励磁培训讲义四川德阳东方电机控制设备有限公司编

同步发电机励磁系统

培训讲义四川德阳东方电机控制设备有限公司编

前言东方电机控制设备有限公司前身早在1964年诞生于东方电机厂内，当时分成设计、工艺、检查、采购和生产车间的形式分别隶属于各个职能部门。国家的每个五年计划中，东电控制人都承担了发电控制设备的研发攻关任务，先后研制生产了磁放大器式励磁调节装置、晶体管式励磁调节装置、晶闸管整流型励磁装置、集成电路励磁调节装置和微机型励磁调节器，是国内主要制造生产企业之一。研发、生产出的近五百套产品，有效地保证了国内如乌江、龚嘴、葛洲坝、铜街子、映秀湾、龙羊峡、安康、万安、漫湾、李家峡、宝珠寺、大朝山等大、中型水电站以及出口美国、加拿大、伊朗、叙利亚、土耳其、菲律宾、印尼、巴基斯坦、孟加拉、阿尔巴尼亚、缅甸、危地马拉等国家众多电站机组的正常运行，为国家的电力制造业和电力工业的发展做出了贡献。但由于控制设备生产基地建设的初衷是解决国内水力发电设备成套供货问题，并且受计划经济体制的影响，当时国内采用的是发电设备成套供货模式。由于水电开发工程建设周期普遍很长，加之控制设备技术更新发展很快，随发电设备主机配套供货的当时认为成熟、可靠、有运行经验的产品，往往在机组投运时，控制设备在技术上便已显落后。此外，由于长期受计划经济体制的影响，励磁产品基本上都采用的是成套供货模式，整个东方电机没有单独的辅机销售人员，这无形之中使产品的研发和产品对市场的适应都相对滞后，不能很好地满足用户需求。为了扭转这种局面以适应市场需求，2000年东方电机股份有限公司出资注册成立了全资子公司－东方电机控制设备有限公司。东方电机控制设备有限公司是东方电机股份有限公司集销售、设计、工艺、采购、制造、质量检验到用户服务等各环节于一体成立的发电控制设备专业公司。公司成立的这五年多时间以来，始终以“始于用户所需，终于用户满意”为经营理念，改革、完善劳动用工制度，建立严明高效的内部管理机制，全面实施目标成本控制；努力开拓市场，以元器件全球采购、装置免维护设计以及产品实现“智能式”操作和维护为理念，升级完善现有产品，强化产品标准化、系列化工作，广泛与国际一流公司合作，提升技术水平，通过建立完善的质量保证体系，加强质量过程控制，提高服务意识和服务质量，公司技术开发、经营、生产取得了长足发展。公司的快速成长和发展，从另一个角度充分说明了东方电机控制设备多年的技术储备和经验底蕴正逐步被市场认同；同时，大型国有企业作风严谨，功底扎实的优良传统和“重合同、守信誉”的良好信誉保障，也重新赢得用户的信任和青睐。公司概貌

公司生产作业面积近8000m2，电气产品科研、试验基地2600m2。设计手段先进，配有多台HP工作站，引进了美国EDS公司UGII及ANSYS等大型工程软件包。生产、试验设备精良，拥有加工设备116台，各型动态试验机组四套，进口的发电机电力系统仿真装置，可进行励磁系统闭环试验、并网试验、PSS试验。2004年公司为了满足三峡项目励磁系统、燃气轮机项目励磁系统、SFC系统厂内生产、试验的要求，投资600多万元进行厂房改造和试验设备的升级更新，使生产能力大幅提高，改造后将拥有2600m2全新的、设备齐全和全封闭净化的科研、装配和试验厂房，用于电气设备生产与试验，拥有的七个专用励磁试验工位，能保证每月同时产出三峡同类型机组励磁系统两套。公司以人为本，一支高素质的职工队伍，是企业走向成功的基础。东方电机控制设备有限公司拥有一支朝气蓬勃高素质的科技人才队伍，300多名职工中，大专以上学历占总人数的三分之二，其中博士研究生2名，硕士研究生33人（含工程硕士15人）。教授级高级工程师5人，享受政府特殊津贴的专家2人、高级工程师47人，工程师65人。公司从事与励磁产品相关的专业技术人员共45人，全部拥有大学本科以上学历，具有10年以上工作经验并承担过大型工程项目的高级工程师占62%，工程师占31%，其中包括中国电机工程学会大电机专委会励磁分专业委员会副主任委员和委员（兼任秘书）各1名、顾问委员（原主任委员、副主任委员）2名。中国电机工程学会大电机专委会励磁分委会长期挂靠在我公司，为励磁技术的发展作出了应有的贡献。为了公司长期发展的需要，公司成立了技术委员会，成员构成除公司内部各专业专家外，还聘请了国内各专业的多名知名专家为非执行委员。公司技术委员负责对公司执行的重大工程项目和科研开发项目进行项目评审、审批和技术监督。公司设有技术开发部，负责公司新产品的开发，技术工程部负责公司工程项目组织实施和全过程管理。励磁专业设有专业总设计师，在总工程师的领导下，负责励磁产品的开发和设计的全部技术问题，并且针对三峡项目、燃机项目等国家重点项目，设立专门的项目小组，负责全部工作。公司在产品设计上贯彻“始于用户所需，终于用户满意”的设计理念，始终把高可靠性和免维护性做为用户的最基本需要，严格按照有关的国家标准和国际标准以及技术协议和用户要求，以国际惯例和当前行业中成熟可靠的技术和控制理论为基础，来进行系统的设计和配置。以全球采购的原则来采购所需的元器件和部件，并且只选用标准的、成熟的、经过运行证明是可靠的元器件和部件，以保证系统可靠性及免维护性，并为用户备品备件提供帮助和支持。“九五”、“十五”期间公司受国家有关部门的委托，负责三峡机组励磁系统国产化研究，以期达到国内能自主生产类似于三峡等级巨型机组励磁系统的水平。在新产品的科研开发上投入了大量经费，长期与国内著名高等院校（如清华、华中科技大学、浙江大学、四川大学、重庆大学等）以及国外著名公司（如ABB、GE、Siemens、R-R等）进行技术交流、科研合作、技术引进与人员培训等全方位合作，使公司的技术水平和产品制造能力大幅度提高。为了让我们与用户之间有很好的交流，我们特编写这本“励磁培训讲义”。目的是让用户了解和掌握我们产品的性能和使用方法，同时也介绍励磁系统的一些基本概念，加深对我们产品功能、特性的全面了解，使我们的产品更好的为用户服务。目录第一章概述1.1同步发电机励磁的含义及其调节作用1.2同步发电机励磁系统的发展简介1.3同步发电机励磁系统的分类、组成和特点第二章自并激励磁系统2.1自并激励磁系统主电路的接线方式2.2自并激励磁发电机的起励2.2.1他励起励2.2.2残压起励2.3自并激励磁发电机短路过程的分析及短路电流计算2.3.1自并激励磁发电机短路电流的特点2.3.2自并激励磁发电机短路电流的计算2.4自并激励磁发电机对继电保护的影响2.5自并激励磁系统与电力系统稳定2.5.1自并激励磁系统对静态稳定的影响2.5.2自并激励磁系统对动态稳定的影响第三章同步发电机励磁系统主回路的分析3.1励磁变压器的分析3.1.1两大类型干式变压器的比较3.1.2关于“环保特性”3.1.3市场前景展望3.2三相晶闸管整流柜3.2.1晶闸管的结构形式3.2.2整流柜冷却方式3.3同步发电机的灭磁3.3.1常值电阻灭磁3.3.2非线性电阻灭磁3.3.3逆变灭磁3.3.4灭磁方式的探讨第四章励磁装置的保护4.1过电压的来源及保护方式4.1.1过电压的来源4.1.2抑制过电压的措施4.2过电流保护4.3自并激励磁系统轴电压的保护4.3.1轴电压的来源4.3.2轴电压的防护第五章微机励磁调节器5.1励磁调节器的分类5.2东方GES系列励磁调节器5.3PCC励磁装置产品介绍5.3.1概述5.3.2PCC型的主要特点5.3.3PCC型微机励磁调节器有以下主要功能5.3.4PCC型微机励磁调节器的主要技术指标5.3.5工作原理5.3.6软件介绍5.3.7励磁变压器5.3.8晶闸管整流装置5.3.9灭磁及过压保护装置5.3.10起励方式附东方GES型发电机励磁装置电站（厂）调试大纲第一章概述1.1同步发电机励磁的含义及其调节作用1.1.1发电机励磁的含义发电机是将机械能转变为电能的机器，但它必须具备有三个条件：a有磁场（转子）b有导线（定子）c有使导线切割磁力线的动力（水、汽轮机）。因此，所谓发电机励磁就是用直流电源供给发电机转子使定子产生电势的磁场。E=BVlE—发电机内电势B—转子产生的磁通密度V—发电机导线切割磁力线的速度l—发电机定子导线的长度从上式中可见，当V、l不变时，E是随Ｂ的改变（亦即随转子电流的大小）而改变。故而研究发电机励磁就是要控制转子电流使发电机满足电力系统各种工况的要求。1.1.2发电机励磁的调节作用a提高电力系统稳定运行的能力电力系统无论受到任何扰动，通过调节同步发电机的励磁，使系统稳定运行的能力有所提高。当电力系统受到小干扰或大干扰，导致同步发电机转速出现小的或者大的变速状态，使静稳定性或动稳定性亦或暂态稳定性将受到不利的影响。这时，励磁控制将使这种影响得到抑制或消除，保持同步发电机的同步稳定。b维持电力系统的电压水平发电机的内电势E与发电机端电压U、发电机的负载电流I及发电机电抗x的关系可由如下公式表示：当电网的负载增大时，亦即发电机电流I增大。从上式中可看出，如E不变，则发电机端电压U下降。如装有励磁调节器，则励磁电流（即转子电流）可随负载的增加而增加，亦即E增加而使发电机端电压U维持在一定的水平上。相反，在发电机甩负荷后，自动励磁调节器可以及时减少励磁电流以限制机端电压不致过份升高。自动调节发电机的励磁，可以维持供电系统的无功功率或功率因数保持恒定。电压恒定是供电质量的一个重要标志。c提高发电机功率极限和电力系统传输功率的能力d改善电力系统及同步发电机的运行状态：提高继电保护装置的可靠性；当系统发生短路故障时，通过调节励磁（强励），使短路电流衰减得很慢，甚至不衰减。这就保证了短路电流使继电保护装置在整定值及时间内准确可靠地动作。平衡并网运行时各台发电机之间无功功率，使之合理分担系统所需无功；当系统短路故障消除，自动调节励磁使其加快系统电压恢复；通过控制励磁，除保持同步发电机的恒压运行外，还可以使系统作恒无功或恒功率因数运行，以提高电力系统运行的经济性。1.2同步发电机励磁系统的发展简介同步发电机传统的励磁方式是采用同轴的直流发电机作为励磁机，提供发电机的励磁电流。通过励磁调节器改变直流发电机的励磁，从而改变供给转子的励磁电压，以调节同步发电机的励磁电流。众所周知，这种励磁方式存在很多问题，如直流励磁机受制造容量限制；整流子和炭刷维护较麻烦；励磁调节响应较慢。这些问题使得这种励磁方式无法适应电力系统发展的需要。半导体励磁就是为适应电力系统发展需要而出现的一种新的励磁方式，半导体励磁是采用大功率的硅整流器或晶闸管组成整流电路，用电子整流方式将交流变换成直流，取代直流励磁机用机械整流方式获得直流励磁电源。从五、六十年代以来电力电子技术、计算机及现代控制理论等新兴科学相继在电力系统中得到应用并发展，这就为充分发挥励磁控制的作用，解决同步发电机和电力系统的稳定运行创造了条件。国内外的科技工作者相继研制成功强力式励磁调节器、电力系统稳定器、最佳励磁控制器和自适应控制器等，特别是微机被应用于同步发电机励磁系统统中，，使半半导体体励磁磁技术术有了了一个个质的的飞跃跃。由由于微微机的的应用用使励励磁调调节功功能得得到了了更大大的扩扩展，，为发发展更更大的的同步步发电电机单单机容容量、、电网网的发发展和和提高高电力力系统统稳定定性、、可靠靠性成成为可可能。。我公司司在八八十年年代初初就投投入到到微机机励磁磁调节节器的的研制制工作作中去去，相相继研研制成成功单单微机机励磁磁调节节器、、双微微机励励磁调调节器器和三三微机机励磁磁调节节器，，并应应用于于同步步发电电机的的励磁磁系统统中去去，取取得了了很好好的效效果。。1.3同同步步发电电机励励磁系系统的的分类类、组组成和和特点点1.3.1同同步步发电电机励励磁系系统的的分类类同步发发电机机励磁磁系统统可分分成两两大类类，如如下表表所列列带旋转部件的励磁他励方式直流励磁机加晶闸管电路控制直流电机的励磁电流交流励磁机加静止硅整流器加静止晶闸管整流器加旋转硅整流器（无刷励磁）加旋转晶闸管整流器（无刷励磁）全静态励磁自励方式励磁变压器加静止晶闸管整流器励磁变压器加复励变压器分别带可控或不可控整流器在直流侧相并联变压器与变流器在交流侧并联后加可控或不可控整流器励磁变压器加复励变压器分别带可控或不可控整流器在直流侧相串联变压器与变流器在交流侧串联后加可控或不可控整流器1.3.2同同步步发电电机励励磁系系统的的组成成和特特点1.3.2.1同同步步发电电机励励磁系系统的的组成成a励励磁磁系统统主回回路：：由励励磁电电源、、晶闸闸管整整流器器、灭灭磁回回路、、起励励回路路以及及过流流、过过电压压保护护回路路组成成。b自自动动励磁磁电压压调节节器：：由测测量、、给定定比较较、综综合放放大、、移相相触发发、脉脉冲放放大、、加上上各种种限制制器、、补偿偿器、、功率率稳定定器等等各种种功能能模块块组成成。1.3.2.2同同步步发电电机各各励磁磁系统统的特特点1.3.2.2.1他他励励励磁磁系统统他励励励磁系系统的的特点点是用用同轴轴的交交流励励磁机机作为为主整整流器器的电电源。。励磁磁电源源独立立，不不受电电力系系统运运行情情况变变化的的影响响。根根据所所用整整流器器情况况的不不同，，他励励系统统可分分成下下列几几种形形式a交交流流励磁磁机带带静止止硅整整流器器励磁磁方式式这种励励磁方方式中中，由由于励励磁机机电枢枢及整整流器器均静静止不不动，，其输输出与与同步步电机机励磁磁绕组组滑环环上的的电刷刷相连连接，，所以以又称称为静静态励励磁系系统。。整个个系统统中，，有与与发电电机同同轴旋旋转的的100HZ交交流主主励磁磁机，，400HZ的的中频频永磁磁式副副励磁磁机，，习惯惯上将将这种种励磁磁简称称为““三机机”励励磁系系统。。我公公司20世世纪90年年代生生产的的200MW，，300MW火火电机机组上上，主主要应应用的的就是是这种种励磁磁系统统。如如下图图所示示：主励磁磁机的的输出出经硅硅二极极管整整流后后供给给发电电机的的励磁磁，而而主励励磁机机的励励磁则则取自自于同同轴的的永磁磁励磁磁机。。它是是由传传统的的直流流机励励磁方方式演演变而而来的的，相相当于于用静静止的的半导导体整整流器器代替替了转转动的的机械械整流流器，，这不不但解解决了了整流流子和和碳刷刷运行行维护护问题题，而而且由由于交交流励励磁机机的制制造容容量可可以不不受限限制，，故能能适应应大型型发电电机励励磁要要求。。这种励励磁方方式具具有下下列特特点：：·励励磁磁系统统完全全独立立，不不受电电力系系统运运行状状态的的影响响；·用用交交流励励磁机机供电电，励励磁电电源可可靠，，维护护工作作量较较小；；·励励磁磁调节节反应应速度度较快快，强强励顶顶值电电压易易于满满足电电力系系统稳稳定性性的要要求；；·副副励励磁机机带晶晶闸管管整流流桥负负载后后，受受每个个周波波内晶晶闸管管换流流的影影响，，输出出电压压的波波形要要产生生畸变变，给给励磁磁装置置的运运行带带来不不利的的一面面，须须在装装置中中采取取措施施进行行避免免；·存存在在转动动部件件维护护麻烦烦。b交流励励磁机机加旋旋转硅硅整流流器励励磁方方式（（无刷刷励磁磁）这种励励磁方方式的的原理理与上上述他他励静静止整整流励励磁方方式相相同，，但结结构不不同。。交流流励磁磁机的的直流流励磁磁绕组组固定定不动动，励励磁机机的交交流电电枢绕绕组、、硅整整流器器与主主机励励磁绕绕组一一起，，在一一根转转轴上上旋转转，因因而发发电机机的励励磁绕绕组与与硅整整流器器处于于相对对静止止的位位置，，直接接电连连接在在一起起，没没有了了将静静止部部件中中的电电流引引入旋旋转部部件的的滑环环电刷刷结构构，故故称无无刷励励磁。。无刷励励磁的的主要要优点点是：：·没没有有整流流器（（子））、滑滑环、、碳刷刷，不不需要要进行行这方方面的的维护护工作作，也也无机机械换换向事事故，，运行行的可可靠性性提高高了；；·没没有有碳碳粉粉和和铜铜沫沫引引起起电电机机线线圈圈污污染染，，故故电电枢枢绕绕组组绝绝缘缘的的寿寿命命较较长长；；·没没有有滑滑环环容容量量的的限限制制，，励励磁磁机机的的容容量量可可以以作作的的很很大大，，与与““三三机机””励励磁磁系系统统相相比比，，相相近近的的励励磁磁调调节节性性能能，，随随着着单单机机容容量量的的进进一一步步增增大大，，无无刷刷励励磁磁更更优优越越些些；；·在在易易燃燃、、易易爆爆的的环环境境条条件件下下，，无无刷刷励励磁磁不不会会因因滑滑环环的的滑滑动动电电气气接接触触而而产产生生火火花花造造成成恶恶性性事事故故。。由由于于取取消消了了整整流流器器（（子子））和和滑滑环环，，在在带带有有腐腐蚀蚀气气体体场场所所，，只只要要对对绝绝缘缘采采取取措措施施，，亦亦可可运运行行。。无刷刷励励磁磁在在运运用用过过程程中中也也存存在在着着下下列列几几个个方方面面的的问问题题：：·无无刷刷励励磁磁主主要要是是从从发发电电机机及及励励磁磁系系统统的的整整体体性性出出发发形形成成的的，，其其投投入入、、切切除除及及运运行行，，均均以以整整机机为为单单元元，，因因而而对对励励磁磁系系统统内内的的各各组组件件要要求求很很高高，，而而旋旋转转整整流流器器及及其其辅辅助助设设备备（（熔熔断断器器，，电电阻阻，，电电容容等等）），，在在运运行行中中要要承承受受强强大大的的离离心心力力，，对对这这些些部部件件间间的的机机械械连连接接和和电电连连接接是是一一个个极极大大的的考考验验，，要要求求有有很很高高的的维维护护检检修修水水平平；；·发发电电机机的的励励磁磁是是通通过过调调节节交交流流励励磁磁机机的的励励磁磁来来间间接接调调节节的的，，而而交交流流励励磁磁机机作作为为一一个个机机电电组组件件，，其其时时间间常常数数较较大大，，使使励励磁磁系系统统的的反反应应速速度度降降低低；；·发发电电机机的的转转子子电电流流、、电电压压不不能能直直接接测测量量；；·由由于于发发电电机机转转子子与与硅硅整整流流器器在在一一根根轴轴上上旋旋转转，，目目前前尚尚无无法法在在发发电电机机磁磁场场回回路路中中装装入入灭灭磁磁开开关关及及灭灭磁磁电电阻阻，，当当发发电电机机内内部部及及外外部部故故障障，，需需要要立立即即进进行行停停机机灭灭磁磁时时，，无无刷刷励励磁磁不不能能马马上上直直接接对对发发电电机机磁磁场场回回路路进进行行灭灭磁磁，，而而是是通通过过对对主主励励磁磁机机磁磁场场回回路路进进行行灭灭磁磁来来间间接接对对发发电电机机进进行行灭灭磁磁，，灭灭磁磁时时间间较较长长，，对对事事故故的的迅迅速速处处理理不不利利，，这这是是这这种种励励磁磁方方式式的的最最大大缺缺陷陷；；·对对旋旋转转元元器器件件的的故故障障检检测测与与报报警警技技术术有有待待进进一一步步完完善善；；·发发电电机机转转轴轴上上增增加加了了旋旋转转硅硅整整流流器器盘盘及及其其辅辅助助部部件件，，转转轴轴长长度度势势必必增增加加，，这这样样又又增增加加了了整整个个汽汽——电电机机轴轴系系的的长长度度和和重重量量，，这这对对整整个个轴轴系系的的稳稳定定是是不不利利的的。。1.3.2.2.2自自励励励励磁磁系系统统这类类励励磁磁系系统统的的共共同同特特点点是是励励磁磁电电源源取取自自发发电电机机自自身身，，用用励励磁磁变变压压器器或或与与励励磁磁变变流流器器共共同同供供给给整整流流装装置置变变换换成成直直流流后后，，再再供供给给发发电电机机本本身身，，这这种种励励磁磁系系统统称称为为自自励励励励磁磁系系统统。。按励励磁磁功功率率引引出出方方式式的的不不同同，，自自励励励励磁磁系系统统可可分分为为自自并并激激励励磁磁系系统统、、自自复复激激励励磁磁系系统统二二种种，，常常用用的的、、且且应应用用也也最最广广的的是是自自并并激激励励磁磁系系统统。。a自并并激激励励磁磁方方式式（（电电势势源源静静止止励励磁磁机机系系统统））这是是自自励励励励磁磁系系统统中中接接线线最最简简单单的的一一种种励励磁磁方方式式。。其其典典型型原原理理图图如如下下所所示示：：自并并激激励励磁磁系系统统原原理理图图励磁磁电电源源由由一一台台接接于于机机端端的的励励磁磁变变压压器器取取得得，，经经变变压压器器ET降降压压后后，，接接入入晶晶闸闸管管整整流流器器SCR，，通通过过晶晶闸闸管管整整流流成成直直流流后后，，供供给给发发电电机机磁磁场场绕绕组组。。自自动动励励磁磁调调节节器器从发电机机机端取取得信号号，控制制晶闸管管的导通通角，从从而按需需要控制制发电机机励磁电电流。自并激励励磁方式式的主要要特点是是：设备备和接线线比较简简单；由由于无转转动部分分，具有有较高的的可靠性性；造价价低；励励磁变压压器放置置自由，，缩短了了机组轴轴系长度度；励磁磁调节速速度快。。因为励励磁电源源相对不不独立，，故而需需要起励励电源；；由于整整流输出出的直流流顶值电电压受发发电机端端或电力力系统短短路故障障形式（（三相、、二相或或单相短短路）和和故障点点远近等等因素的的影响，，因而被被怀疑是是否能满满足强励励的要求求等等。。目前这这些技术术问题都都已相继继得到解解决。b自自复激励励磁方式式（复合合源静止止励磁机机系统））励磁电源源除来自自机端的的励磁变变压器外外，还取取自于与与发电机机定子回回路串联联的励磁磁变流器器，这就就是自复复激励磁磁，其原原理图如如下所示示：按照励磁磁电源在在交流侧侧或是直直流侧复复合，自自复激又又可细化化为四种种励磁方方式：·直直流侧并并联自复复励方式式；··直直流侧侧串联自自复励方方式；·交交流侧并并联自复复励方式式；··交交流侧侧串联自自复励方方式。其中交流流侧串联联自复励励方式最最常用，，故而介介绍此种种励磁方方式。这种励磁磁系统中中晶闸管管的阳极极电压是是与定子子电流成成比例的的励磁变变流器（（串联变变压器））的二次次电压与与机端供供电的励励磁变压压器二次次电压相相量和，，经过晶晶闸管桥桥整流输输出的励励磁电流流能反应应定子电电压、定定子电流流和功率率因数的的变化。。用自动动励磁调调节器控控制晶闸闸管的触触发角来来调节励励磁电流流的大小小。其主要特特点为：：时间常数数小，反反应迅速速，调节节灵敏；；当发电电机近端端短路时时，能迅迅速强励励，机组组不易失失磁；励励磁系统统受电网网干扰小小；与自自并励相相比较，，接线较较复杂，，设备较较多；励励磁变流流器副方方尖峰过过电压问问题较严严重；同同样需要要起励电电源。第二章自自并激励励磁系统统目前由于于自并激激励磁系系统自身身的优点点，已在在国内、、外水、、火电的的大、中中、小型型同步发发电机组组上得到到广泛的的应用，，因此对对该励磁磁系统进进行着重重的介绍绍。2.1自自并并激励磁磁系统主主电路的的接线方方式这是自励励励磁系系统中接接线最简简单的一一种励磁磁方式。。其典型型原理图图如下所所示：自并激励励磁系统统原理图图励磁电源源由一台台接于同同步发电电机机端端的励磁磁变压器器取得，，经变压压器ET降压后后，接入入晶闸管管整流器器SCR，通过过晶闸管管整流成成直流后后，供给给发电机机磁场绕绕组。自自动励磁磁调节器器从发电电机机端端取得信信号，控控制晶闸闸管的导导通角，，从而按按需要控控制发电电机励磁磁电流。。励磁变压压器通常常采用环环氧浇注注、干式式、自冷冷型式，，有温控控报警，，其高压压侧不设设自动开开关，副副边根据据需要可可设、可可不设开开关或自自动开关关。高压压侧接线线必须包包括在发发电机的的差动保保护范围围之内。。副边出出线口装装有电流流互感器器TA，，作为励励磁调节节器的测测量转子子电流信信号。励磁变压压器绕组组的联接接组别一一般为Y/d－－11，，也有采采用D/y－11，目目的为了了消除由由于晶闸闸管整流流换向引引起波形形畸变所所产生高高次谐波波中的三三次谐波波及其三三倍的高高次谐波波之影响响。2.2自自并激励励磁发电机机的起励当机组启动动后，在转转速接近额额定值时，，机端电压压为残压，，其值一般般较低（约约为额定电电压的1%~2%））。这时由由于同步电电压太低，，调节器可可能还不能能正常工作作，晶闸管管不能开放放，故而没没有励磁电电流送出使使发电机建建立电压。。因此，必必须采取措措施，先供供给发电机机初始励磁磁，以便发发电机能够够建立起一一定的电压压，完成起起励过程。。起励措施有有两类。第第一类是他他励起励，，第二类是是残压起励励。a他励励起励其基本作法法是另设起起励回路，，由另外的的电源供给给初始励磁磁电流。起起励电源可可以是厂用用蓄电池（（直流），，也可以是是厂用交流流电。厂用用交流电一一般通过起起励变压器器降压后，，由二极管管整流变成成直流。然然后通过限限流电阻和和直流接触触器，将起起励回路接接入发电机机磁场回路路。对采用用厂用蓄电电池电源的的，起励回回路中须接接入一正向向二极管，，防止发电电机建压过过程中的反反充电。起起励时，起起励接触器器闭合，励励磁电流送送入发电机机磁场绕组组，发电机机电压逐渐渐升高。当当电压升至至额定电压压的10%~30%时，起励励回路断开开，进行自自励。起励电源容容量和电流流的选择，，一般遵循循这种原则则：起励电电流选择为为发电机空空载额定励励磁电流的的10%左左右，持续续时间5~6秒。b残压压起励当发电机残残压较高（（约5%以以上）时，，可利用残残压起励。。这要求励励磁调节器器在同步信信号为5%以上时，，能输出触触发脉冲，，使在起励励初始阶段段，整流桥桥中的晶闸闸管完全导导通。然后后在励磁调调节器的控控制下，将将发电机的的电压升至至所整定的的电压。目前采用微微机励磁调调节器后，，对于同步步信号可降降低至2%～5%左左右时即可可残压起励励。当残压压不能满足足起励要求求，经过几几秒钟的延延时，自动动投入他励励起励方式式。2.3自自并激励励磁发电机机短路电流流的特点及及计算2.3.1自并并激励磁发发电机短路路电流的特特点由于自并激激励磁的励励磁电源取取自于发电电机机端，，因此当自自并激励磁磁发电机发发生短路时时其短路电电流与常规规励磁发电电机发生短短路时的短短路电流有有一些共同同点，也有有其特殊性性。共同点点为：一是是两种励磁磁方式的发发电机短路路电流的超超瞬变分量量是相同的的，因为超超瞬变分量量由发电机机阻尼绕组组的参数决决定，与励励磁方式无无关；二是是两种励磁磁方式的短短路电流的瞬变分量量的起始值值相等，因因为它是由由励磁绕组组磁链守恒恒原理决定定的，也与与励磁方式式无关。其其特殊性为为：瞬变分分量衰减的的时间常数数二者不同同，而且当当近端三相相短路时，，自并激励励磁发电机机的短路电电流会一直直衰减到零零，没有一一个稳定值值。注：常规励励磁是指采采用半导体体励磁调节节器的直流流励磁机方方式和交流流励磁机带带硅整流器器的励磁方方式。这两两种励磁方方式都存在在着励磁机机励磁绕组组的时间常常数，因此此整个励磁磁系统的时时间常数较较大。2.3.2自并激激励磁发电电机短路电电流的计算算目前采用自自并激励磁磁系统的发发电机在机机端至主变变的引线均均采用封闭闭母线，使使机端发生生短路的概概率很小。。故以主变变高压侧发发生三相短短路时这一一最为严重重故障工况况来计算其其短路电流流。几个假设：：·根据据发电机组组的额定容容量SGN，取主变变容量ST为1.1×SGN，主变压压器的阻抗抗为UK%=14%·短路路前机端电电压为UGN·短路路前发电机机为空载即即Ed=Ed′=Ed″″=1·短路路切除时间间速动为0.5s，，后备保护护动作切除除时间为3s。a发电电机短路电电流计算b三相相突然短路路瞬间阳极极电压的计计算式中：KfT———励磁磁变压器变变比——发电机机额定相电电压c三相相突然短路路瞬间励磁磁系统提供供的转子电电压的计算算——自并激激励磁发电电机短路时时，励磁回回路等效时时间常数。。d计算算短路临界界切除时间间（Id衰衰减到10%Idk时）实际应用证证明，按照照我公司对对励磁变压压器选择的的参数能满满足在主变变高压侧三三相短路时时0.15～0.5s速动切切除短路点点和后备保保护3s内内动作切除除短路点后后，发电机机能自动建建压恢复运运行。2.4自自并激励励磁发电机机对继电保保护的影响响自并激励磁磁发电机发发生近端短短路（特别别是三相对对称短路））时，短路路电流迅速速衰减，这这对继电保保护动作来来说，在强强励能力不不足的情况况下会使其其后备保护护无法动作作。因此对对自并激励励磁系统必必须采取相相应的措施施。目前在在大、中型型水、火电电机组上机机端到主变变压器的引引线（包括括到励磁变变压器的高高压侧的引引线）均采采用封闭母母线，这就就使具有自自并激励磁磁系统的发发电机发生生近端短路路（包括三三相短路））的概率达达到非常非非常小，几几乎为零。。如果短路路发生在主主变高压侧侧（以三相相短路为例例）根据实实例计算能能保证继电电保护在0.15～～0.5s速动，后后备保护在在3s内动动作时短路路电流衰减减在1.5～1.7倍以上。。另外也可可采用过电电流起动““记忆”带带时延的低低电压保护护。当发生生短路时电电流突增，，电压突降降，电流继继电器起动动后仍然保保持着它的的作用（记记忆），如如果在整定定的时间内内电压还不不恢复，电电压继电器器一直在起起动状态，，则动作于于跳闸。2.5自自并激励励磁系统与与电力系统统稳定先介绍电力力系统稳定定的基本术术语：·静态态稳定：指指电力系统统的负载（（或电压））受到微小小扰动时，，系统本身身保持稳定定传输的能能力。这主主要涉及到到发电机转转子功角过过大而使发发电机同步步能力减少少的情况。。·动态态稳定：主主要指系统统遭受大扰扰动之后，，同步发电电机保持和和恢复到稳稳定运行状状态的能力力。失去动动态稳定的的主要表现现形式为发发电机之间间的功角及及其它量产产生随时间间而增长的的振荡，或或者由于系系统非线性性的影响而而保持等幅幅振荡。这这一振荡也也可能是自自发性的，，其过程较较长。如果果在大扰动动事故后，，采用快速速和高增益益的励磁调调节系统所所引起的振振荡频率在在0.2～～3Hz之之间的自发发振荡，属属于动态稳稳定范畴。。2.5.1自并并激励磁系系统对静态态稳定的影影响由于自并激激励磁系统统的反应灵灵敏、调节节速度快，，对于同步步发电机遭遭受微小扰扰动时，根根据理论分分析和实验验证明，自自并激励磁磁系统的发发电机可稳稳定运行在在极限功率率角δmax为110°～130°的的范围内（（常规励磁磁系统极限限功率角δδmax为为90°））。2.5.2自并并激励磁系系统对动态态稳定的影影响当电力系统统遭受大扰扰动（如突突然短路并并切除）之之后，机端端电压下降降，励磁系系统给出顶顶值电压进进行强励，，并平息振振荡。过去去人们认为为，自并激激励磁系统统在短路时时强励能力力不足，动动稳定极限限低。但是是应该从短短路地点、、短路种类类作具体分分析。对于于远方短路路，电压下下降不多不不影响强励励倍数。对对于近端不不对称短路路，特别是是单相短路路，也不影影响强励倍倍数。对于于主变高压压侧（目前前在大、中中型发电机机组的出口口端到主变变副边都采采用封闭母母线，故而而近端不太太可能发生生三相短路路）三相短短路，由于于主变有一一个短路阻阻抗，因而而机端电压压不可能降降到零，故故而还有一一定的强励励作用，另另外在大、、中型发电电机组中，，本身有一一定的固有有强励倍数数，因而只只要在0.15～0.7s内内切除短路路点，自并并激励磁系系统随着电电压的恢复复，强励能能力也就恢恢复。第三章同步步发电机励励磁系统主主回路的分分析同步发电机机励磁系统统主回路包包括有：励励磁变压器器、晶闸管管功率装置置、灭磁装装置及过电电压保护装装置（保护护装置在第第四章单独独阐述）。。3.1励励磁变压压器的分析析在自并激励励磁系统中中励磁变压压器是一个个很重要的的设备，一一般采用干干式、环氧氧浇注型的的变压器，，也有提出出采用纸绝绝缘，那末末它与环氧氧浇注型有有何不同，，下面作一一些简单的的介绍。变压器分成成干式和油油浸式两种种绝缘冷却却方式。而而干式变压压器又可分分为环氧浇浇注型（包包括带填料料与不带填填料的，注注型式与绕绕包式等）），其绝缘缘耐温等级级为B、F、H级，，以F级应应用最多；；另一类型型则是浸渍渍式（包括括绕组绝缘缘材料用NOMEX纸的以及及不用NOMEX纸纸的等类型型），其绝绝缘耐温等等级一般为为H级。3.1.1两大大类型干式式变压器的的比较a机械械强度和耐耐受短路的的能力：环氧浇注式式线圈的整整体机械强强度好，耐耐受短路的的能力最强强，因为其其高、低压压绕组是在在模具内进进行整体浇浇注，经加加热固化成成型，从而而形成一个个机械强度度很高的圆圆柱体，由由于没有垫垫块这类支支撑点，所所以导线不不会承受弯弯曲应力。。无论对突突发短路时时的轴向电电动力或幅幅向电动力力均有很强强的耐受能能力，因而而机械强度度高可以认认为是环氧氧浇注干变变的最大优优点。无论论从运行实实践或突发发短路试验验结果都证证实了这点点。浸渍式干变变主要采用用饼式线圈圈，低压导导线与铁心心之间靠撑撑条支撑。。而作为饼饼间绝缘介介质的空气气其绝缘强强度又大大大低于环氧氧树脂，所所以轴向绝绝缘尺寸较较大，相应应饼间电容容较小，因因而在冲击击过电压作作用下的过过电压分布布特性较差差，其机械械强度与耐耐受短路电电动力的能能力就大大大不如环氧氧浇注式干干变。根据据发达国家家的经验，，采用NOMEX纸纸、VPI（真空压压力浸渍））工艺的开开敞通风式式H级干变变，其BIL（基准准冲击水平平）值最高高仅能达150千伏伏，相应只只能制造33千伏级级的干变。。相反，国国际公认的的环氧浇注注干变的BIL值可可达250千伏，即即可以制造造到66千千伏级的干干变。由于环氧浇浇注式干变变采用层式式线圈，沿沿其轴向可可设置多个个散热风道道，故可以以制造大容容量的干变变。目前国国际公认：：环氧浇注注式干变的的最大容量量可达2万万千伏安，，而浸渍式干变仅仅能达到0.8-1万千伏安安。因此，，要生产高高电压、大大容量的干干变，非环环氧浇注式式莫属。b损耗耗及过载能能力：从理论上来来说，干变变的过载能能力是与其其热容量成成正比，而而与其负载载损耗成反反比的，采采用饼式线线圈的浸渍渍式，其自自身的散热热性能并不不优于环氧氧浇注式，，所以，绝绝不能简单单地说浸渍渍式干变的的过载能力力就一定优优于环氧浇浇注式。环氧浇注式式干变的环环氧树脂耐耐电压强度度较之空气气要高出许许多（约3.5～4倍），其其线圈包封封为2mm树脂层，，在同等绝绝缘水平条条件下，浸浸渍式干变变线圈的段段绝缘距离离、主风道道距离和饼饼间绝缘距距离较环氧氧浇注式干干变大15％。因而而在同等耐耐电压绝缘缘水平和尺尺寸条件下下，根据对对比计算分分析和制造造试验验证证，浸渍式式干变的损损耗较环氧氧浇注式干干变大15～20％％。另一方方面，在同同等绝缘水水平和尺寸寸条件下，，相同的绝绝缘等级(H级)，，由于环氧氧浇注干变变的额定损损耗和额定定温升低，，具有节约约能源环保保的优点，，同时由于于额定温升升低，其过过载能力强强。只有当不仅仅线匝的绝绝缘采用NOMEX纸，而且且所有绕组组的绝缘件件（如撑条条，垫块等等）也都采采用NOMEX纸件件来制造时时，这样的的浸渍式干干变才具有有较强的过过载能力。。这是由于于NOMEX纸是C级绝缘材材料，其耐耐热温度可可达220℃，故用用它来制造造H级（耐耐热温度为为180℃℃）的干变变，一开始始就存在有有20%左左右的过载载热裕度之之故。但是是NOMEX纸的价价格昂贵，，我国目前前生产H级级浸渍式干干变的厂家家，往往只只是在匝绝绝缘中使用用它，而绕绕组的其他他绝缘件都都采用一般般的H级材材料。因而而对这样的的H级干变变，就不能能一概认为为它具有较较强的过载载能力。目前国产的的浸渍类干干变都是H级的，由由于其损耗耗标准较高高，这对节节能降耗不不利。从理理论上来说说，H级产产品较之F级可以尺尺寸更小，，重量更轻轻，但实际际上从各厂厂的产品样样本看，这这两种类型型产品并无无多大差异异。c防潮潮及耐腐蚀蚀性能：环氧浇注式式干变的防防潮及耐腐腐蚀性能比比较好，尤尤其适用于于在极端恶恶劣的环境境下工作；；相反，传传统浸渍式式干变的主主要缺点就就是防潮性性能差，且且容易吸尘尘，在投入入运行前需需要预热等等。即使在在采用NOMEX纸纸以及真空空压力浸漆漆等新工艺艺后，虽然然这些缺点点可以一定定程度得到到克服，但但一些本质质上的问题题却依然存存在。d局部部放电与运运行寿命：：由于环氧浇浇注式的线线圈经过真真空处理和和浇注成型型，匝间和和层间无气气泡，在同同类产品中中，其局部部放电最低低；此外环环氧浇注式式干变的机机械强度高高，在短路路电动力的的作用下不不会变形，且防尘、防防污性能好好。故运行行寿命长。。根据国外外的报导，，其运行寿寿命较之OVDT类类干变要长长。以往影响环环氧浇注变变压器运行行可靠性与与寿命的主主要问题是是浇注线圈圈的开裂。。但是随着着薄绝缘玻玻璃纤维增增强结构的的采用以及及原材料的的进步和浇浇注工艺的的改进，目目前这一问问题已很好好解决。当当然一旦树树脂混料不不均匀或浇浇注工艺有有缺陷时，，仍有开裂裂或内部出出现气泡而而使局部放放电增大等等事故产生生。相反，，浸渍式干干变却无需需担心开裂裂，在采用用NOMEX纸后，，由于匝绝绝缘较薄，，绕组内部部的温度分分布也比较较均匀。浸渍式干变变的最大优优点是无需需浇注设备备与模具，，初期投资资可大大节节省，另外外，产品设设计的灵活活性也较大大，特别是是生产油浸浸式变压器器厂转产这这类产品较较容易。e运行行维护：环氧浇注式式的运行维维护工作量量可认为是是很小的，，特别是可可以立即从从备用状态态下投入运运行而无需需预热去潮潮。这是因因为它的防防潮、防尘尘性能好，，无需预热热。因而可可立即投运运并带负荷荷运行。浸浸渍式线圈圈的表面是是靠真空压压力浸漆（（VPI））后的薄的的复盖绝缘缘层来绝缘缘的，所以以这种变压压器在停运运状态下，，就容易因因吸潮而降降低其绝缘缘水平，在在投运后可可能引起局局部放电增增大，甚至至发生绝缘缘击穿等严严重事故。。因此，为为可靠起见见，当停运运一段时间间后再重新新投运时必必须先行预预热去潮后后，才能投投运带负荷荷，这样势势必造成停停电后投运运时间的延延长，对可可靠性造成成一定影响响，且维护护工作量也也较大。3.1.2关于于“环保特特性”a从材材料的环保保特性到产产品制造与与运行的环环保特性NOMEX纸作为已已有多年使使用业绩并并经认证的的一种材料料，其环保保特性是获获得认可的的。至于其其他一些H级材料及及浸漆生产产过程，在在环保特性性方面的优优越性如何何，现仍缺缺乏足够的的依据。对环氧树树脂材料料而言，，本身既既是无毒毒的且在在制造过过程中也也不污染染环境，，在环氧氧树脂浇浇注干变变制造中中，环氧氧树脂复复合材料料主要应应用在线线圈浇注注绝缘、、铁心绑绑扎涂覆覆、以及及各种绝绝缘成型型件。环环氧树脂脂浇注干干变结构构设计时时，选用用环氧树树脂作为为固体绝绝缘，这这种绝缘缘技术本本身赋予予了变压压器运行行时无油油化、难难燃防火火的环保保特性；；环氧树树脂固体体绝缘干干式变压压器，在在运行中中没有温温室气体体泄漏，，无油污污，难燃燃防火，，环氧树树脂配方方中没有有卤素和和硫元素素，即使使着火燃燃烧也不不会有卤卤素化合合物以及及硫化物物的产生生，燃烧烧时主要要分解产物为H2O、、CO2等，没没有毒害害气体产产生，故故不会对对人员和和环境有有任何危危害，即即使燃烧烧也不会会放出有有害气体体。应当指出出的是，，薄绝缘缘环氧树树脂浇注注式干变变，在燃燃烧时所所释放的的能量与与NOMEX纸纸及用其其它H级级绝缘材材料制造造的浸渍渍类干变变相比，，也是较较小的。。2000年曾曾将一台台薄绝缘缘环氧树树脂浇注注式630kVA的干干变在法法国顺利利通过F1级的的燃烧试试验，这这证明它它满足最最新国际际标准中中对干变变燃烧特特性的要要求的。。另外，，我国的的一些大大型工程程中还直直接从欧欧洲一些些著名厂厂家进口口了一批批大容量量环氧浇浇注式干干变，而而这些干干变都是是通过了了燃烧特特性、环环境特性性以及气气候试验验这三项项特殊试试验的。。这说明明环氧树树脂干变变的使用用是符合合环保要要求的。。b产产品寿命命终结后后回收降降解处理理的环保保问题根据近年年来对欧欧洲和美美国所做做的调查查，国外外厂家都都明确表表示：两两种产品品的回收收处理是是相似的的。产品寿命命终结后后的最终终处置原原则是回回收利用用可再生生资源，，环保处处理废弃弃物料。。对环氧氧树脂浇浇注干式式变压器器而言，，就是拆拆解变压压器，回回收钢结结构件及及硅钢片片；分解解线圈，，回收铜铜(铝)导体；；剩余的的少量环环氧树脂脂绝缘材材料进行行环保处处理，这这包括有有三种途途径：焚焚烧（发发电）、、地下填填埋、粉粉碎后用用作建筑筑材料。。它的废废弃物处处理不会会造成对对环境的的污染，，已用于于道路填填埋、公公路建造造中。3.1.3市市场前前景展望望目前就世世界范围围来看，，环氧浇浇注干变变主要应应用于欧欧洲以及及亚州的的中国、、日本、、韩国以以及东南南亚等广广大地区区，而浸浸渍式干干变则主主要是美美国应用用较多，，这与NOMEX纸的的产地是是美国等等特殊国国情有关关。总的的来说，，就全世世界而言言，环氧氧树脂式式的市场场占有率率要显著著高于浸浸渍式干干变。迄迄今，我我国的环环氧浇注注式干变变无论是是工厂规规模、产产量或是是技术水水平都已已达到世世界先进进水平，，2002年其其总产量量约为20000MVA，约约占我国国干变市市场份额额的95%。从从全世界界来看，，预期今今后在相相当一段段时间内内，这两两大类型型的干变变都将共共存，也也正如前前所述，，它们也也各有其其优缺点点。但由由于我国国这10多年来来在环氧氧树脂干干变制造造技术上上所取得得的成就就，以及及它本身身所固有有的许多多优点，，并考虑虑到使用用部门早早已熟习习了这类类干变的的运行维维护，因因而，从从保证运运行可靠靠性，减减少备品品、备件件的品种种以及提提高运行行、检修修效率等等方面来来看，今今后还是是会大量量使用环环氧浇注注式干变变，这也也与欧洲洲等发达达国家的的先例是是完全一一致的。。3.2三三相相晶晶闸闸管管整整流流柜柜3.2.1晶晶闸闸管管的的结结构构形形式式在晶晶闸闸管管的的结结构构选选择择上上，，目目前前国国际际上上主主要要有有两两种种结结构构，，SIEMENS、、英英国国R-R、、和和GE均均为为抽抽屉屉式式结结构构，，即即每每个个晶晶闸闸管管、、脉脉冲冲放放大大、、检检测测、、阻阻容容保保护护等等元元件件均均通通过过独独立立框框架架组组合合成成一一个个独独立立的的晶晶闸闸管管模模块块组组件件，，选选取取六六只只模模块块组组件件可可以以组组成成一一个个全全控控整整流流桥桥，，冷冷却却风风道道由由然然结结合合而而成成，，这这种种方方式式造造成成了了各各厂厂家家的的晶晶闸闸管管模模块块组组件件内内部部结结构构完完全全不不同同，，不不具具有有互互换换性性。。我我公公司司采采用用的的是是平平板板式式结结构构晶晶闸闸管管，，晶晶闸闸管管桥桥安安装装在在一一块块整整体体绝绝缘缘板板上上，，分分为为上上、、下下两两层层布布置置，，+U、、+V、、+W相相晶晶闸闸管管在在上上部部，，-U、、-V、、-W相相晶晶闸闸管管在在下下部部，，在在晶晶闸闸管管U、、V、、W相相元元件件间间安安装装耐耐高高压压绝绝缘缘隔隔板板（（有有些些小小型型的的机机组组或或阳阳极极电电压压不不太太高高的的可可不不安安装装）），，用用以以防防止止晶晶闸闸管管相相间间短短路路，，冷冷却却风风道道采采用用高高绝绝缘缘的的阻阻燃燃透透明明PC板板经经热热压压后后成成形形，，由由面面板板和和侧侧板板紧紧贴贴晶晶闸闸管管拼拼装装组组成成，，外外观观质质量量好好，，加加工工方方便便，，结结构构简简捷捷，，该该结结构构的的风风道道由由于于较较好好的的密密闭闭，，不不存存在在漏漏风风，，最最有有效效地地达达到到散散热热效效果果，，对对发发热热元元件件如如熔熔断断器器，，风风道道开开有有导导风风泄泄漏漏孔孔，，以以便便冷冷却却熔熔断断器器。。风风道道中中除除去去晶晶闸闸管管散散热热器器及及管管芯芯占占据据的的位位置置后后，，有有效效的的风风道道通通风风面面积积为为0.2m2，，风风阻阻限限制制在在一一定定范范围围内内，，确确保保上上、、下下两两层层晶晶闸闸管管的的可可靠靠散散热热。。风风道道设设计计时时，，考考虑虑了了进进风风口口和和出出风风口口温温差差小小于于10K，，因因此此虽虽然然串串联联风风道道中中各各层层之之间间的的进进风风温温度度有有差差别别，，但但在在允允许许误误差差内内。。平平板板式式结结构构晶晶闸闸管管是是标标准准结结构构的的晶晶闸闸管管，，通通用用性性、、互互换换性性很很强强。。为了了保保证证励励磁磁系系统统安安全全可可靠靠地地运运行行，，在在晶晶闸闸管管整整流流桥桥交交流流