发电机静态励磁系统.docx

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发电机静态励磁系统

发电机静态励磁系统

发电机静态励磁系统（参考EXC—9000型）发电机励磁系统的主要任务是向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机正常运行的需要。

无论在稳定运行或暂态过程中，同步发电机运行状态在很大程度上与励磁有关。

对发电机的励磁进行的调节和控制，不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且可以提高发电机及其电力系统的技术经济指标。

WX21Z—085LLT150MW发电机采用的是静态励磁方式，也称为机端自并励励磁系统，指的是发电机出口处装设有一台降压的励磁变压器通过晶闸管向发电机提供受控的励磁电流，其显著特点是整个励磁装置中没有旋转的励磁机部分，电源来自静止的变压器所以又称为静态励磁系统。

这种系统没有转动部分，励磁系统接线相对简单，维护简单，造价低，而且是一种高起始响应系统。

但这种系统也有缺点，当发生发电机机端短路时，励磁电压会严重下降，以至完全消失。

实际证明，在短路开始的0.5S内，静态励磁与它励方式的励磁能力是很接近的，只是在短路0.5S以后才明显下降。

因此，只要发变组装设了动作时间小于0.5S的快速保护，就能满足静态励磁系统的要求。

自动励磁调节器概述自动励磁调节器是发电机励磁控制系统中的控制设备，其基本任务是检测和综合励磁控制系统运行状态的信息，即发电机的端电压、静子电流、转子电流、有功功率、无功功率、发电机频率等，并产生相应的控制信号，控制励磁功率单元的输出，以达到自动调节励磁、满足发电机及系统安全稳定运行的需要。

自动励磁系统主要作用分析

1、控制发电机机端电压

在系统正常运行条件下，励磁调节系统供给同步发电机所需要的励磁功率，根据不同的负荷情况，自动调节励磁电流，以维持机端或系统某点电压在给定水平上。

根据发电机的外特性曲线可知，造成发电机空载电势与端电压差值的主要原因是负荷电流中无功电流的大小，如果发电机的励磁电流保持不变时，当负荷的无功电流越大时，端电压降低也越严重，发电机的外特性曲线就是保持发电机转速不变，发电机的负载和负载功率因数为常数的情况下，发电机端电压随负载变化的曲线。

我们所说的负载一共可以分为三类，即电感性负载、电容性负载、电阻性负载，发电机在接带这三种不同的负载时所对应的外特性曲线是不一样的，容性负载的增大使发电机端电压上升，而阻性和感性负载的增大使发电机端电压下降。

从电力系统实际情况来看，负载都是阻性与感性的一种综合，当发电机接带这种综合负载时，发电机电枢反应的结果是将发电机气隙磁场削弱并扭曲，这就必然会使发电机的感应电势减小，因而使发电机的端电压降低，就必须增加转子励磁电流以增强主磁场，从而补偿由于电枢反应引起气隙磁场被削弱的程度。

2、控制无功功率分配发电机输出的无功功率和励磁电流有关，调节励磁可改变发电机输出的无功功率。

在实际运行中，改变励磁会使端电压和输出无功功率都发生变化，但端电压变化较小，而输出的无功功率会有较大的变化。

控制并联运行的发电机之间的无功功率分配是励磁系统的重要功能，通过控制励磁调节器的调差单元，可保证并联运行发电机组的无功功率得到合理分配。

调差率的定义是自动励磁调节器的调差单元投入，电压给定固定不变，发电机的功率因数为零的情况下，当发电机的无功负荷从零变化到额定值时，用发电机额定电压百分数表示的机端电压变化率。

发电机端电压的调差率反映了在自动励磁调节器的作用下发电机端电压随发电机无功输出的变化，有三种调差特性，一是无调差特性、二是正调压特性、三是负调压特性。

两台或两台以上发电机并联运行，若都为无差特性，则无功功率分配不稳定，是随机的，或者一台发电机电压高，另外一台发电机电压低，而无功功率由电压低的发电机承担。

一台有差和一台无差的发电机并联运行，则或者两台承担的无功功率相同，无功功率变化由有差特性的发电机承担，或人工调节无差发电机励磁电流，改变其工作点。

两台或两台以上发电机并联运行时，按调差系数大小分配无功功率，调差系数小的分配到的无功功率多，调差系数大的分配到的无功功率少。

3、在正常和事故情况下能提高系统的静稳和动稳

根据发电机的功角特性可知，发电机在功角特性曲线上升段运行时，发电机是稳定的，在功角特性曲线下降段运行发电机是不稳定的，所以说发电机的静稳极限是功角为90度，如果励磁系统具有按电压偏差调节的励磁调节器，发电机运行在功角特性曲线上升段的某一点上，若励磁电流不变，当发电机的负荷电流增加时，即发电机的功角增大，而发电机的端电压要减小一些，这时发电机的自动励磁调节器将增加励磁电流，使发电机的静稳工作点将过渡到波幅较高的一条功角特性曲线上，同理，当功角再增大时，励磁调节器又增加发电机的励磁电流，发电机的静稳工作点又将过渡到波幅更高的一条功角曲线上，自动励磁调节器按电压偏差调节的放大倍数越大，发电机维持机端电压的能力越强，发电机电势增加越大，功角特性曲线波幅越高，发电机的稳定极限功角就越大。

由上可知，性能优良的励磁系统改善了实际的运行功率特性，提高了功率输送极限，而且扩大了稳定区，使发电机能在功角大于90度的区段运行，我们通常把这一区段称为人工稳定区。

4、励磁调节系统对动稳的影响。

为了提高静态稳定特性，希望自动励磁电压调节器具有较大的放大倍数，然而高放大倍数，高起始响应的励磁调节器在某些情况下容易产生负阻尼，使系统的动态特性变坏，使系统发生振荡的可能性增加，所谓负阻尼，就是说当发电机功角增大时，即功角增大，则相应的制动转距也应增大以减小振幅，可是由于励磁系统的相位滞后，励磁调节器反而产生了（减小制动转距）的相反作用，这样就使得振幅增大，也就是说由于发电机功角的变化引起发电机反馈电压的变化，而发电机电磁转距的变化滞后于反馈电压的变化，所以产生了负阻尼转距分量，如果负阻尼转距大于机组的自然阻尼和电枢反应去磁效应产生的

正阻尼作用，则机组就会产生振荡。

用Pss装置来解决这一问题。

（见

后）

静态励磁系统中关于强行励磁的问题强励：

当电力系统由于发生短路事故，造成系统电压下降，这时发电机的励磁系统能在极短的时间内，将发电机的励磁电流增大到一定数值，以保证发电机并列运行的稳定性，同时也是提高电力系统稳定最经济、最有效的手段这之一。

励磁系统强励性能的主要指标有：

1、励磁顶值电压倍数（即励磁电压强励倍数）它是指强励期间励磁功率单元可能提供的最高输出电压与发电机额定励磁电压之比。

强励倍数高，可使发电机电势升高，有利于系统稳定。

2、励磁系统电压响应时间或励磁电压响应比。

电压响应时间是指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95％所花费的时间。

励磁系统电压响应时间等于或小于0.1S的励磁系统称为高起始响应的励磁系统，静态励磁系统就属于高起始响应的励磁系统。

静态励磁系统概述

1．静态励磁系统的组成：

由机端励磁变、大功率晶闸管构成励磁功率单元部分，它的作用是向发电机转子绕组提供直流励磁电源。

由机端TV、TA、励磁变副边TA、转子电压、转子电流、等电气反馈量与微机装置共同构成励磁调节部分，它的作用是根据发电机的不同运行工况，自动的调节励磁功率单元输出励磁电流的大小，以保证发电

机安全稳定运行

2、静态励磁系统的工作原理：

大型发电机在启动时，由于转子剩磁小，发电机自建压困难，所以需要借助外部启励电源对发电机转子线圈提供初始励磁电流，使发电机静子电压升至一定水平后，机端励磁变低压侧输出的交流电，通过晶闸管整流后向发电机提供正常的直流励磁电流，而启励电源自动退出工作，这时AVR根据设置好的运行方式控制晶闸管导通角的大小，而自动的调节发电机励磁电流的大小，保证发电机的端电压的给定运行水平。

3、静态励磁系统中的名词及术语解释晶闸管：

晶闸管是一种大功率的整流元件，它的整流电压可以控制，当供给整流电路的交流电压一定时，输出电压能够均匀调节，它是一个具有三个极的半导体器件。

分别是阳极、阴极、和控制极，在整流电路中，晶闸管阳极、阴极在承受正向电压的时间内，在控制极加上触发脉冲，这时晶闸管将交流电整流为直流电输出，如果改变控制极触发脉冲的输入时刻，即改变晶闸管控制角的大小，在负载上可以得到不同数值的直流电压。

在静态励磁系统中我们把晶闸管也称之为功率柜，一般一台发电机设有两台输出电流完全相同的功率柜，而满足不同的运行工况即单柜满足额定，双柜满足强励。

功率柜是静态励磁系统中的核心元件之一，它能否稳定运行决定发电机能否稳定运行，150MW发电机额定励磁电流是1344A，在正常情况下两台功率柜并联运行，平均分配励磁电流，晶闸管的结温不应超过115度，这种大功率的晶闸管都设有冷却系统，每个功率柜设有两组风机对其进行吹

风冷却整流：

交流变直流。

即AC—DC逆变：

直流变交流。

即DC—ACAVR：

自动励磁（恒电压）调节装置的英文缩写。

FCR：

手动励磁（恒电流）调节装置的英文缩写。

灭磁：

将发电机转子绕组中的残余磁场能量转换为其它形式的能量消耗掉。

4、发电机静态励磁系统图

5、静态劢磁系统中各TV、TA及各功能装置的作用：

1TV、3TV—给AVR（两套）提供电压反馈量，是有功功率、无功功率计算的依据。

机端TA的作用：

给AVR提供电流反馈量，是有功功率、功功率计算的依据，同时也是防误逆变的依据

励磁变副边CT的作用：

给AVR提供一个电流反馈量，是过励、欠励、强励判据之一。

BOD板：

检测出发电机转子绕组正向过电压时，给可控硅跨接器中晶闸管的控制极一个触发脉冲，让其导通。

过电压检测器：

它能反应出发电机转子绕组正向及反向过电压，并将这一信号上传装置及DCS系统报警。

可控硅跨接器：

在转子绕组发生正、反向过电压时，导通晶闸管或二极管，将转子绕组磁场能量消耗在灭磁电阻上，主要作用是1、灭磁。

2、防护转子绕组过电压。

它由BOD检测板、正向晶闸管、反向二极管、耗能电阻、过电压动作检测器共同构成，请参照静态励磁系统图。

起励装置：

给发电机提供一个初始的励磁电源，使发电机定子绕组建压。

由发电厂的直流系统或交流系统整流后供电。

5S内建压至额定电压的10%（静子），起励装置自动退出。

励磁电流：

给AVR提供一个励磁电流的反馈量，作为恒电流调节的依据，同时也是过励、欠励、强励的辅助判据。

同步变的作用：

1、给AVR装置提供24V装置电源，2、当晶闸管具备导通条件时，提供移相触发信号，即提供控制脉冲与晶闸管整流桥电源同步。

电力系统稳定器（PSS）的作用：

并列运行的发电机在小干拢下发生的频率0.2—2.5HZ范围内的持续振荡现象叫低频振荡。

低频振荡产生的原因是由于电力系统的负阻尼效应，常出现在弱联系、远距离，重负荷输电线路上，在采用快速、高放大倍数励磁系统的条件下更容易发生。

而PSS就是为了解决快速、高放大倍数励磁系统的上述危害，由励磁系统提供的一种软件控制功能，它使用转速、频率、有功功率做为输入信号，经计算机处理，产生一附加控制信号，从而抑制低频振荡。

而PSS装置在发电机并网后才能发挥作用，电气值班员

根据调度员的命令从AVR控制菜单中投入或退出这一功能。

它的投入能提高系统静稳、动稳特性，阻尼发电机低频振荡所带来的危害。

但是发电厂一般不使用此项功能。

6、励磁调节方式：

励磁调节方式从控制上讲分为自动与手动两种、从使用方式上分为发电机并网前及发电机并网后两种、按调节依据的不同可分为恒电压、恒电流、恒无功、恒功率因数调节，恒电压、恒无功、恒功率因数调节为自动调节功能，恒电流调节为手动调节功能，恒电压、恒电流功能在发电机并网前后都能使用，而恒无功及恒功率因数只能在发电机并网后使用，这是因为发电机在并网前处于空载运行状态有功和无功均为零。

恒电压调节：

也称之为AVR即自动调节方式，装置通过机端TV采集到发电机静子电压与装置电压设定值进行比较，得出电压偏差，并作用于移相触发改变晶闸管导通角的大小，从而维持机端电压恒定。

它是大容量发电机在正常运行时优先选用的调节方式。

在其投入运行时，操作员根据需要，随时在就地或DCS上进行增减磁的干预操作。

恒电流调节：

也称之为FCR即手动调节方式，它以励磁电流为调节依据，实现恒励磁电流运行。

由于它采集信号与恒电压调节有本质的区别，因而一般用于调试、维护、实验及TV故障、自动调节故障后可投入运行的一种调节，在发电机正常运行时手动调节实时跟踪自动调节。

恒功率因数调节：

发电机并网运行时，以功率因数为调节依据，维持发电机功率因数在给定水平上。

它一般应用于小容量发电机与大容量

电网并联运行的方式。

恒无功功率调节：

发电机并网运行时，以无功功率为调节依据，维持发电机输出的无功功率在给定水平上。

这种调节方式可以使用户端的无功功率得到充分利用，减少线损。

7、通道跟踪：

大机组为了保证励磁系统运行的稳定与可靠，自动调节与手动调节均为双套冗余配置，AVR装置与FCR装置也形象的称之为通道，即电压通道和电流通道。

这两种调节方式是大机组必须有的调节方式，而恒无功、恒功率因数为用户选择方式。

在发电机正常运行时，可以同时实现通道间与通道内两种跟踪，通道间的跟踪是指两个自动电压通道的互相跟踪，通道内跟踪是指电压通道与电流通道的互相跟踪。

采用上述跟踪的目的是在发生手动及自动通道切换时，对发电机不产生冲击和扰动（静子电压、励磁电流的拢动）也称之为无扰切换。

如A套AVR运行时，A套FCR对其进行实时跟踪，同时B套AVR也对A套AVR进行实时跟踪。

即备用通道总是跟踪工作通道。

无论发电机采用何种调节方式时，通道在人工或自动切换时均应保证无扰切换。

通道切换条件：

人工切换通道时，必须保证工作与目标两通道的控制电压信号一致时，才能进行切换。

通道发生自动切换的原因：

A、PT故障。

B、工作调节器故障（A、B任一套发生故障），C、脉冲故障。

D、装置电源故障。

7、灭磁：

灭磁指是对发电机转子绕组的灭磁，当发电机内部故障时，如定子绕组相间短路，虽然发电机出口断路器已跳闸，但只要转子绕

组中有电流，转子就有磁通，发生短路的绕组中就有故障电流，且故障点的电弧就不会熄灭，此电弧会将发电机的绕组和铁芯损坏。

150MW分为正常停机灭磁和事故停机灭磁两种，发电机正常停机时，由自动励磁调节装置自动逆变灭磁，逆变灭磁是指将晶闸管的控制角改变为大于90度的某种运行状态，励磁电源以反电动势的形式作用于转子绕组上，使励磁电流迅速衰减至零的一种灭磁方法。

特点是它能将转子绕组中的磁场能量通过晶闸管（必须是三相全控桥）反馈到交流电源侧，过电压倍数较低，但灭磁时间较长。

发电机事故停机时由保护跳开灭磁开关，BOD装置触发正向晶闸管导通将耗能电阻接入转子绕组回路进行能量转换灭磁，也称之为灭磁电阻灭磁。

过电压倍数较高，但灭磁时间较短。

逆变灭磁的条件：

A、有停机令。

B、灭磁开关在合位。

C、定子电流小于10%额定值。

当发电机进行逆变灭磁时，10S以内发电机静子电压仍大于10％，AVR发跳MK令对发电机进行事故灭磁。

同时向DCS上传逆变灭磁失败信号。

灭磁电阻灭磁的条件：

A、逆变灭磁失败，B、有外部保护跳闸信号，C、装置内部跳闸令。

8、转子过电压保护：

当发电机转子线圈电流一定时，突然断路或发电机处于滑极等非正常运行状态时，将在转子回路中产生很高的正向或反向过电压。

当发生正向过电压时由BOD装置触发晶闸管导通，当发生反向过电压时由二极管导通，无论是晶闸管还是二极管导通后都将耗能电阻接入转子绕组回路中，以保证转子回路不会开路，使转子电流的变化率降小，从而限制了过电压的水平。

由于采用了可控硅跨器技术，耗能电阻不再局限是非线性还是线性电阻。

9．装置电源引接：

分两路，一路由同步变或励磁变低压侧提供，一路由直流电源提供。

10．起励成功及失败标准：

起励时间5S，建至额定电压的10%。

起励成功。

满足上有述任一条件，起励装置退出；当起励时间达到5S，机端电压未建至额定电压的10%，起励失败，发起励失败信号。

原因有以下内容，有停机令信号、无95%的转速信号、无起励命令、起励回路故障、起励方式设置是否合适。

11、静态励磁系统限制器：

限制器的目的是维护发电机的安全稳定运行，以避免由于外部保护动作而出现的事故停机。

现将各种限制器的功能做以下介绍。

V/HZ限制器（电压频率比值限制器）：

防止发电机的电压频率比值过高，而引起发电机及主变铁芯过度饱和，而引起的过热。

过励限制器：

用于限制转子绕组的最大励磁电流，防止转子绕组过热。

欠励限制器：

防止发电机励磁电流过度减小，造成发电机失步。

P/Q限制器：

它实质上是一个欠励限制器，防止发电机进入不稳定运行区域。

即发电机在正常运行时，无功与有功有着一一对应关系，根据对应关系而设置的限制曲线。

定子电流限制器：

限制定子电流的无功部分，防止发电机在过励或欠励范围内运行时，定子绕组过热。

12、发电机的建压：

发电机建压有两种，一是预置建压法，指的是通过对装置内部的设置，当发电机起励成功后，装置自动将发电机静子电压升至设定水平。

二是零起升压法，指的是发电机转速达到95%以上时，由起励装置提供初始励磁电流，建压至初始水平，再由人工发增磁命令缓慢升至额定电压。

13、励磁系统开机前的检查

1）检查装置电源，包括：

230V直流电源、由同步变提供的交流电源、冷却系统电源、各柜照明电源、起励电源、励磁变温控器电源小开关在合入位并正常，交流进线柜刀闸在合，灭磁开关无异常。

2）检查励磁装置有无异常报警信号，装置与DCS之间的通讯良好。

3）检查通道跟踪功能是否投入，励磁调节方式投恒电压调节，各柜之间通讯是否正常，选择的起励方式是否正确。

4）功率柜脉冲投切开关在正确位置，逆变灭磁压板必须在退出位置。

14、开机操作：

当发电机转速升到额定的95％时，合灭磁开关，在AVR菜单上进行远方起励，发电机在5—10秒内电压升到额定的90％左右，再由人工操作增磁升至额定，再由同期装置将发电机并入电网。

通过增减磁功能将发电机无功维持在允许范围内。

多台发电机并列运行时，如励磁系统的调差系数设置不合理时，发电机在并列的瞬间将与运行机组发生抢无功现象，所以要求值班员在第二台机投运时，一定要注意这个问题，一旦发生抢无功现象，应迅速人为干预，调整各

发电机无功在允许运行范围内

15、静态励磁系统就地功能柜各面板的作用，分为功率柜面板、灭磁柜面板、调节柜面板，它们的作用如下：

一、功率柜面板；1）显示6个桥臂电流。

2）功率柜的输出电流、3）冷却风机的工作状态。

4）风道的温度显示。

5）当前及历史故障查询。

二、灭磁柜面板：

1、显示灭磁开关的分合状态。

2、就地对灭磁开关的操作。

3、过电压保护动作的次数。

4、灭磁开关的分合次数。

5、转子绕组温度显示。

三、调节柜面板：

1、设置功能。

2、起励功能。

3、画面调用。

4、上传报警。

5、参数整定。

6、参数监视。

16、功率柜投切控制由AVR装置自动完成，也可由人工操作完成，发生自动退柜的原因如下：

功率柜风机停运超温、桥臂断流、桥臂短路、AVR内部跳闸令、外部保护跳闸令。

当本柜输出电流超过100A时，自动启动风机。

当本柜输出电流小于50A时，风机自动停运。

风机启停操作也可以在就地由人工完成。

AVR操作菜单上的状态信号及操作功能：

1）逆变失败、2）PSS投入、3）PSS闭锁、4）投励磁、5）远方起励、6）起励失败、7）增磁、8）减磁、9）灭磁开关误分。

AVR装置给DCS上传的状态及异常报警信号：

（部分）A通道运行、B通道运行、灭磁开关合、灭磁开关分、调节器PT故障、24V电源Ⅰ故障、24V电源Ⅱ故障、220V直流电源Ⅰ故障、220V直流电源Ⅱ故障、厂用交流电源故障、调节器故障、调节器检测装置故障、过电压保护动作、脉冲故障、功率柜故障、过励动作、欠励动作、通讯故障。

因异常报警信号非常多在这里不一一例举。

下面就一些异常报警信号内容含义进行说明

1、PT故障：

调节器发PT故障信号是指A通道用PT或B通道用PT故障，如一二次保险熔断等故障，如当前运行通道发生此故障，调节器会自动切换到备用通道运行。

2、交流电源故障：

是指厂用交流电源供电故障，因励磁系统的照明、风机、都由交流电源供电，而风机停运受时间限制，因尽快查明原因恢复供电。

3、直流电源故障：

是指220V直流电源故障，出此故障励磁系统仍能正常工作，但灭磁开关已不能操作，因尽快处理。

4、过电压保护动作：

是指转子正向或反向过电压保护动作，这时应检查与耗能电阻相串联的保险是否有熔断，耗能电阻是否完好。

5、调节器故障：

是指A或B套调节器硬件及软件故障，当运行通道发生此故障时，调节器会自动切换至备用通道运行。

6、脉冲故障：

是指触发脉冲故障，如该故障长时间存在则可能是同步信号出了问题。

7、通讯故障：

是指系统各柜之间以及与DCS系统之间的通讯中断。

8、功率柜故障：

是指风机故障、快熔保险熔断、阻容系统保险熔断、桥臂断流等综合故障。

这时应检查快熔或阻容回路的保险

是否熔断

19、晶闸管的保护功能：

在静态励磁系统中，大功率的晶闸管是核心元件，但它的过载能力有限，所以在其每个桥臂输入端都装设有快速熔断保险，晶闸管的过载电流越大保险的熔断时间就越短以防止其长时间过载而损坏。

同时在静态励磁系统中，由于各种各样的原因会在交直流回路中产生过电压，其原因可分为由励磁变交流侧带来的传递过电压，由晶闸管整流换相时产生的换相过电压，这些过电压都可能导致晶闸管损坏，因此在晶闸管的输入侧装设阻容吸收回路，对晶闸管进行过电压保护。

20、快熔及阻容保护原理图

控制系统术语含义：

DEH—汽轮机数字电夜调整系统

SCS—顺序控制系统

FSSS—锅炉安全监控系统

CCS—协调控制系统

MFT—锅炉燃料总跳闸

DAS—数据采集系统

ETS—汽轮机紧急跳闸

TSI—汽轮机安全监控系统

OPC—汽轮机超速

RB—辅机故障减负荷

ASS—自动准同期装置

ECS—电气控制系统

NCS—网络计算机控制系统

DCS—计算机分散控制系统