1、電氣培訓資料 第二章 發電機機端靜態勵磁系統 第三章 發電機機端靜態勵磁系統 同步發電機是將旋轉形式的機械功率轉換成三相交流電功率的設備。為完成這一轉換，它本身需要一個直流磁場，產生這個磁場的直流電流稱為同步發電機的勵磁電流，也稱為轉子電流。為同步發電機提供勵磁電流的有關設備，即勵磁電壓的建立、調整和使其電壓消失的有關設備統稱為勵磁系統。具有自動控制與自動調節功能的勵磁系統，稱為自動調節勵磁系統。勵磁系統是發電機的重要組成部分。它由供給直流勵磁的電源部分（勵磁功率單元）及控制、調節勵磁的調節器（AVR）兩大部分組成。勵磁功率系統向同步發電機轉子勵磁繞組提供直流勵磁電流。調節器根據發電機端電壓變

2、化控制勵磁功率系統的輸出，從而達到調節勵磁電流的目的。根據我國國家標準GBT7409.17409.31997“同步電機勵磁系統”的規定的定義，同步電機勵磁系統是“提供電機磁場電流的裝置，包括所有調節與控制元件，還有磁場放電或滅磁裝置以及保護裝置。”第一節 對大型發電機勵磁系統的要求在電力系統正常運行和事故運行中，同步發電機的勵磁系統起著重要的作用。發電機勵磁電流的變化主要影響電網的電壓水平和并聯運行機組間無功功率的分配。優良的勵磁調節系統不僅可以保證發電機安全運行，提供合格的電能，而且還能改善電力系統穩定條件。因此，勵磁調節系統的任務主要有以下幾個方面：1）在正常運行條件下，供給發電機勵磁電流

3、，并根據發電機所帶負荷的情況，相應地調整勵磁電流，以維持發電機端電壓在給定水平上。2）使并聯運行的各臺同步發電機所帶的無功功率得到穩定而合理的分配。3）增加并入電網運行的同步發電機的阻尼轉矩，以提高電力系統的動態穩定性及輸電線路的有功功率傳輸能力。4）在電力系統發生短路故障造成發電機機端電壓嚴重下降時，進行強行勵磁，將勵磁電壓迅速增升到足夠的頂值，以提高電力系統的暫態穩定性。5）在同步發電機突然解列、甩負荷時，強行減磁，將勵磁電流迅速減到安全數值，以防止發電機電壓過分升高。6）在發電機內部發生短路故障時，進行快速滅磁，將勵磁電流迅速減到零值，以減小故障損壞程度。7）在不同運行工況下，根據要求對

4、發電機實行過勵磁限制和欠勵磁限制，以確保同步發電機組的安全穩定運行。 為了很好的完成上述各項任務，勵磁系統應滿足以下基本要求：1、對功能方面的要求1）應具備能穩定和調節機端電壓的功能。2）應具備能合理分配或轉移機組間的無功功率的功能。3）能迅速反映本系統故障，并有必要的勵磁限制、滅磁及自我保護功能。4）能迅速反應電力系統故障、具備強勵等控制功能，以提高系統穩定性和改善系統運行條件。2、對性能方面的要求1）具有足夠的調節容量，以適應各種運行工況要求。2）具有足夠的勵磁頂值電壓、勵磁頂值電流及電壓上升速度。勵磁頂值電壓和勵磁頂值電流是指勵磁功率單元在強行勵磁時，可能提供的最高輸出電壓值和電流值，該

5、值與額定工況下的勵磁電壓、勵磁電流之比為強勵倍數；將強勵動作后勵磁電壓在最初0.5s內上升的平均速率定義為勵磁電壓響應比，它是衡量勵磁單元動態行為的一項指標，運行要求勵磁系統應有較高的強勵倍數和快速的響應能力，以滿足電力系統穩定和改善系統運行條件的需要。3）應運行穩定、調節平滑及有足夠的電壓調節精度。4）裝置應反應靈敏、迅速，時間常數小，無失靈區，保證機組在人工穩定區內運行，即功角90°。5）運行可靠，操作維護方便。第二節 機端靜態勵磁系統概述武鄉和信發電公司發電機的勵磁系統采用機端勵磁變自并勵的勵磁系統。其勵磁電源取自發電機自身出口母線上，由一臺勵磁變壓器并聯在發電機端，此變壓器作

6、為交流勵磁電源，通過受勵磁調節器器控制的晶閘管整流裝置直接控制發電機的勵磁。勵磁變、整流器等都是靜止元件，故又稱為靜止勵磁系統或全靜態勵磁系統，如圖3-1所示。自并勵勵磁系統可分6個單元：勵磁變壓器、自動電壓調節器、整流裝置、滅磁及過電壓保護裝置、啟勵回路、輔助設備（必要的監測、保護、報警裝置）。勵磁變壓器將機端電壓降至整流器所需求的電壓值，起到隔離機端和勵磁繞組的作用，同時也起到可控硅補償電抗的作用。整流器可將勵磁變壓器提供的交流電源整流為可控的直流。自動電壓調節器通過控制可控硅整流裝置的導通角，從而控制發電機的磁場電流，使發電機的工況按DAVR控制的模式運行。滅磁裝置在發電機正常或內部故障

7、的情況下可靠動作，其滅磁邏輯為逆變經適當延時跳滅磁開關。配備自并勵靜態勵磁系統的發電機組，發電機出口不能提供足夠剩余電壓來提供整流器建立發電機電壓。為此需要一個起勵回路，可從蓄電池引接一直流220V回路，或從廠用電系統引接380V回路。自并勵勵磁系統工作原理是：閉合發電機磁場斷路器，然后閉合起勵問路中的電源斷路器，使發電機勵磁，最初的勵磁電流能使發電機的電壓上升到額定電壓的1530。當達到額定電壓的10的時候，整流單元就可以運行，并且參與建立發電機電壓過程，起勵回路斷路器輸入端的二極管可以防止整流單元電壓大于起勵回路電壓時，電流倒流，當發電機電壓超過額定電壓的70時，起勵回路斷路器在電流為零的

8、條件下斷開。然后整流器裝置在自動電壓調節器的控制下，提供磁場電流，從而精確的調節同步發電機的電壓和無功功率。自并勵靜態勵磁系統有如下優點：1）與常規勵磁及無刷勵磁相比，由于取消了勵磁機這一中間機械環節，大大減少了維護工作量，增大了運行可靠性，同時，發電機整個軸系縮短，減少了軸系數量，提高了軸系的穩定性，改善了軸系振動，提高了機組的安全運行水平。機組總長減小，廠房長度相應減小，節省了電站建設的一次性投資。2）勵磁回路接線簡單，設備較少，且均屬靜止裝置，運行維護方便，提高了勵磁系統的可靠性。3）勵磁調節速度快，屬于快速勵磁系統，可控硅元件的開關時間為微秒級，勵磁調節裝置由全電子元件構成，時間常數很

9、小，反應迅速，能充分發揮數字式微機調節器的功能，這對反應發電機負荷變化及遠方短路的強勵能力都有很大的好處。4）發電機磁場回路裝設了滅磁開關及非線性電阻，再配以可控硅裝置的逆變滅磁，使發電機的滅磁迅速，可靠，避免了事故的擴大，對發電機的保護有利。5）勵磁調節器直接控制可控硅，調節器按模塊化結構設計，采用工控機及新型電子元器件，輔助功能全，冗余度高，更換方便，提高了整個裝置的可靠性。自并勵系統的缺點是，其整流裝置的電源電壓，在電力系統故障時將隨發電機端電壓下降而下降，可能影響暫態過程中的強勵能力，其中有兩個問題值得研究：第一，發電機近端短路，機端電壓突然降低很多時能否滿足強勵要求，機組是否會失磁；

10、第二，由于強勵減弱時短路電流迅速衰減，帶時限的繼電保護是否會拒絕動作。國內外的分析和試驗研究表明：在其它條件相同的情況下，自勵方式暫態穩定極限比他勵方式約降低2%-5%，為了使自并勵系統和他勵可控硅勵磁系統對電力系統暫態穩定有相同的效果，就要求它的強勵倍數提高20%-30%；在短路剛開始的0.5s以內，自勵方式與他勵方式是很接近的，只在短路0.5s以后才發生明顯差別。因此，只要配合快速保護，完善轉子阻尼系統，采用性能良好的勵磁調節器和可控硅整流裝置，并適當提高勵磁倍數，就足以補償其缺點。另外由于發電機出口都采用封閉母線，出口故障的機率是很低的。第三節 SAVR-2000型自動勵磁調節器由上節內

11、容的學習可以知道，自動勵磁調節器是自并勵系統的重要組成部分，它的性能直接關系到勵磁系統功能的實現及系統性能的好壞。我廠采用的勵磁調節器是國電南瑞生產的SAVR2000發電機勵磁調節裝置，勵磁調節器的根本任務是維持發電機的機端電壓恒定，因此，它的基本功能是調節及控制機端電壓，并能自動調節發電機的無功電流，保證機組間無功功率的穩定分配；在電力系統發生故障時能及時提供一定時間的強勵電流，提高保護靈敏度快速切除系統故障，同時提高系統穩定性；當發電機進入欠勵磁運行時，能自動地不使勵磁電流減得太小，以保證發電機穩定運行；發電機過勵磁運行時，又能自動限制過大的勵磁電流出現，以保證發電機安全運行。與此同時，作

12、為微機型產品，它還具有實時故障診斷及容錯功能，智能調試及計算機輔助分析功能。該調節器具有上橋和下橋兩路可控硅橋式整流電路（在可控硅整流裝置屏內），正常時并列運行，兩路整流電路的交、直流側開關正常運行時均在合閘位。當上橋或下橋其中一路整流電路因某種原因退出運行后，仍能保證發電機的2倍強勵要求。調節器工控機層安裝一臺液晶顯示工控機作為裝置與用戶的人機界面。SAVR2000發電機勵磁調節器的運行界面由7個窗口組成，分別為：主控窗、設置窗、信息窗、開關量窗、報警窗、參數窗和試驗窗。通過點擊窗口下方的分頁欄可以選擇相應的窗口。其中主控窗是運行時的主窗口，在窗口上方正中顯示了當前機組工況狀態和調節器的主要

13、狀態。調節器A、B套主機插箱層是兩套完全獨立的可以互換的控制插箱，兩套插箱之間依靠同步串行口進行通訊，以實現互為跟蹤，互為熱備用的功能。同時通過節點將已方狀態通知對方，以達到自動切換的目的。當兩套均正常工作時，兩套調節器是閉環并列運行的，共同承擔負荷，按任一套上的切換按鈕，即將此套定為主套。當某一套發生故障而退出運行時，即自動切換至另一套而無波動，且允許只用一套工作，一套調節器能夠滿足包括強勵在內的所有工況要求。一、SAVR-2000發電機勵磁調節器裝置的基本原理SAVR2000勵磁調節器采集發電機機端交流電壓Ua、Ub、Uc，定子交流電流Ia、Ib、Ic，轉子電流等模擬量,通過模擬信號板將高

14、壓(100V)、大電流（5A）信號進行隔離并轉換為±5V電壓信號，然后傳輸到主CPU板上的AD轉換器，將模擬信號轉換為數字信號。通常在一個周波內（20ms）采樣32個點。將32個點進行快速傅利葉變換（FFT）就可求出機端電壓基波的幅值及頻率。為了能準確測量有功及無功，需對電壓及電流進行瞬態無相差采樣，即可計算出有功及無功。在正常運行時，DSP（數字信號處理器）根據現場的操作信號進行邏輯判斷，判別是否應該進入用戶程序。若開機條件具備后，應用程序運行。程序的計算模塊根據工控機的控制調節方式的選擇而進行計算，如按機端電壓偏差進行PID（比例-微分-積分）調節，即恒機端電壓運行方式，則DSP

15、轉入電壓偏差PID調節子模塊，計算程序算出觸發角，并將此角度送至大規模可編程邏輯芯片上的計數器產生延時脈沖，脈沖經放大板驅動后即完成一次調節控制。在控制調節的空閑時間，調節器進行各種限制判別、故障檢測、聯機調試、錄波等工作；在雙自動通道系統中，備用通道自動跟蹤主通道的電壓給定值和觸發角。 二、SAVR2000勵磁調節器插件面板的介紹1、雙路供電面板：面板上的開關用于控制“脈沖電源”、“系統電源”面板的輸入電源，自上而下三個燈分別表示：交流220V、直流220V、直流220V輸出（三個燈正常時應亮）。2、脈沖電源面板：面板上的開關用于控制脈沖電源及操作電源的輸出，自上而下三個燈分別表示：脈沖電源

16、、開出繼電器操作電源、開入電源（1）（正常時三個燈應亮）。3、系統電源面板：面板上的開關用于控制主機電源的輸出，自上而下三個燈分別表示：+5V、+12V、12V（正常時應亮）。4、模擬信號面板：面板上的三個燈分別表示+5、-12V、+12V（正常時應亮），在燈的下方是一個測試窗。5、主CPU面板：面板上共有8個燈，分別表示：+5V、+12V、-12V、主/從、運行閃爍、故障、運行、調試。5.1“主/從”：表示該套是主套還是從套，亮表示主套。5.2“運行閃爍”：表示CPU運行狀態，其閃爍的頻率隨運行狀態的不同而變化。通常，負載運行時為1次/3秒，空載運行時為1次/1秒，待機運行時為3秒/1次。常

17、亮或常滅表示CPU不運行。5.3“故障”：表示該套運行不正常或外界回路有故障。5.4“運行”及“調試”：分別表示該套是自動運行狀態還是人工調試狀態，它由面板上的“運行/調試”開關位置決定，通常應置于“運行”位置。5.5面板上的“主/從切換”按鈕：用于兩套間的人工切換，該按鈕為自復位式按鈕，當該套正常運行時，按下切換按鈕即可設置該套為主機方式。5.6開關信號面板：面板上的三個燈分別表示：開入24V電源（1）、開出電源及故障。當主CPU板檢測到調節器故障及硬件看門狗動作時，該故障燈點亮。下面兩排燈分別表示開入開出的狀態，亮表示通、滅表示斷。其中X1X16為開入信號，Y1Y16開出信號（各開入、開出

18、信號燈意義見下文）。5.7脈沖放大面板：面板上的三個燈分別表示脈沖電源、脈沖輸出和脈沖故障。其中“脈沖輸出”燈亮表示該套為主套，脈沖由此套供給；“脈沖故障”表示該插件輸入的未經放大的脈沖信號故障或脈沖電源有問題。三、限制保護功能發電機工作時，為保護安全運行和不輕易跳閘，備有許多限制功能，它們是：V/F限制、強勵反時限限制、過勵限制、欠勵限制等，分別介紹如下：1、V/F限制：空載時，當發電機頻率在4547.5HZ時，調節器自動將電壓降低，當低于45HZ時，調節器自動逆變滅磁。防止發電機和主變壓器在空載、甩負荷和機組啟動期間，由于電壓升高或頻率降低使發電機及主變壓器鐵芯飽和而引起的發熱超過允許值。

19、2、強勵反時限限制：轉子電流超過110%額定值時，調節器自動對其進行限制，使其不超過110%額定值。強勵時間決定于磁場繞組熱容量允許值。3、過勵限制：發電機無功超過規定值時，調節器延時20S后自動將其限制在規定值。防止轉子繞組長期過載而造成過熱燒損。4、欠勵限制：發電機無功進相超過規定值時，調節器立即將其限制在規定值以內，以防止發電機深度進相失穩。還有如空載勵磁限制（也叫起勵超調限制），主要是避免發電機在起勵升壓過程中電壓較低，勵磁調節器產生不必要的強勵作用及減少電壓上升過程的超調量。在發電機并網后，空載勵磁限制單元便自動退出工作，以使發電機能帶上無功負荷。四、開關信號面板上開入、開出信號（分

20、別為X、Y兩列，每列16個）的意義1、開入信號編號表示意義編號表示意義X1增磁（或手動增磁）X2減磁（或手動減磁）X3預留X4開機令（DZA或DZB合上）X5停機令（逆變滅磁；DZA、DZB斷開；FMK分閘；手動）X6預留X7主開關（運行中該燈不亮，將影響限制功能）X8預留X9功率柜熔絲熔斷X10功率柜停風X11整流柜故障X12-16預留2、開出信號編號表示意義編號表示意義Y1調節器告警Y2調節器限制Y3風機控制（風機投滅；風機不投亮）Y4-7Y8PT斷線Y9過勵限制Y10欠勵限制Y11強勵限制Y12V/F限制Y15-16預留Y13-14并網后,轉子電流低于430A時，自動斷開DZADZB，合

21、上DZC開關第四節 勵磁回路自動滅磁及過電壓保護裝置發電機發生內部故障時，雖然繼電保護裝置能快速地把發電機與系統斷開，但磁場電流產生的感應電勢繼續維持故障電流。無論是發電機機端短路或部分繞組內部短路，時間較長，都可能造成導線的熔化和絕緣的燒壞如果系統對地故障電流足夠大時，還要燒鐵芯。因此，當電機發生內部故障，在繼電保護動作切斷主電源的同時，還要求迅速地滅磁。所謂滅磁就是把轉子勵磁繞組中的磁場儲能盡快地減弱到盡可能小的程度。最簡單的辦法是將勵磁回路斷開。但勵磁繞組具有很大的電感，又由于直流電流沒有像交流電流那樣有過零值的時刻，突然斷開時，會在其兩端產生很高的過電壓，危及勵磁回路設備絕緣。因此，在

22、斷開勵磁電源的同時，還應將轉子勵磁繞組自動接入到放電電阻或其他吸能裝置上去，把磁場中儲存的能量迅速消耗掉。完成這一過程的主要設備就叫自動滅磁裝置。為減少故障范圍擴大，要求滅磁迅速。滅磁時間愈短，短路電流所造成的損害愈小，一般按同步電機定子繞組電勢降低到接近于零所需的時間來評價各種滅磁方法的優劣。同時，還要限制滅磁時轉子上的過電壓不應超過滑環間過電壓的容許值。一、自動滅磁系統應滿足以下幾個要求1、滅磁時間應盡可能短。2、當滅磁開關斷開勵磁繞組時，繞組兩端產生的過電壓應在繞組絕緣允許的范圍內，即滑環間容許的過電壓值。3、滅磁裝置的電路和結構型式應簡單可靠。滅磁開關應有足夠大容量能遮斷發電機各種可能

23、故障工況下的最大故障轉子電流，滅磁耗能元件容量應大于發電機各種可能故障工況下發電機轉子最大儲能所需吸收部分。圖3-2 線性電阻滅磁和過電壓保護原理接線圖FMK滅磁開關 Ro線性滅磁電阻FR2，FR3過電壓保護壓敏電阻由原理圖可見，滅磁系統由三部分組成：（1）FMK：滅磁開關；（2）滅磁用線性電阻Ro；（3）過電壓保護用非線性電阻FR2、FR3。二、滅磁裝置的工作原理1、發電機正常運行時工況發電機運行時，滅磁開關FMK合閘，兩個常開主觸頭閉令，常閉主觸頭拉開，發電機勵磁電壓經二極管或可控硅加在非線性電阻FR2、FR3上。對于滅磁線性電阻Ro，在發電工況時，不接入主回路。對于過電壓保護非線性電阻F

24、R2、FR3因有正向可控硅，在過電壓達動作觸發之前，可控硅關斷，回路無正向電流，也無反向電流。正常時， FR2、FR3不流過電流，不消耗能量，不影響主回路工作。2、發電機正常運行中，發生過電壓氧化鋅非線形電阻的伏安特性見圖3-3，發電機運行中，過電壓保護非線性電阻FR2、FR3原工作點在A1處。如果產生過電壓能量，如正向過電壓，則當該能量積累使得正向過電壓超過過電壓動作整定值后，則FR2、FR3的控制觸發回路啟動，可控硅導通非線性電阻兩端所加的電壓，因超過非線性電阻的壓敏電壓值而快速導通，消耗轉子過電壓能量。這時非線性電阻的工作點由原A1點移至A2點，當過電壓能量被釋放后，過電壓值下降，則工作

25、點又回復到正常工作點A1，這時發電機轉子電壓回復正常如發生反向過電壓，由非線性電阻FR2、FR3的工作點沿著伏安特性曲線向負橫軸方向移動，當反向過電壓值超過FR2、FR3動作壓敏電壓拐點后FR2，FR3反向開通，運行工作點在A3，當過電壓能釋放完畢后，過電壓降低直至消失，非線性電阻FR2、FR3的工作點又由A3移回至A1點，由上面的分析可知，因發電機轉子過電壓能量有限,只要FR2、FR3能量足夠大，則發電機轉子的電壓被有效地限制在-Ulm至+Ulm之間，這就保護了轉子的絕緣。 3、發電機停機滅磁工況當發電機正常或故障停機時，都可依靠該裝置進入快速滅磁并在滅磁過程中控制勵磁回路產生的過電壓在安全

26、范圍內FMK在收到停機指令后，閉合常閉主觸頭，同時拉開兩個常開主觸頭。當滅磁開關分閘時，轉子兩端的電壓值與滅磁電阻的阻值有密切關系，根據設計要求，轉子滅磁時的過電壓值一般不超過額定勵磁電壓值的57倍。而另一方面，轉子回路放電時，串入的電阻值越大，則阻力矩越大，對轉子回路的滅磁越有利，所以又希望滅磁電阻的阻值不至于太小。根據這兩方面的要求，一般選取滅磁電阻的阻值為轉子直流電阻的35倍。另外要考慮到線性電阻能承受足夠的滅磁電流，不至于因為發熱功率太小而燒壞。三、可控硅元件的過電壓保護可控硅元件在使用中，會因為電流過大或承受的反壓過大而損壞，所以要采取一定的措施來加以保護。防止因為過電流而損壞硅元件

27、，一般采用快速熔斷器，一般設計每一個可控硅元件橋臂中都串聯一只快速熔斷器，這主要是防止回路中直流側有短路等情況后，電流急劇增加而損壞可控硅元件，或者因為某一個硅元件損壞而造成短路引起事故。為了達到保護硅元件的目的，快熔選配的熔斷所需熱容量一般要比可控硅元件過流損壞的熱容量小，同時又要保證整流回路能提供足夠的勵磁電流。可控硅元件關斷時產生的關斷過電壓（又叫換相過電壓）也需要加以保護。可控硅元件在承受反向電壓關斷時，由于電流的突變，會引起元件兩端產生過電壓，所以在回路中用阻容回路加以吸收。在可控硅整流橋工作時，交流側電壓的波形有許多尖峰過電壓，當電壓值較高時，這些尖峰過電壓值可能會很高，這對元件的長期使用會造成影響。這一部分的過電壓一般也采用阻容回路加以吸收。 第五節 勵磁系統的正常運行和維護勵磁系統正常運行中的檢查中，全系統內的設備應無異響、無過熱、無焦糊味、各熔斷器完整良好；各指示燈、開關、刀閘與實際運行方式相符，繼電器無不正常掉牌；各表計指示穩定，無不正常擺動，運行情況相符，不超銘牌