励磁系统采用瑞士赛雪 龙公司生产的型号为HPB60M-82S的高速直流断路 器，设备参数见表 3。该断路器为双向单极型设备， 具有电磁熄弧、电动接通、直接瞬时电流过大释放或间接高速释放与自然冷却等特点。以下针对机 组增容后灭磁开关弧压2800V能否满足安全要求 进行核算。

表 3(Table 3)

表 3 HPB60M-82S型高速直流断路器技术参数

表 3 HPB60M-82S型高速直流断路器技术参数

磁场断路器断口弧压U_DCarc应不小于磁场断路 器断开时灭磁电阻的最高灭磁电压URPL和励磁整流 装置输出的励磁电源电压UEL的代数和，即：U_DCarc≥ U_RPL+U_EL。

考虑到发电机最严重的灭磁工况——空载误 强励时，根据计算机仿真结果及实际故障录波图可 知，机端电压上升的最大可能值为1.45倍的机端电 压^[2]。励磁电源电压UEL最大值为：U_EL=1.414× 1.45U_T2=1.414×1.45×950=1947.8V，式中，U_T2为励磁 变压器低压侧二次线电压额定值。

岱海发电公司1号机组励磁系统的灭磁电阻采 用英国M&I Materials公司生产的600A/US16/P Spec.6928 SiC非线性电阻，单个组件能容为1MJ、4 组并联方式。该型灭磁电阻伏安特性公式如下：

C—非线性电阻位形系数，厂家提供C的取值 范围为29～40，典型数据取35；

n—非线性电阻串联片数；

I—通过非线性电阻电流，A；

m—非线性电阻并联组数；

β—非线性电阻系数，典型数据取0.4。

考虑到系统中励磁电流速断定值设置为2.49 倍额定励磁电流，因此，伏安特性计算公式（4）中I 取2.49倍额定励磁电流，即I=2.49×4317=10749.3 A。则：U_RPL=35×1×（10749.3/4）^0.4 =823.75V。

因此，励磁系统的安全裕度系数K为：K=2800/ （1947.8+823.75）=1.01。上述计算过程中灭磁电阻 的最高灭磁电压采用的是励磁电流速断定值，而励 磁整流装置输出的励磁电源电压采用的是空载误 强励最大可能电压。由于2个最大值不会同时 出现，因此安全裕度系数为1.01是允许的。机组增容后，系统继续选用 HPB60M-82S高速直流断路器符合系统安全稳定运 行的要求。 4.2 灭磁电阻

灭磁电阻的容量应在发电机最严重的灭磁状 态——空载误强励工况下进行计算。根据计算机 仿真结果及实际故障录波图可知，机端电压上升的 最大可能值为1.45倍机端电压^[2]。空载时，转子磁 场储能W_fo计算公式如下：

T_d0′—发电机直轴开路暂态常数；

R_{f （75℃）}—75℃时发电机转子电阻，Ω。

根据公式（5）计算，空载时，转子磁场储能为： W_fo=0.5×1480² ×8.61×0.0936=0.883MJ。

空载误强励时，转子磁场储能W_fc和灭磁电阻耗 能W_rd计算公式分别如下：

K₂—能耗分配系数，取值0.6。

根据公式（6）、（7）可以计算出转子磁场储能W_fc 为3.532MJ、灭磁电阻耗能W_rd为2.76MJ，则灭磁电 阻能耗裕度为：4/2.76=1.54，因此，机组增容后，继续 选用600A/US16/P Spec.6928 SiC非线性电阻、单个 组件能容1MJ、4组并联方式是安全可行的。 5 结语

机组增容改造前进行励磁系统相关参数计算 分析，不仅可以确保励磁系统的改造能满足机组增 容后长期安全稳定运行的要求，也能避免励磁系统 改造中设备更换的盲目性，在确保安全的前提下保 证机组运行的经济性。岱海发电公司1号机组根据 上述计算结果，确定励磁变压器额定容量为7200 kVA、二次侧线电压为950V，灭磁开关、灭磁电阻可 以不更换。励磁系统增容改造后，机组运行效果良 好，可为同类型技术改造工作提供借鉴。