技術與安全知識

發電機勵磁系統的作用、特性和故障檢查

 

摘要：勵磁系統是供給同步發電機勵磁電流的電源及其附屬設備的統稱，它直接影響發電機的運行特性。勵磁系統作用是維持電壓水平、提供無功功率，并可以保證發電機的正常運行，并且對于電力系統的穩定性和可靠性也有著重要的影響。康明斯公司在本文中著重介紹了勵磁系統的作用和其工作原理及常見故障的處理，希望能夠對讀者有所幫助。 

 

一、發電機勵磁系統的主要作用

 

      同步發電機勵磁電源一般采用直流電，勵磁系統的作用主要就是供給發電機轉子繞組的直流電源。同步發電機勵磁系統一般由勵磁功率單元和勵磁調節器兩部分組成。勵磁功率單元包括整流裝置及其交流電源，它向發電機的勵磁繞組提供直流勵磁功率；勵磁調節器，感受發電機電壓及運行工況的變化，自動地調節勵磁功率單元輸出勵磁電流的大小，以滿足系統運行要求。整個勵磁自動控制系統是由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機構成的一個反饋控制系統。執行主要任務如下：

1、維持發電機端電壓在給定值

      當發電機負荷發生變化時，通過調節磁場的強弱來恒定機端電壓。維持電壓水平是勵磁控制系統的最主要的任務，有以下3個主要原因：

（1）保證電力系統運行設備的安全。

      電力系統中的運行設備都有其額定運行電壓和最高運行電壓。保持發電機端電壓在容許水平上，是保證發電機及電力系統設備安全運行的基本條件之一，這就要求發電機勵磁系統不但能夠在靜態下，而且能在大擾動后的穩態下保證發電機電壓在給定的容許水平上。  發電機運行規程規定，大型同步發電機運行電壓不得高于額定值的110％。

（2）保證發電機運行的經濟性。

      發電機在額定值附近運行是最經濟的。如果發電機電壓下降,則輸出相同的功率所需的定子電流將增加,從而使損耗增加。規程規定大型發電機運行電壓不得低于額定值的90％；當發電機電壓低于95％時，發電機應限負荷運行。其他電力設備也有此問題。

（3）提高電壓能力和穩定要求

      勵磁控制系統對靜態穩定、動態穩定和暫態穩定的改善，都有顯著的作用，而且是最為簡單、經濟而有效的措施。

2、滿足負載需求

      發電機勵磁系統還需要根據實際負載需求來調節發電機輸出電壓，以確保滿足當前負載要求。這樣既能保證負載設備正常運行，也能確保電力系統的安全運行。

3、提高發電效率

      發電機勵磁系統可以通過調節發電機的勵磁電流，優化發電機輸出的電壓和電流波形，從而提高發電效率。這不僅有助于降低能源消耗，還能減少發電機的損耗和維護成本。

4、保障電力系統穩定運行

     發電機勵磁系統不僅可以保證發電機的穩定輸出電壓，還能增強電力系統的穩定性。這是因為，發電機勵磁系統可以幫助控制電力系統的電壓和頻率，并抵消負載波動對電力系統穩定性的影響。

 

圖1  高壓無刷勵磁發電機外形圖

圖2  低壓無刷勵磁發電機外形圖

 

二、發電機勵磁系統原理與特性

 

1、工作原理

      勵磁是指在電力系統中對發電機進行電磁激勵以使其產生電能的過程。勵磁系統的工作原理如下：

（1）動態勵磁：

      如圖3所示，在勵磁機上通過電源施加直流電流，這些電流通過勵磁機的線圈，在勵磁機中產生磁場。這個磁場產生的磁通量通過氣隙和轉子，進入發電機的定子線圈。定子線圈中的磁通量和轉子上的感應電動勢相互作用，產生電流。這個電流在電力系統中循環，推動電機發電。

（2）靜態勵磁：

      如圖4所示，使用靜止的勵磁變壓器和整流器來完成勵磁。交流電源輸入勵磁變壓器，變壓器將高電壓降低并提供給整流器，整流器將交流電轉換為直流電。直流電流通過勵磁變壓器的次級線圈和發電機的勵磁線圈，產生磁場。勵磁線圈中的磁通量和轉子上的感應電動勢相互作用，使發電機產生電流。

      通過控制勵磁電流的大小和方向，可以調節發電機產生的電能的性質，例如電壓和頻率等。這樣就能滿足電力系統中對電能的不同需求。

 

 

圖3  發電機勵磁系統動態勵磁原理

圖4  發電機勵磁系統靜態勵磁原理

 

2、勵磁系統特性

（1）電壓的調節

      自動調節勵磁系統可以看成為一個以電壓為被調量的負反饋控制系統，如圖5所示。無功負荷電流是造成發電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質量的要求，發電機的端電壓應基本保持不變，實現這一要求的辦法是隨無功電流的變化調節發電機的勵磁電流。

（2）無功功率

      發電機與系統并聯運行時，可以認為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發電機勵磁電流，感應電勢和定子電流也跟著變化，此時發電機的無功電流也跟著變化。當發電機與無限大容量系統并聯運行時，為了改變發電機的無功功率，必須調節發電機的勵磁電流。此時改變的發電機勵磁電流并不是通常所說的“調壓”，而是只是改變了送入系統的無功功率。

      并聯運行發電機組無功功率合理分配與發電機端電壓的調差率有關。發電機端電壓的調差率有三種調差特性：無調差、負調差和正調差，如圖6所示。兩臺或多臺有差調節的發電機并聯運行時，按調差率大小分配無功功率。調差率小的分配的無功多，調差率大的分配到的無功少。

      如果發電機變壓器單元在高壓側并聯，因為變壓器有較大的電抗，如果采用無差特性，經變壓器到高壓側后，該單元就成了有差調節了。若變壓器電抗較大，為使高壓母線電壓穩定，就要使高壓母線上的調差率不至太大，這時發電機可采用負調差特性，其作用是部分補償無功電流在主變壓器上形成的電壓降落，這也稱為負荷補償。 調差特性由自動電壓調節器中附加的調差環節整定。與大系統聯網的發電機組，調差率Ku在土(3%～10%)之間調整。

（3）無功負荷

      并聯運行的發電機根據各自的額定容量，按比例進行無功電流的分配。大容量發電機應負擔較多無功負荷，而容量較小的負則提供較少的無功負荷。為了實現無功負荷能自動分配，可以通過自動高壓調節的勵磁裝置，改變發電機勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發電機電壓調節特性的傾斜度進行調整，以實現并聯運行發電機無功負荷的合理分配。

 

圖5  發電機勵磁系統電壓調節示意圖

圖6  發電機無功功率分配曲線

 

二、勵磁系統故障檢查和分析

 

1、勵磁系統的檢查

      基于探測線圈的檢測方法是通過監測定、轉子之間氣隙磁場的變化情況來估測運行狀態或判斷故障，已經應用于三相無刷勵磁機中。圖7所示為在傳統的內轉子型三相無刷勵磁機上安裝的q軸探測線圈，通常將工字形結構的線圈支架安裝在定子相鄰的磁極之間，支架上有兩根沿勵磁機軸向分布的平行細柱。在這兩根細柱之間繞制的多匝線圈就是q軸探測線圈。勵磁機電樞繞組產生的（非同步）空間諧波磁場會在靜止的q軸探測線圈中感應出電動勢，通過測量q軸探測線圈電壓可估測主發電機的勵磁電流，解決勵磁機旋轉整流器輸出電流（即提供給主發電機的勵磁電流）無法直接測量的問題；還可以用q軸探測線圈感應電動勢的幅頻特性作為故障特征量，對旋轉整流器的各類故障進行檢測與識別。

（1）開關量的檢查

      勵磁系統電路如圖8所示。模擬調節器開關量輸出，檢查信號是否正確。給調節器發“開機”信號時，PT電壓在8S內未達到30%時，發“起勵失敗”信號；當手動、PT斷線、過勵限制、強勵限制、低頻保護、低勵限制等信號出現時，均有異常信號發出，并在面板上有相應的指示燈亮調節器功能模擬試驗。

（2）模擬量的檢測

● 發電機PT電壓測量校正

      在端子排上短接勵磁PT（LPT）和儀表PT（YPT）（分相端接）以及系統PT（XPT）（有些裝置上沒有采用）。加入三相正相序的0~120V電壓，以額定機組電壓為基準值，每隔10V記錄測量顯示值。修改參數或調整測量回路的電位器，使顯示值與實際值（PT二次電壓）折算到側的電壓值一致。

● 發電機CT電流測量校正

      在端子排上加入三相正相序的0~5A（或0~1A）電流，以額定的定子電流為基準，記錄測量顯示值。修改參數或者調整測量回路的電位器，使顯示值與實際值（CT二次電流）折算到側的電流值一致。

● 勵磁電流（IL）或勵磁電壓（UL）測量校正

      按照電流傳感器的輸出電壓值或電流值，在端子排上加入的0~20mA（4~20mA）的電流或0~5V的電壓信號。按照電流傳感器的變比折算到勵磁電流的實際值。修改參數或調整測量回路的電位器，使顯示值與所加電壓或電流折算的實際值（按照電流傳感器的變比折算到勵磁電流的值）折算到側的電壓值一致。

2、分析及處理案例

（1）勵磁機整流輸出故障及處理。

      斯坦福發電機勵磁方式為無刷勵磁式（系統接線方式如下），升壓時給起勵電流后，發電機電壓變化不大，多次實驗結果一樣，用三相調壓器直接加電壓至勵磁功率回路進行整流，輸出至額定電流時發電機電壓仍只到30%.勵磁裝置輸出電流正常，達到額定電流后發電機電壓仍然升不起來基本可以排除勵磁故障。經檢查發現勵磁機整流部分輸出不正常，經檢查為整流二極管有故障，解決后升壓正常。

（2）勵磁PT電壓故障及處理。

      國產發電機可控硅自并激勵磁系統，發電機到額定轉速后，運行人員在勵磁調節柜上操作“開機”開關，發電機開機起勵后，發電機電壓表指針不動，勵磁變副邊電壓表很快滿表，隨即保護動作，滅磁開關跳開，檢查發現滅磁開關兩個觸頭燒熔，滅磁開關正上方的-C相可控硅散熱器被嚴重熏黑，繼續檢查發現勵磁變壓器高壓保險（10A）三相由于來不及熔斷，本體均被炸飛掉，高壓保險柜被驗證熏黑。

      經檢查造成事故的主要原因是PT電壓沒投入，就以“自動”方式開機升壓。由于自動勵磁調節器是以PT電壓作為反饋量，沒有檢測到反饋電壓，控制角一直保持在角度。勵磁電流會一直上升，發電機電壓一直會上升到飽和點，此時勵磁電流繼續增加，由于電流的增加率很大，電壓會達到1.5倍以上，勵磁變壓器高壓保險的電流和電壓均超過額定值，高壓保險來不及熔斷，熔斷時的能量很大，超過了保險管內部吸收的極限，被炸飛掉。保險炸飛后三相之間相互拉弧造成發電機三相短路，發電機差動保護動作，跳開滅磁開關。

 

圖7  無刷勵磁發電機故障探測裝置

圖8  發電機勵磁接線圖

 

總結：

      勵磁系統作為發電機的重要組成部分，通過維持勵磁電流、調節發電機的輸出電壓和提供短路電流等功能，保證了發電機的正常運行和電力系統的穩定性。其工作原理主要包括勵磁電路的搭建、勵磁調節和勵磁穩定等方面。通過深入了解勵磁系統的作用和工作原理，可以更好地理解電力系統的運行機制，并且對于電力系統的運行和維護有著重要的指導意義。

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