03发电机机端静态励磁系统

1、第三章 发电机机端静态励磁系统 同步发电机是将旋转形式的机械功率转换成三相交流电功率的设备。为完成这一转换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流，也称为转子电流。为同步发电机提供励磁电流的有关设备，即励磁电压的建立、调整和使其电压消失的有关设备统称为励磁系统。具有自动控制与自动调节功能的励磁系统，称为自动调节励磁系统。励磁系统是发电机的重要组成部分。它由供给直流励磁的电源部分（励磁功率单元）及控制、调节励磁的调节器（AVR）两大部分组成。励磁功率系统向同步发电机转子励磁绕组提供直流励磁电流。调节器根据发电机端电压变化控制励磁功率系统的输出，从而达到调节励磁电流

2、的目的。根据我国国家标准GBT7409.17409.31997“同步电机励磁系统”的规定的定义，同步电机励磁系统是“提供电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制元件，还有磁场放电或灭磁装置以及保护装置。”第一节 对大型发电机励磁系统的要求在电力系统正常运行和事故运行中，同步发电机的励磁系统起着重要的作用。发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。优良的励磁调节系统不仅可以保证发电机安全运行，提供合格的电能，而且还能改善电力系统稳定条件。因此，励磁调节系统的任务主要有以下几个方面：1）在正常运行条件下，供给发电机励磁电流，并根据发电机所带负荷的情况，相应地调整励磁电

3、流，以维持发电机端电压在给定水平上。2）使并联运行的各台同步发电机所带的无功功率得到稳定而合理的分配。3）增加并入电网运行的同步发电机的阻尼转矩，以提高电力系统的动态稳定性及输电线路的有功功率传输能力。4）在电力系统发生短路故障造成发电机机端电压严重下降时，进行强行励磁，将励磁电压迅速增升到足够的顶值，以提高电力系统的暂态稳定性。5）在同步发电机突然解列、甩负荷时，强行减磁，将励磁电流迅速减到安全数值，以防止发电机电压过分升高。6）在发电机内部发生短路故障时，进行快速灭磁，将励磁电流迅速减到零值，以减小故障损坏程度。7）在不同运行工况下，根据要求对发电机实行过励磁限制和欠励磁限制，以确保同步发

4、电机组的安全稳定运行。 为了很好的完成上述各项任务，励磁系统应满足以下基本要求：1、对功能方面的要求1）应具备能稳定和调节机端电压的功能。2）应具备能合理分配或转移机组间的无功功率的功能。3）能迅速反映本系统故障，并有必要的励磁限制、灭磁及自我保护功能。4）能迅速反应电力系统故障、具备强励等控制功能，以提高系统稳定性和改善系统运行条件。2、对性能方面的要求1）具有足够的调节容量，以适应各种运行工况要求。2）具有足够的励磁顶值电压、励磁顶值电流及电压上升速度。励磁顶值电压和励磁顶值电流是指励磁功率单元在强行励磁时，可能提供的最高输出电压值和电流值，该值与额定工况下的励磁电压、励磁电流之比为强励倍

5、数；将强励动作后励磁电压在最初0.5s内上升的平均速率定义为励磁电压响应比，它是衡量励磁单元动态行为的一项指标，运行要求励磁系统应有较高的强励倍数和快速的响应能力，以满足电力系统稳定和改善系统运行条件的需要。3）应运行稳定、调节平滑及有足够的电压调节精度。4）装置应反应灵敏、迅速，时间常数小，无失灵区，保证机组在人工稳定区内运行，即功角90°。5）运行可靠，操作维护方便。第二节 机端静态励磁系统概述武乡和信发电公司发电机的励磁系统采用机端励磁变自并励的励磁系统。其励磁电源取自发电机自身出口母线上，由一台励磁变压器并联在发电机端，此变压器作为交流励磁电源，通过受励磁调节器器控制的晶闸管

6、整流装置直接控制发电机的励磁。励磁变、整流器等都是静止元件，故又称为静止励磁系统或全静态励磁系统，如图3-1所示。自并励励磁系统可分6个单元：励磁变压器、自动电压调节器、整流装置、灭磁及过电压保护装置、启励回路、辅助设备（必要的监测、保护、报警装置）。励磁变压器将机端电压降至整流器所需求的电压值，起到隔离机端和励磁绕组的作用，同时也起到可控硅补偿电抗的作用。整流器可将励磁变压器提供的交流电源整流为可控的直流。自动电压调节器通过控制可控硅整流装置的导通角，从而控制发电机的磁场电流，使发电机的工况按DAVR控制的模式运行。灭磁装置在发电机正常或内部故障的情况下可靠动作，其灭磁逻辑为逆变经适当延时跳

7、灭磁开关。配备自并励静态励磁系统的发电机组，发电机出口不能提供足够剩余电压来提供整流器建立发电机电压。为此需要一个起励回路，可从蓄电池引接一直流220V回路，或从厂用电系统引接380V回路。自并励励磁系统工作原理是：闭合发电机磁场断路器，然后闭合起励问路中的电源断路器，使发电机励磁，最初的励磁电流能使发电机的电压上升到额定电压的1530。当达到额定电压的10的时候，整流单元就可以运行，并且参与建立发电机电压过程，起励回路断路器输入端的二极管可以防止整流单元电压大于起励回路电压时，电流倒流，当发电机电压超过额定电压的70时，起励回路断路器在电流为零的条件下断开。然后整流器装置在自动电压调节器的控

8、制下，提供磁场电流，从而精确的调节同步发电机的电压和无功功率。自并励静态励磁系统有如下优点：1）与常规励磁及无刷励磁相比，由于取消了励磁机这一中间机械环节，大大减少了维护工作量，增大了运行可靠性，同时，发电机整个轴系缩短，减少了轴系数量，提高了轴系的稳定性，改善了轴系振动，提高了机组的安全运行水平。机组总长减小，厂房长度相应减小，节省了电站建设的一次性投资。2）励磁回路接线简单，设备较少，且均属静止装置，运行维护方便，提高了励磁系统的可靠性。3）励磁调节速度快，属于快速励磁系统，可控硅元件的开关时间为微秒级，励磁调节装置由全电子元件构成，时间常数很小，反应迅速，能充分发挥数字式微机调节器的功能

9、，这对反应发电机负荷变化及远方短路的强励能力都有很大的好处。4）发电机磁场回路装设了灭磁开关及非线性电阻，再配以可控硅装置的逆变灭磁，使发电机的灭磁迅速，可靠，避免了事故的扩大，对发电机的保护有利。5）励磁调节器直接控制可控硅，调节器按模块化结构设计，采用工控机及新型电子元器件，辅助功能全，冗余度高，更换方便，提高了整个装置的可靠性。自并励系统的缺点是，其整流装置的电源电压，在电力系统故障时将随发电机端电压下降而下降，可能影响暂态过程中的强励能力，其中有两个问题值得研究：第一，发电机近端短路，机端电压突然降低很多时能否满足强励要求，机组是否会失磁；第二，由于强励减弱时短路电流迅速衰减，带时限的

10、继电保护是否会拒绝动作。国内外的分析和试验研究表明：在其它条件相同的情况下，自励方式暂态稳定极限比他励方式约降低2%-5%，为了使自并励系统和他励可控硅励磁系统对电力系统暂态稳定有相同的效果，就要求它的强励倍数提高20%-30%；在短路刚开始的0.5s以内，自励方式与他励方式是很接近的，只在短路0.5s以后才发生明显差别。因此，只要配合快速保护，完善转子阻尼系统，采用性能良好的励磁调节器和可控硅整流装置，并适当提高励磁倍数，就足以补偿其缺点。另外由于发电机出口都采用封闭母线，出口故障的机率是很低的。第三节 SAVR-2000型自动励磁调节器由上节内容的学习可以知道，自动励磁调节器是自并励系统的

11、重要组成部分，它的性能直接关系到励磁系统功能的实现及系统性能的好坏。我厂采用的励磁调节器是国电南瑞生产的SAVR2000发电机励磁调节装置，励磁调节器的根本任务是维持发电机的机端电压恒定，因此，它的基本功能是调节及控制机端电压，并能自动调节发电机的无功电流，保证机组间无功功率的稳定分配；在电力系统发生故障时能及时提供一定时间的强励电流，提高保护灵敏度快速切除系统故障，同时提高系统稳定性；当发电机进入欠励磁运行时，能自动地不使励磁电流减得太小，以保证发电机稳定运行；发电机过励磁运行时，又能自动限制过大的励磁电流出现，以保证发电机安全运行。与此同时，作为微机型产品，它还具有实时故障诊断及容错功能，

12、智能调试及计算机辅助分析功能。该调节器具有上桥和下桥两路可控硅桥式整流电路（在可控硅整流装置屏内），正常时并列运行，两路整流电路的交、直流侧开关正常运行时均在合闸位。当上桥或下桥其中一路整流电路因某种原因退出运行后，仍能保证发电机的2倍强励要求。调节器工控机层安装一台液晶显示工控机作为装置与用户的人机界面。SAVR2000发电机励磁调节器的运行界面由7个窗口组成，分别为：主控窗、设置窗、信息窗、开关量窗、报警窗、参数窗和试验窗。通过点击窗口下方的分页栏可以选择相应的窗口。其中主控窗是运行时的主窗口，在窗口上方正中显示了当前机组工况状态和调节器的主要状态。调节器A、B套主机插箱层是两套完全独立的

13、可以互换的控制插箱，两套插箱之间依靠同步串行口进行通讯，以实现互为跟踪，互为热备用的功能。同时通过节点将已方状态通知对方，以达到自动切换的目的。当两套均正常工作时，两套调节器是闭环并列运行的，共同承担负荷，按任一套上的切换按钮，即将此套定为主套。当某一套发生故障而退出运行时，即自动切换至另一套而无波动，且允许只用一套工作，一套调节器能够满足包括强励在内的所有工况要求。一、SAVR-2000发电机励磁调节器装置的基本原理SAVR2000励磁调节器采集发电机机端交流电压Ua、Ub、Uc，定子交流电流Ia、Ib、Ic，转子电流等模拟量,通过模拟信号板将高压(100V)、大电流（5A）信号进行隔离并转

14、换为±5V电压信号，然后传输到主CPU板上的AD转换器，将模拟信号转换为数字信号。通常在一个周波内（20ms）采样32个点。将32个点进行快速傅利叶变换（FFT）就可求出机端电压基波的幅值及频率。为了能准确测量有功及无功，需对电压及电流进行瞬态无相差采样，即可计算出有功及无功。在正常运行时，DSP（数字信号处理器）根据现场的操作信号进行逻辑判断，判别是否应该进入用户程序。若开机条件具备后，应用程序运行。程序的计算模块根据工控机的控制调节方式的选择而进行计算，如按机端电压偏差进行PID（比例-微分-积分）调节，即恒机端电压运行方式，则DSP转入电压偏差PID调节子模块，计算程序算出触发

15、角，并将此角度送至大规模可编程逻辑芯片上的计数器产生延时脉冲，脉冲经放大板驱动后即完成一次调节控制。在控制调节的空闲时间，调节器进行各种限制判别、故障检测、联机调试、录波等工作；在双自动通道系统中，备用通道自动跟踪主通道的电压给定值和触发角。 二、SAVR2000励磁调节器插件面板的介绍1、双路供电面板：面板上的开关用于控制“脉冲电源”、“系统电源”面板的输入电源，自上而下三个灯分别表示：交流220V、直流220V、直流220V输出（三个灯正常时应亮）。2、脉冲电源面板：面板上的开关用于控制脉冲电源及操作电源的输出，自上而下三个灯分别表示：脉冲电源、开出继电器操作电源、开入电源（1）（正常时三

16、个灯应亮）。3、系统电源面板：面板上的开关用于控制主机电源的输出，自上而下三个灯分别表示：+5V、+12V、12V（正常时应亮）。4、模拟信号面板：面板上的三个灯分别表示+5、-12V、+12V（正常时应亮），在灯的下方是一个测试窗。5、主CPU面板：面板上共有8个灯，分别表示：+5V、+12V、-12V、主/从、运行闪烁、故障、运行、调试。5.1“主/从”：表示该套是主套还是从套，亮表示主套。5.2“运行闪烁”：表示CPU运行状态，其闪烁的频率随运行状态的不同而变化。通常，负载运行时为1次/3秒，空载运行时为1次/1秒，待机运行时为3秒/1次。常亮或常灭表示CPU不运行。5.3“故障”：表示

17、该套运行不正常或外界回路有故障。5.4“运行”及“调试”：分别表示该套是自动运行状态还是人工调试状态，它由面板上的“运行/调试”开关位置决定，通常应置于“运行”位置。5.5面板上的“主/从切换”按钮：用于两套间的人工切换，该按钮为自复位式按钮，当该套正常运行时，按下切换按钮即可设置该套为主机方式。5.6开关信号面板：面板上的三个灯分别表示：开入24V电源（1）、开出电源及故障。当主CPU板检测到调节器故障及硬件看门狗动作时，该故障灯点亮。下面两排灯分别表示开入开出的状态，亮表示通、灭表示断。其中X1X16为开入信号，Y1Y16开出信号（各开入、开出信号灯意义见下文）。5.7脉冲放大面板：面板上

18、的三个灯分别表示脉冲电源、脉冲输出和脉冲故障。其中“脉冲输出”灯亮表示该套为主套，脉冲由此套供给；“脉冲故障”表示该插件输入的未经放大的脉冲信号故障或脉冲电源有问题。三、限制保护功能发电机工作时，为保护安全运行和不轻易跳闸，备有许多限制功能，它们是：V/F限制、强励反时限限制、过励限制、欠励限制等，分别介绍如下：1、V/F限制：空载时，当发电机频率在4547.5HZ时，调节器自动将电压降低，当低于45HZ时，调节器自动逆变灭磁。防止发电机和主变压器在空载、甩负荷和机组启动期间，由于电压升高或频率降低使发电机及主变压器铁芯饱和而引起的发热超过允许值。2、强励反时限限制：转子电流超过110%额定值

19、时，调节器自动对其进行限制，使其不超过110%额定值。强励时间决定于磁场绕组热容量允许值。3、过励限制：发电机无功超过规定值时，调节器延时20S后自动将其限制在规定值。防止转子绕组长期过载而造成过热烧损。4、欠励限制：发电机无功进相超过规定值时，调节器立即将其限制在规定值以内，以防止发电机深度进相失稳。还有如空载励磁限制（也叫起励超调限制），主要是避免发电机在起励升压过程中电压较低，励磁调节器产生不必要的强励作用及减少电压上升过程的超调量。在发电机并网后，空载励磁限制单元便自动退出工作，以使发电机能带上无功负荷。四、开关信号面板上开入、开出信号（分别为X、Y两列，每列16个）的意义1、开入信号

20、编号表示意义编号表示意义X1增磁（或手动增磁）X2减磁（或手动减磁）X3预留X4开机令（DZA或DZB合上）X5停机令（逆变灭磁；DZA、DZB断开；FMK分闸；手动）X6预留X7主开关（运行中该灯不亮，将影响限制功能）X8预留X9功率柜熔丝熔断X10功率柜停风X11整流柜故障X12-16预留2、开出信号编号表示意义编号表示意义Y1调节器告警Y2调节器限制Y3风机控制（风机投灭；风机不投亮）Y4-7Y8PT断线Y9过励限制Y10欠励限制Y11强励限制Y12V/F限制Y15-16预留Y13-14并网后,转子电流低于430A时，自动断开DZADZB，合上DZC开关第四节 励磁回路自动灭磁及过电压保

21、护装置发电机发生内部故障时，虽然继电保护装置能快速地把发电机与系统断开，但磁场电流产生的感应电势继续维持故障电流。无论是发电机机端短路或部分绕组内部短路，时间较长，都可能造成导线的熔化和绝缘的烧坏如果系统对地故障电流足够大时，还要烧铁芯。因此，当电机发生内部故障，在继电保护动作切断主电源的同时，还要求迅速地灭磁。所谓灭磁就是把转子励磁绕组中的磁场储能尽快地减弱到尽可能小的程度。最简单的办法是将励磁回路断开。但励磁绕组具有很大的电感，又由于直流电流没有像交流电流那样有过零值的时刻，突然断开时，会在其两端产生很高的过电压，危及励磁回路设备绝缘。因此，在断开励磁电源的同时，还应将转子励磁绕组自动接入

22、到放电电阻或其他吸能装置上去，把磁场中储存的能量迅速消耗掉。完成这一过程的主要设备就叫自动灭磁装置。为减少故障范围扩大，要求灭磁迅速。灭磁时间愈短，短路电流所造成的损害愈小，一般按同步电机定子绕组电势降低到接近于零所需的时间来评价各种灭磁方法的优劣。同时，还要限制灭磁时转子上的过电压不应超过滑环间过电压的容许值。一、自动灭磁系统应满足以下几个要求1、灭磁时间应尽可能短。2、当灭磁开关断开励磁绕组时，绕组两端产生的过电压应在绕组绝缘允许的范围内，即滑环间容许的过电压值。3、灭磁装置的电路和结构型式应简单可靠。灭磁开关应有足够大容量能遮断发电机各种可能故障工况下的最大故障转子电流，灭磁耗能元件容量

23、应大于发电机各种可能故障工况下发电机转子最大储能所需吸收部分。图3-2 线性电阻灭磁和过电压保护原理接线图FMK灭磁开关 Ro线性灭磁电阻FR2，FR3过电压保护压敏电阻由原理图可见，灭磁系统由三部分组成：（1）FMK：灭磁开关；（2）灭磁用线性电阻Ro；（3）过电压保护用非线性电阻FR2、FR3。二、灭磁装置的工作原理1、发电机正常运行时工况发电机运行时，灭磁开关FMK合闸，两个常开主触头闭令，常闭主触头拉开，发电机励磁电压经二极管或可控硅加在非线性电阻FR2、FR3上。对于灭磁线性电阻Ro，在发电工况时，不接入主回路。对于过电压保护非线性电阻FR2、FR3因有正向可控硅，在过电压达动作触发

24、之前，可控硅关断，回路无正向电流，也无反向电流。正常时， FR2、FR3不流过电流，不消耗能量，不影响主回路工作。2、发电机正常运行中，发生过电压氧化锌非线形电阻的伏安特性见图3-3，发电机运行中，过电压保护非线性电阻FR2、FR3原工作点在A1处。如果产生过电压能量，如正向过电压，则当该能量积累使得正向过电压超过过电压动作整定值后，则FR2、FR3的控制触发回路启动，可控硅导通非线性电阻两端所加的电压，因超过非线性电阻的压敏电压值而快速导通，消耗转子过电压能量。这时非线性电阻的工作点由原A1点移至A2点，当过电压能量被释放后，过电压值下降，则工作点又回复到正常工作点A1，这时发电机转子电压回

25、复正常如发生反向过电压，由非线性电阻FR2、FR3的工作点沿着伏安特性曲线向负横轴方向移动，当反向过电压值超过FR2、FR3动作压敏电压拐点后FR2，FR3反向开通，运行工作点在A3，当过电压能释放完毕后，过电压降低直至消失，非线性电阻FR2、FR3的工作点又由A3移回至A1点，由上面的分析可知，因发电机转子过电压能量有限,只要FR2、FR3能量足够大，则发电机转子的电压被有效地限制在-Ulm至+Ulm之间，这就保护了转子的绝缘。 3、发电机停机灭磁工况当发电机正常或故障停机时，都可依靠该装置进入快速灭磁并在灭磁过程中控制励磁回路产生的过电压在安全范围内FMK在收到停机指令后，闭合常闭主触头，

26、同时拉开两个常开主触头。当灭磁开关分闸时，转子两端的电压值与灭磁电阻的阻值有密切关系，根据设计要求，转子灭磁时的过电压值一般不超过额定励磁电压值的57倍。而另一方面，转子回路放电时，串入的电阻值越大，则阻力矩越大，对转子回路的灭磁越有利，所以又希望灭磁电阻的阻值不至于太小。根据这两方面的要求，一般选取灭磁电阻的阻值为转子直流电阻的35倍。另外要考虑到线性电阻能承受足够的灭磁电流，不至于因为发热功率太小而烧坏。三、可控硅元件的过电压保护可控硅元件在使用中，会因为电流过大或承受的反压过大而损坏，所以要采取一定的措施来加以保护。防止因为过电流而损坏硅元件，一般采用快速熔断器，一般设计每一个可控硅元件

27、桥臂中都串联一只快速熔断器，这主要是防止回路中直流侧有短路等情况后，电流急剧增加而损坏可控硅元件，或者因为某一个硅元件损坏而造成短路引起事故。为了达到保护硅元件的目的，快熔选配的熔断所需热容量一般要比可控硅元件过流损坏的热容量小，同时又要保证整流回路能提供足够的励磁电流。可控硅元件关断时产生的关断过电压（又叫换相过电压）也需要加以保护。可控硅元件在承受反向电压关断时，由于电流的突变，会引起元件两端产生过电压，所以在回路中用阻容回路加以吸收。在可控硅整流桥工作时，交流侧电压的波形有许多尖峰过电压，当电压值较高时，这些尖峰过电压值可能会很高，这对元件的长期使用会造成影响。这一部分的过电压一般也采用阻容回路加以吸收。 第五节 励磁系统的正常运行和维护励磁系统正常运行中的检查中，全系统内的设备应无异响、无过热、无焦糊味、各熔断器完整良好；各指示灯、开关、刀闸与实际运行方式相符，继电器无不正常掉牌；各表计指示稳定，无不正常摆动，运行情况相符，不超铭牌