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技术与安全知识 |
发电机励磁系统的作用、特性和故障检查 |
摘要：励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称，它直接影响发电机的运行特性。励磁系统作用是维持电压水平、提供无功功率，并可以保证发电机的正常运行，并且对于电力系统的稳定性和可靠性也有着重要的影响。康明斯公司在本文中着重介绍了励磁系统的作用和其工作原理及常见故障的处理，希望能够对读者有所帮助。
一、发电机励磁系统的主要作用
同步发电机励磁电源一般采用直流电，励磁系统的作用主要就是供给发电机转子绕组的直流电源。同步发电机励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成。励磁功率单元包括整流装置及其交流电源，它向发电机的励磁绕组提供直流励磁功率；励磁调节器，感受发电机电压及运行工况的变化，自动地调节励磁功率单元输出励磁电流的大小，以满足系统运行要求。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。执行主要任务如下：
1、维持发电机端电压在给定值
当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。维持电压水平是励磁控制系统的最主要的任务，有以下3个主要原因：
（1）保证电力系统运行设备的安全。
电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和最高运行电压。保持发电机端电压在容许水平上，是保证发电机及电力系统设备安全运行的基本条件之一，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下，而且能在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。 发电机运行规程规定，大型同步发电机运行电压不得高于额定值的110％。
（2）保证发电机运行的经济性。
发电机在额定值附近运行是最经济的。如果发电机电压下降,则输出相同的功率所需的定子电流将增加,从而使损耗增加。规程规定大型发电机运行电压不得低于额定值的90％；当发电机电压低于95％时，发电机应限负荷运行。其他电力设备也有此问题。
（3）提高电压能力和稳定要求
励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且是最为简单、经济而有效的措施。
2、满足负载需求
发电机励磁系统还需要根据实际负载需求来调节发电机输出电压，以确保满足当前负载要求。这样既能保证负载设备正常运行，也能确保电力系统的安全运行。
3、提高发电效率
发电机励磁系统可以通过调节发电机的励磁电流，优化发电机输出的电压和电流波形，从而提高发电效率。这不仅有助于降低能源消耗，还能减少发电机的损耗和维护成本。
4、保障电力系统稳定运行
发电机励磁系统不仅可以保证发电机的稳定输出电压，还能增强电力系统的稳定性。这是因为，发电机励磁系统可以帮助控制电力系统的电压和频率，并抵消负载波动对电力系统稳定性的影响。
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图1 高压无刷励磁发电机外形图 |
图2 低压无刷励磁发电机外形图 |
二、发电机励磁系统原理与特性
1、工作原理
励磁是指在电力系统中对发电机进行电磁激励以使其产生电能的过程。励磁系统的工作原理如下：
（1）动态励磁：
如图3所示，在励磁机上通过电源施加直流电流，这些电流通过励磁机的线圈，在励磁机中产生磁场。这个磁场产生的磁通量通过气隙和转子，进入发电机的定子线圈。定子线圈中的磁通量和转子上的感应电动势相互作用，产生电流。这个电流在电力系统中循环，推动电机发电。
（2）静态励磁：
如图4所示，使用静止的励磁变压器和整流器来完成励磁。交流电源输入励磁变压器，变压器将高电压降低并提供给整流器，整流器将交流电转换为直流电。直流电流通过励磁变压器的次级线圈和发电机的励磁线圈，产生磁场。励磁线圈中的磁通量和转子上的感应电动势相互作用，使发电机产生电流。
通过控制励磁电流的大小和方向，可以调节发电机产生的电能的性质，例如电压和频率等。这样就能满足电力系统中对电能的不同需求。
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图3 发电机励磁系统动态励磁原理 |
图4 发电机励磁系统静态励磁原理 |
2、励磁系统特性
（1）电压的调节
自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统，如图5所示。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。
（2）无功功率
发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改变发电机励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电流也跟着变化。当发电机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的无功功率，必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”，而是只是改变了送入系统的无功功率。
并联运行发电机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机端电压的调差率有三种调差特性：无调差、负调差和正调差，如图6所示。两台或多台有差调节的发电机并联运行时，按调差率大小分配无功功率。调差率小的分配的无功多，调差率大的分配到的无功少。
如果发电机变压器单元在高压侧并联，因为变压器有较大的电抗，如果采用无差特性，经变压器到高压侧后，该单元就成了有差调节了。若变压器电抗较大，为使高压母线电压稳定，就要使高压母线上的调差率不至太大，这时发电机可采用负调差特性，其作用是部分补偿无功电流在主变压器上形成的电压降落，这也称为负荷补偿。 调差特性由自动电压调节器中附加的调差环节整定。与大系统联网的发电机组，调差率Ku在土(3%～10%)之间调整。
（3）无功负荷
并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。大容量发电机应负担较多无功负荷，而容量较小的负则提供较少的无功负荷。为了实现无功负荷能自动分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电机励磁电流维持其端电压不变，还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。
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图5 发电机励磁系统电压调节示意图 |
图6 发电机无功功率分配曲线 |
二、励磁系统故障检查和分析
1、励磁系统的检查
基于探测线圈的检测方法是通过监测定、转子之间气隙磁场的变化情况来估测运行状态或判断故障，已经应用于三相无刷励磁机中。图7所示为在传统的内转子型三相无刷励磁机上安装的q轴探测线圈，通常将工字形结构的线圈支架安装在定子相邻的磁极之间，支架上有两根沿励磁机轴向分布的平行细柱。在这两根细柱之间绕制的多匝线圈就是q轴探测线圈。励磁机电枢绕组产生的（非同步）空间谐波磁场会在静止的q轴探测线圈中感应出电动势，通过测量q轴探测线圈电压可估测主发电机的励磁电流，解决励磁机旋转整流器输出电流（即提供给主发电机的励磁电流）无法直接测量的问题；还可以用q轴探测线圈感应电动势的幅频特性作为故障特征量，对旋转整流器的各类故障进行检测与识别。
（1）开关量的检查
励磁系统电路如图8所示。模拟调节器开关量输出，检查信号是否正确。给调节器发“开机”信号时，PT电压在8S内未达到30%时，发“起励失败”信号；当手动、PT断线、过励限制、强励限制、低频保护、低励限制等信号出现时，均有异常信号发出，并在面板上有相应的指示灯亮调节器功能模拟试验。
（2）模拟量的检测
● 发电机PT电压测量校正
在端子排上短接励磁PT（LPT）和仪表PT（YPT）（分相端接）以及系统PT（XPT）（有些装置上没有采用）。加入三相正相序的0~120V电压，以额定机组电压为基准值，每隔10V记录测量显示值。修改参数或调整测量回路的电位器，使显示值与实际值（PT二次电压）折算到侧的电压值一致。
● 发电机CT电流测量校正
在端子排上加入三相正相序的0~5A（或0~1A）电流，以额定的定子电流为基准，记录测量显示值。修改参数或者调整测量回路的电位器，使显示值与实际值（CT二次电流）折算到侧的电流值一致。
● 励磁电流（IL）或励磁电压（UL）测量校正
按照电流传感器的输出电压值或电流值，在端子排上加入的0~20mA（4~20mA）的电流或0~5V的电压信号。按照电流传感器的变比折算到励磁电流的实际值。修改参数或调整测量回路的电位器，使显示值与所加电压或电流折算的实际值（按照电流传感器的变比折算到励磁电流的值）折算到侧的电压值一致。
2、分析及处理案例
（1）励磁机整流输出故障及处理。
斯坦福发电机励磁方式为无刷励磁式（系统接线方式如下），升压时给起励电流后，发电机电压变化不大，多次实验结果一样，用三相调压器直接加电压至励磁功率回路进行整流，输出至额定电流时发电机电压仍只到30%.励磁装置输出电流正常，达到额定电流后发电机电压仍然升不起来基本可以排除励磁故障。经检查发现励磁机整流部分输出不正常，经检查为整流二极管有故障，解决后升压正常。
（2）励磁PT电压故障及处理。
国产发电机可控硅自并激励磁系统，发电机到额定转速后，运行人员在励磁调节柜上操作“开机”开关，发电机开机起励后，发电机电压表指针不动，励磁变副边电压表很快满表，随即保护动作，灭磁开关跳开，检查发现灭磁开关两个触头烧熔，灭磁开关正上方的-C相可控硅散热器被严重熏黑，继续检查发现励磁变压器高压保险（10A）三相由于来不及熔断，本体均被炸飞掉，高压保险柜被验证熏黑。
经检查造成事故的主要原因是PT电压没投入，就以“自动”方式开机升压。由于自动励磁调节器是以PT电压作为反馈量，没有检测到反馈电压，控制角一直保持在角度。励磁电流会一直上升，发电机电压一直会上升到饱和点，此时励磁电流继续增加，由于电流的增加率很大，电压会达到1.5倍以上，励磁变压器高压保险的电流和电压均超过额定值，高压保险来不及熔断，熔断时的能量很大，超过了保险管内部吸收的极限，被炸飞掉。保险炸飞后三相之间相互拉弧造成发电机三相短路，发电机差动保护动作，跳开灭磁开关。
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图7 无刷励磁发电机故障探测装置 |
图8 发电机励磁接线图 |
总结：
励磁系统作为发电机的重要组成部分，通过维持励磁电流、调节发电机的输出电压和提供短路电流等功能，保证了发电机的正常运行和电力系统的稳定性。其工作原理主要包括励磁电路的搭建、励磁调节和励磁稳定等方面。通过深入了解励磁系统的作用和工作原理，可以更好地理解电力系统的运行机制，并且对于电力系统的运行和维护有着重要的指导意义。
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