技術(shù)與安全知識(shí)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的作用、特性和故障檢查

 

摘要：勵(lì)磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備的統(tǒng)稱(chēng)，它直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。勵(lì)磁系統(tǒng)作用是維持電壓水平、提供無(wú)功功率，并可以保證發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，并且對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)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(lì)磁系統(tǒng)的作用和其工作原理及常見(jiàn)故障的處理，希望能夠?qū)ψx者有所幫助。 

 

一、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主要作用

 

      同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源一般采用直流電，勵(lì)磁系統(tǒng)的作用主要就是供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的直流電源。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩部分組成。勵(lì)磁功率單元包括整流裝置及其交流電源，它向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組提供直流勵(lì)磁功率；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，感受發(fā)電機(jī)電壓及運(yùn)行工況的變化，自動(dòng)地調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元輸出勵(lì)磁電流的大小，以滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行要求。整個(gè)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。執(zhí)行主要任務(wù)如下：

1、維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定值

      當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱來(lái)恒定機(jī)端電壓。維持電壓水平是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的最主要的任務(wù)，有以下3個(gè)主要原因：

（1）保證電力系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的安全。

      電力系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備都有其額定運(yùn)行電壓和最高運(yùn)行電壓。保持發(fā)電機(jī)端電壓在容許水平上，是保證發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的基本條件之一，這就要求發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不但能夠在靜態(tài)下，而且能在大擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)下保證發(fā)電機(jī)電壓在給定的容許水平上。  發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，大型同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓不得高于額定值的110％。

（2）保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

      發(fā)電機(jī)在額定值附近運(yùn)行是最經(jīng)濟(jì)的。如果發(fā)電機(jī)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(guī)程規(guī)定大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓不得低于額定值的90％；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于95％時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)限負(fù)荷運(yùn)行。其他電力設(shè)備也有此問(wèn)題。

（3）提高電壓能力和穩(wěn)定要求

      勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的改善，都有顯著的作用，而且是最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而有效的措施。

2、滿(mǎn)足負(fù)載需求

      發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)還需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載需求來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，以確保滿(mǎn)足當(dāng)前負(fù)載要求。這樣既能保證負(fù)載設(shè)備正常運(yùn)行，也能確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3、提高發(fā)電效率

      發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，優(yōu)化發(fā)電機(jī)輸出的電壓和電流波形，從而提高發(fā)電效率。這不僅有助于降低能源消耗，還能減少發(fā)電機(jī)的損耗和維護(hù)成本。

4、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行

     發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定輸出電壓，還能增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這是因?yàn)椋l(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可以幫助控制電力系統(tǒng)的電壓和頻率，并抵消負(fù)載波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

 

圖1  高壓無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)外形圖

圖2  低壓無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)外形圖

 

二、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理與特性

 

1、工作原理

      勵(lì)磁是指在電力系統(tǒng)中對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁激勵(lì)以使其產(chǎn)生電能的過(guò)程。勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理如下：

（1）動(dòng)態(tài)勵(lì)磁：

      如圖3所示，在勵(lì)磁機(jī)上通過(guò)電源施加直流電流，這些電流通過(guò)勵(lì)磁機(jī)的線(xiàn)圈，在勵(lì)磁機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通量通過(guò)氣隙和轉(zhuǎn)子，進(jìn)入發(fā)電機(jī)的定子線(xiàn)圈。定子線(xiàn)圈中的磁通量和轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互作用，產(chǎn)生電流。這個(gè)電流在電力系統(tǒng)中循環(huán)，推動(dòng)電機(jī)發(fā)電。

（2）靜態(tài)勵(lì)磁：

      如圖4所示，使用靜止的勵(lì)磁變壓器和整流器來(lái)完成勵(lì)磁。交流電源輸入勵(lì)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(zhuǎn)換為直流電。直流電流通過(guò)勵(lì)磁變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線(xiàn)圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)。勵(lì)磁線(xiàn)圈中的磁通量和轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互作用，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流。

      通過(guò)控制勵(lì)磁電流的大小和方向，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能的性質(zhì)，例如電壓和頻率等。這樣就能滿(mǎn)足電力系統(tǒng)中對(duì)電能的不同需求。

 

 

圖3  發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)勵(lì)磁原理

圖4  發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)靜態(tài)勵(lì)磁原理

 

2、勵(lì)磁系統(tǒng)特性

（1）電壓的調(diào)節(jié)

      自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)可以看成為一個(gè)以電壓為被調(diào)量的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，如圖5所示。無(wú)功負(fù)荷電流是造成發(fā)電機(jī)端電壓下降的主要原因，當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓將隨無(wú)功電流的增大而降低。但是為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求，發(fā)電機(jī)的端電壓應(yīng)基本保持不變，實(shí)現(xiàn)這一要求的辦法是隨無(wú)功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。

（2）無(wú)功功率

      發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為是與無(wú)限大容量電源的母線(xiàn)運(yùn)行，要改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，感應(yīng)電勢(shì)和定子電流也跟著變化，此時(shí)發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流也跟著變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)與無(wú)限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為了改變發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。此時(shí)改變的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流并不是通常所說(shuō)的“調(diào)壓”，而是只是改變了送入系統(tǒng)的無(wú)功功率。

      并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組無(wú)功功率合理分配與發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)差率有關(guān)。發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)差率有三種調(diào)差特性：無(wú)調(diào)差、負(fù)調(diào)差和正調(diào)差，如圖6所示。兩臺(tái)或多臺(tái)有差調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，按調(diào)差率大小分配無(wú)功功率。調(diào)差率小的分配的無(wú)功多，調(diào)差率大的分配到的無(wú)功少。

      如果發(fā)電機(jī)變壓器單元在高壓側(cè)并聯(lián)，因?yàn)樽儔浩饔休^大的電抗，如果采用無(wú)差特性，經(jīng)變壓器到高壓側(cè)后，該單元就成了有差調(diào)節(jié)了。若變壓器電抗較大，為使高壓母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，就要使高壓母線(xiàn)上的調(diào)差率不至太大，這時(shí)發(fā)電機(jī)可采用負(fù)調(diào)差特性，其作用是部分補(bǔ)償無(wú)功電流在主變壓器上形成的電壓降落，這也稱(chēng)為負(fù)荷補(bǔ)償。 調(diào)差特性由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器中附加的調(diào)差環(huán)節(jié)整定。與大系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組，調(diào)差率Ku在土(3%～10%)之間調(diào)整。

（3）無(wú)功負(fù)荷

      并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)根據(jù)各自的額定容量，按比例進(jìn)行無(wú)功電流的分配。大容量發(fā)電機(jī)應(yīng)負(fù)擔(dān)較多無(wú)功負(fù)荷，而容量較小的負(fù)則提供較少的無(wú)功負(fù)荷。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)功負(fù)荷能自動(dòng)分配，可以通過(guò)自動(dòng)高壓調(diào)節(jié)的勵(lì)磁裝置，改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流維持其端電壓不變，還可對(duì)發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性的傾斜度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)無(wú)功負(fù)荷的合理分配。

 

圖5  發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)示意圖

圖6  發(fā)電機(jī)無(wú)功功率分配曲線(xiàn)

 

二、勵(lì)磁系統(tǒng)故障檢查和分析

 

1、勵(lì)磁系統(tǒng)的檢查

      基于探測(cè)線(xiàn)圈的檢測(cè)方法是通過(guò)監(jiān)測(cè)定、轉(zhuǎn)子之間氣隙磁場(chǎng)的變化情況來(lái)估測(cè)運(yùn)行狀態(tài)或判斷故障，已經(jīng)應(yīng)用于三相無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)中。圖7所示為在傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子型三相無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)上安裝的q軸探測(cè)線(xiàn)圈，通常將工字形結(jié)構(gòu)的線(xiàn)圈支架安裝在定子相鄰的磁極之間，支架上有兩根沿勵(lì)磁機(jī)軸向分布的平行細(xì)柱。在這兩根細(xì)柱之間繞制的多匝線(xiàn)圈就是q軸探測(cè)線(xiàn)圈。勵(lì)磁機(jī)電樞繞組產(chǎn)生的（非同步）空間諧波磁場(chǎng)會(huì)在靜止的q軸探測(cè)線(xiàn)圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)測(cè)量q軸探測(cè)線(xiàn)圈電壓可估測(cè)主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，解決勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流（即提供給主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流）無(wú)法直接測(cè)量的問(wèn)題；還可以用q軸探測(cè)線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅頻特性作為故障特征量，對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器的各類(lèi)故障進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別。

（1）開(kāi)關(guān)量的檢查

      勵(lì)磁系統(tǒng)電路如圖8所示。模擬調(diào)節(jié)器開(kāi)關(guān)量輸出，檢查信號(hào)是否正確。給調(diào)節(jié)器發(fā)“開(kāi)機(jī)”信號(hào)時(shí)，PT電壓在8S內(nèi)未達(dá)到30%時(shí)，發(fā)“起勵(lì)失敗”信號(hào)；當(dāng)手動(dòng)、PT斷線(xiàn)、過(guò)勵(lì)限制、強(qiáng)勵(lì)限制、低頻保護(hù)、低勵(lì)限制等信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，均有異常信號(hào)發(fā)出，并在面板上有相應(yīng)的指示燈亮調(diào)節(jié)器功能模擬試驗(yàn)。

（2）模擬量的檢測(cè)

● 發(fā)電機(jī)PT電壓測(cè)量校正

      在端子排上短接勵(lì)磁PT（LPT）和儀表PT（YPT）（分相端接）以及系統(tǒng)PT（XPT）（有些裝置上沒(méi)有采用）。加入三相正相序的0~120V電壓，以額定機(jī)組電壓為基準(zhǔn)值，每隔10V記錄測(cè)量顯示值。修改參數(shù)或調(diào)整測(cè)量回路的電位器，使顯示值與實(shí)際值（PT二次電壓）折算到側(cè)的電壓值一致。

● 發(fā)電機(jī)CT電流測(cè)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(zhǔn)，記錄測(cè)量顯示值。修改參數(shù)或者調(diào)整測(cè)量回路的電位器，使顯示值與實(shí)際值（CT二次電流）折算到側(cè)的電流值一致。

● 勵(lì)磁電流（IL）或勵(lì)磁電壓（UL）測(cè)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(hào)。按照電流傳感器的變比折算到勵(lì)磁電流的實(shí)際值。修改參數(shù)或調(diào)整測(cè)量回路的電位器，使顯示值與所加電壓或電流折算的實(shí)際值（按照電流傳感器的變比折算到勵(lì)磁電流的值）折算到側(cè)的電壓值一致。

2、分析及處理案例

（1）勵(lì)磁機(jī)整流輸出故障及處理。

      斯坦福發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式為無(wú)刷勵(lì)磁式（系統(tǒng)接線(xiàn)方式如下），升壓時(shí)給起勵(lì)電流后，發(fā)電機(jī)電壓變化不大，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣，用三相調(diào)壓器直接加電壓至勵(lì)磁功率回路進(jìn)行整流，輸出至額定電流時(shí)發(fā)電機(jī)電壓仍只到30%.勵(lì)磁裝置輸出電流正常，達(dá)到額定電流后發(fā)電機(jī)電壓仍然升不起來(lái)基本可以排除勵(lì)磁故障。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁機(jī)整流部分輸出不正常，經(jīng)檢查為整流二極管有故障，解決后升壓正常。

（2）勵(lì)磁PT電壓故障及處理。

      國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)可控硅自并激勵(lì)磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)到額定轉(zhuǎn)速后，運(yùn)行人員在勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜上操作“開(kāi)機(jī)”開(kāi)關(guān)，發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)起勵(lì)后，發(fā)電機(jī)電壓表指針不動(dòng)，勵(lì)磁變副邊電壓表很快滿(mǎn)表，隨即保護(hù)動(dòng)作，滅磁開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，檢查發(fā)現(xiàn)滅磁開(kāi)關(guān)兩個(gè)觸頭燒熔，滅磁開(kāi)關(guān)正上方的-C相可控硅散熱器被嚴(yán)重熏黑，繼續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁變壓器高壓保險(xiǎn)（10A）三相由于來(lái)不及熔斷，本體均被炸飛掉，高壓保險(xiǎn)柜被驗(yàn)證熏黑。

      經(jīng)檢查造成事故的主要原因是PT電壓沒(méi)投入，就以“自動(dòng)”方式開(kāi)機(jī)升壓。由于自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是以PT電壓作為反饋量，沒(méi)有檢測(cè)到反饋電壓，控制角一直保持在角度。勵(lì)磁電流會(huì)一直上升，發(fā)電機(jī)電壓一直會(huì)上升到飽和點(diǎn)，此時(shí)勵(lì)磁電流繼續(xù)增加，由于電流的增加率很大，電壓會(huì)達(dá)到1.5倍以上，勵(lì)磁變壓器高壓保險(xiǎn)的電流和電壓均超過(guò)額定值，高壓保險(xiǎn)來(lái)不及熔斷，熔斷時(shí)的能量很大，超過(guò)了保險(xiǎn)管內(nèi)部吸收的極限，被炸飛掉。保險(xiǎn)炸飛后三相之間相互拉弧造成發(fā)電機(jī)三相短路，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)。

 

圖7  無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)故障探測(cè)裝置

圖8  發(fā)電機(jī)勵(lì)磁接線(xiàn)圖

 

總結(jié)：

      勵(lì)磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)的重要組成部分，通過(guò)維持勵(lì)磁電流、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓和提供短路電流等功能，保證了發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其工作原理主要包括勵(lì)磁電路的搭建、勵(lì)磁調(diào)節(jié)和勵(lì)磁穩(wěn)定等方面。通過(guò)深入了解勵(lì)磁系統(tǒng)的作用和工作原理，可以更好地理解電力系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，并且對(duì)于電力系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)有著重要的指導(dǎo)意義。

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