同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)培訓講義

1、同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)培 訓 講 義,四 川 德 陽 東 方 電 機 控 制 設 備 有 限 公 司 編,前 言東方電機控制設備有限公司前身早在1964年誕生于東方電機廠內，當時分成設計、工藝、檢查、采購和生產車間的形式分別隸屬于各個職能部門。國家的每個五年計劃中，東電控制人都承擔了發(fā)電控制設備的研發(fā)攻關任務，先后研制生產了磁放大器式勵磁調節(jié)裝置、晶體管式勵磁調節(jié)裝置、晶閘管整流型勵磁裝置、集成電路勵磁調節(jié)裝置和微機型勵磁調節(jié)器

2、，是國內主要制造生產企業(yè)之一。研發(fā)、生產出的近五百套產品，有效地保證了國內如烏江、龔嘴、葛洲壩、銅街子、映秀灣、龍羊峽、安康、萬安、漫灣、李家峽、寶珠寺、大朝山等大、中型水電站以及出口美國、加拿大、伊朗、敘利亞、土耳其、菲律賓、印尼、巴基斯坦、孟加拉、阿爾巴尼亞、緬甸、危地馬拉等國家眾多電站機組的正常運行，為國家的電力制造業(yè)和電力工業(yè)的發(fā)展做出了貢獻。但由于控制設備生產基地建設的初衷是解決國內水力發(fā)電設備成套供貨問題，并且受計劃經濟體

3、制的影響，當時國內采用的是發(fā)電設備成套供貨模式。由于水電開發(fā)工程建設周期普遍很長，加之控制設備技術更新發(fā)展很快，隨發(fā)電設備主機配套供貨的當時認為成熟、可靠、有運行經驗的產品，往往在機組投運時，控制設備在技術上便已顯落后。此外，由于長期受計劃經濟體制的影響，勵磁產品基本上都采用的是成套供貨模式，整個東方電機沒有單獨的輔機銷售人員， 這無形之中使產品的研發(fā)和產品對市場的適應都相對滯后，不能很好地滿足用戶需求。為了扭轉這種局面以適應市場需求

4、，2000年東方電機股份有限公司出資注冊成立了全資子公司－東方電機控制設備有限公司。東方電機控制設備有限公司是東方電機股份有限公司集銷售、設計、工藝、采購、制造、質量檢驗到用戶服務等各環(huán)節(jié)于一體成立的發(fā)電控制設備專業(yè)公司。公司成立的這五年多時間以來，始終以“始于用戶所需，終于用戶滿意”為經營理念，改革、完善勞動用工制度，建立嚴明高效的內部管理機制，全面實施目標成本控制；努力開拓市場，以元器件全球采購、裝置免維護設計以及產品實現“智能式

5、”操作和維護為理念，升級完善現有產品，強化產品標準化、系列化工作，廣泛與國際一流公司合作，提升技術水平，通過建立完善的質量保證體系，加強質量過程控制，提高服務意識和服務質量，公司技術開發(fā)、經營、生產取得了長足發(fā)展。公司的快速成長和發(fā)展，從另一個角度充分說明了東方電機控制設備,多年的技術儲備和經驗底蘊正逐步被市場認同；同時，大型國有企業(yè)作風嚴謹，功底扎實的優(yōu)良傳統(tǒng)和“重合同、守信譽”的良好信譽保障，也重新贏得用戶的信任和青睞。 公司概貌

6、,,公司生產作業(yè)面積近8000m2，電氣產品科研、試驗基地2600m2。設計手段先進，配有多臺HP工作站，引進了美國EDS公司UGII 及ANSYS等大型工程軟件包。生產、試驗設備精良，擁有加工設備116臺，各型動態(tài)試驗機組四套，進口的發(fā)電機電力系統(tǒng)仿真裝置，可進行勵磁系統(tǒng)閉環(huán)試驗、并網試驗、PSS試驗。2004年公司為了滿足三峽項目勵磁系統(tǒng)、燃氣輪機項目勵磁系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)廠內生產、試驗的要求，投資600多萬元進行廠房改造和試驗設備的

7、升級更新，使生產能力大幅提高，改造后將擁有2600 m2全新的、設備齊全和全封閉凈化的科研、裝配和試驗廠房，用于電氣設備生產與試驗，擁有的七個專用勵磁試驗工位，能保證每月同時產出三峽同類型機組勵磁系統(tǒng)兩套。公司以人為本，一支高素質的職工隊伍，是企業(yè)走向成功的基礎。東方電機控制設備有限公司擁有一支朝氣蓬勃高素質的科技人才隊伍，300多名職工中，大專以上學歷占總人數的三分之二，其中博士研究生2名，碩士研究生33人（含工程碩士15人）。教授

8、級高級工程師5人，享受政府特殊津貼的專家2人、高級工程師47人，工程師65人。,公司從事與勵磁產品相關的專業(yè)技術人員共45人，全部擁有大學本科以上學歷，具有10年以上工作經驗并承擔過大型工程項目的高級工程師占62%，工程師占31%，其中包括中國電機工程學會大電機專委會勵磁分專業(yè)委員會副主任委員和委員（兼任秘書）各1名、顧問委員（原主任委員、副主任委員）2名。中國電機工程學會大電機專委會勵磁分委會長期掛靠在我公司，為勵磁技術的發(fā)展作出了應

9、有的貢獻。為了公司長期發(fā)展的需要，公司成立了技術委員會，成員構成除公司內部各專業(yè)專家外，還聘請了國內各專業(yè)的多名知名專家為非執(zhí)行委員。公司技術委員負責對公司執(zhí)行的重大工程項目和科研開發(fā)項目進行項目評審、審批和技術監(jiān)督。公司設有技術開發(fā)部，負責公司新產品的開發(fā)，技術工程部負責公司工程項目組織實施和全過程管理。勵磁專業(yè)設有專業(yè)總設計師，在總工程師的領導下，負責勵磁產品的開發(fā)和設計的全部技術問題，并且針對三峽項目、燃機項目等國家重點項目，

10、設立專門的項目小組，負責全部工作。公司在產品設計上貫徹“始于用戶所需，終于用戶滿意”的設計理念，始終把高可靠性和免維護性做為用戶的最基本需要，嚴格按照有關的國家標準和國際標準以及技術協議和用戶要求，以國際慣例和當前行業(yè)中成熟可靠的技術和控制理論為基礎，來進行系統(tǒng)的設計和配置。以全球采購的原則來采購所需的元器件和部件，并且只選用標準的、成熟的、經過運行證明是可靠的元器件和部件，以保證系統(tǒng)可靠性及免維護性，并為用戶備品備件提供幫助和支持。

11、,“九五”、“十五”期間公司受國家有關部門的委托，負責三峽機組勵磁系統(tǒng)國產化研究，以期達到國內能自主生產類似于三峽等級巨型機組勵磁系統(tǒng)的水平。在新產品的科研開發(fā)上投入了大量經費，長期與國內著名高等院校（如清華、華中科技大學、浙江大 學、四川大學、重慶大學等）以及國外著名公司（如ABB、GE、Siemens、R-R等）進行技術交流、科研合作、技術引進與人員培訓等全方位合作，使公司的技術水平和產品制造能力大幅度提高。為了讓我們與用戶之間

12、有很好的交流，我們特編寫這本“勵磁培訓講義”。目的是讓用戶了解和掌握我們產品的性能和使用方法，同時也介紹勵磁系統(tǒng)的一些基本概念，加深對我們產品功能、特性的全面了解，使我們的產品更好的為用戶服務。,目 錄,第一章概述1.1 同步發(fā)電機勵磁的含義及其調節(jié)作用1.2 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的發(fā)展簡介1.3 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類、組成和特點第二章 自并激勵磁系統(tǒng)2.1 自并激勵磁系統(tǒng)主電路的接線方式2.2 自并激勵

13、磁發(fā)電機的起勵2.2.1 他勵起勵2.2.2 殘壓起勵2.3 自并激勵磁發(fā)電機短路過程的分析及短路電流計算2.3.1 自并激勵磁發(fā)電機短路電流的特點2.3.2 自并激勵磁發(fā)電機短路電流的計算2.4 自并激勵磁發(fā)電機對繼電保護的影響2.5 自并激勵磁系統(tǒng)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定2.5.1 自并激勵磁系統(tǒng)對靜態(tài)穩(wěn)定的影響2.5.2 自并激勵磁系統(tǒng)對動態(tài)穩(wěn)定的影響第三章 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主回路的分析3.1

14、勵磁變壓器的分析3.1.1 兩大類型干式變壓器的比較3.1.2 關于“環(huán)保特性”3.1.3 市場前景展望3.2 三相晶閘管整流柜3.2.1 晶閘管的結構形式,3.2.2 整流柜冷卻方式 3.3 同步發(fā)電機的滅磁3.3.1 常值電阻滅磁3.3.2 非線性電阻滅磁3.3.3 逆變滅磁3.3.4 滅磁方式的探討第四章 勵磁裝置的保護4.1 過電壓的來源及保護方式4.1.1 過電壓的來源4

15、.1.2 抑制過電壓的措施4.2 過電流保護4.3 自并激勵磁系統(tǒng)軸電壓的保護4.3.1 軸電壓的來源4.3.2 軸電壓的防護第五章 微機勵磁調節(jié)器5.1 勵磁調節(jié)器的分類5.2 東方GES系列勵磁調節(jié)器5.3 PCC勵磁裝置產品介紹5.3.1 概述5.3.2 PCC型的主要特點5.3.3 PCC型微機勵磁調節(jié)器有以下主要功能5.3.4 PCC型微機勵磁調節(jié)器的主要技術指標5.3.5

16、 工作原理5.3.6 軟件介紹,5.3.7 勵磁變壓器5.3.8 晶閘管整流裝置5.3.9 滅磁及過壓保護裝置5.3.10 起勵方式附 東方GES型發(fā)電機勵磁裝置電站（廠）調試大綱,第一章 概述1.1 同步發(fā)電機勵磁的含義及其調節(jié)作用1.1.1 發(fā)電機勵磁的含義發(fā)電機是將機械能轉變?yōu)殡娔艿臋C器，但它必須具備有三個條件：a 有磁場（轉子）b 有導線（定子）c 有使導線切割磁力線的動力（水、汽輪機

17、）。因此，所謂發(fā)電機勵磁就是用直流電源供給發(fā)電機轉子使定子產生電勢的磁場。E=BVl E—發(fā)電機內電勢B —轉子產生的磁通密度V —發(fā)電機導線切割磁力線的速度l —發(fā)電機定子導線的長度從上式中可見，當V、l不變時，E是隨Ｂ的改變（亦即隨轉子電流的大?。┒淖?。故而研究發(fā)電機勵磁就是要控制轉子電流使發(fā)電機滿足電力系統(tǒng)各種工況的要求。1.1.2 發(fā)電機勵磁的調節(jié)作用a 提高電力

18、系統(tǒng)穩(wěn)定運行的能力電力系統(tǒng)無論受到任何擾動，通過調節(jié)同步發(fā)電機的勵磁，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行的能力有所提高。當電力系統(tǒng)受到小干擾或大干擾，導致同步發(fā)電機轉速出現小的或者大的變速狀態(tài)，使靜穩(wěn)定性或動穩(wěn)定性亦或暫態(tài)穩(wěn)定性將受到不利的影響。這時，勵磁控制將使這種影響得到抑制或消除，保持同步發(fā)電機的同步穩(wěn)定。b 維持電力系統(tǒng)的電壓水平發(fā)電機的內電勢E與發(fā)電機端電壓U、發(fā)電機的負載電流I及發(fā)電機電抗x的關系可由如下公式表示：,,當電網的負載增大

19、時，亦即發(fā)電機電流I增大。從上式中可看出，如E不變，則發(fā)電機端電壓U下降。如裝有勵磁調節(jié)器，則勵磁電流（即轉子電流）可隨負載的增加而增加，亦即E增加而使發(fā)電機端電壓U維持在一定的水平上。相反，在發(fā)電機甩負荷后，自動勵磁調節(jié)器可以及時減少勵磁電流以限制機端電壓不致過份升高。自動調節(jié)發(fā)電機的勵磁，可以維持供電系統(tǒng)的無功功率或功率因數保持恒定。電壓恒定是供電質量的一個重要標志。c 提高發(fā)電機功率極限和電力系統(tǒng)傳輸功率的能力d 改善電力

20、系統(tǒng)及同步發(fā)電機的運行狀態(tài)：提高繼電保護裝置的可靠性；當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，通過調節(jié)勵磁（強勵），使短路電流衰減得很慢，甚至不衰減。這就保證了短路電流使繼電保護裝置在整定值及時間內準確可靠地動作。平衡并網運行時各臺發(fā)電機之間無功功率，使之合理分擔系統(tǒng)所需無功；當系統(tǒng)短路故障消除，自動調節(jié)勵磁使其加快系統(tǒng)電壓恢復；通過控制勵磁，除保持同步發(fā)電機的恒壓運行外，還可以使系統(tǒng)作恒無功或恒功率因數運行，以提高電力系統(tǒng)運行的經濟性。1.

21、2 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的發(fā)展簡介同步發(fā)電機傳統(tǒng)的勵磁方式是采用同軸的直流發(fā)電機作為勵磁機，提供發(fā)電機的勵磁電流。通過勵磁調節(jié)器改變直流發(fā)電機的勵磁，從而改變供給轉子的勵磁電壓，以調節(jié)同步發(fā)電機的勵磁電流。眾所周知，這種勵磁方式存在很多問題，如直流勵磁機受制造容量限制；整流子和炭刷維護較麻煩；勵磁調節(jié)響應較慢。這些問題使得這種勵磁方式無法適應電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。半導體勵磁就是為適應電力系統(tǒng)發(fā)展需要而出現的一種新的勵磁方式，半導體勵磁

22、是采用大功率的硅整流器或晶閘管組成整流電路，用電子整流方式將交流變換成直流，取代直流勵磁機用機械整流方式獲得直流勵磁電源。從五、六十年代以來電力電子技術、計算機及現代控制理論等新興科學相繼在電力系統(tǒng)中得到應用并發(fā)展，這就為充分發(fā)揮勵磁控制的作用，解決同步發(fā)電機和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行創(chuàng)造了條件。國內外的科技工作者相繼研制成功強力式勵磁調節(jié)器、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、最佳勵磁控制器和自適應控制器等，特別是微機被應用于同步發(fā)電機勵,,磁系統(tǒng)中，使半導

23、體勵磁技術有了一個質的飛躍。由于微機的應用使勵磁調節(jié)功能得到了更大的擴展，為發(fā)展更大的同步發(fā)電機單機容量、電網的發(fā)展和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性成為可能。我公司在八十年代初就投入到微機勵磁調節(jié)器的研制工作中去，相繼研制成功單微機勵磁調節(jié)器、雙微機勵磁調節(jié)器和三微機勵磁調節(jié)器，并應用于同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)中去，取得了很好的效果。1.3 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類、組成和特點1.3.1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)可

24、分成兩大類，如下表所列,1.3.2 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的組成和特點 1.3.2.1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的組成a 勵磁系統(tǒng)主回路：由勵磁電源、晶閘管整流器、滅磁回路、起勵回路以及過流、過電壓保護回路組成。b 自動勵磁電壓調節(jié)器：由測量、給定比較、綜合放大、移相觸發(fā)、脈沖放大、加上各種限制器、補償器、功率穩(wěn)定器等各種功能模塊組成。1.3.2.2 同步發(fā)電機各勵磁系統(tǒng)的特點1.3.2.2.1 他勵勵磁系統(tǒng)他勵勵磁系統(tǒng)的

25、特點是用同軸的交流勵磁機作為主整流器的電源。勵磁電源獨立，不受電力系統(tǒng)運行情況變化的影響。根據所用整流器情況的不同，他勵系統(tǒng)可分成下列幾種形式a 交流勵磁機帶靜止硅整流器勵磁方式這種勵磁方式中，由于勵磁機電樞及整流器均靜止不動，其輸出與同步電機勵磁繞組滑環(huán)上的電刷相連接，所以又稱為靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。整個系統(tǒng)中，有與發(fā)電機同軸旋轉的100HZ交流主勵磁機，400HZ的中頻永磁式副勵磁機，習慣上將這種勵磁簡稱為“三機”勵磁系統(tǒng)。我公司20

26、世紀90年代生產的200MW，300MW火電機組上，主要應用的就是這種勵磁系統(tǒng)。如下圖所示：,主勵磁機的輸出經硅二極管整流后供給發(fā)電機的勵磁，而主勵磁機的勵磁則取自于同軸的永磁勵磁機。它是由傳統(tǒng)的直流機勵磁方式演變而來的，相當于用靜止的半導體整流器代替了轉動的機械整流器，這不但解決了整流子和碳刷運行維護問題，而且由于交流勵磁機的制造容量可以不受限制，故能適應大型發(fā)電機勵磁要求。這種勵磁方式具有下列特點：· 勵磁系統(tǒng)完全獨

27、立，不受電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響；· 用交流勵磁機供電，勵磁電源可靠，維護工作量較?。?#183; 勵磁調節(jié)反應速度較快，強勵頂值電壓易于滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求；· 副勵磁機帶晶閘管整流橋負載后，受每個周波內晶閘管換流的影響，輸出電壓的波形要產生畸變，給勵磁裝置的運行帶來不利的一面，須在裝置中采取措施進行避免；· 存在轉動部件維護麻煩。b 交流勵磁機加旋轉硅整流器勵磁方式（無刷勵磁）這

28、種勵磁方式的原理與上述他勵靜止整流勵磁方式相同，但結構不同。交流勵磁機的直流勵磁繞組固定不動，勵磁機的交流電樞繞組、硅整流器與主機勵磁繞組一起，在一根轉軸上旋轉，因而發(fā)電機的勵磁繞組與硅整流器處于相對靜止的位置，直接電連接在一起，沒有了將靜止部件中的電流引入旋轉部件的滑環(huán)電刷結構，故稱無刷勵磁。,無刷勵磁的主要優(yōu)點是：· 沒有整流器（子）、滑環(huán)、碳刷，不需要進行這方面的維護工作，也無機械換向事故，運行的可靠性提高了；&#

29、183; 沒有碳粉和銅沫引起電機線圈污染，故電樞繞組絕緣的壽命較長；· 沒有滑環(huán)容量的限制，勵磁機的容量可以作的很大，與“三機”勵磁系統(tǒng)相比，相近的勵磁調節(jié)性能，隨著單機容量的進一步增大，無刷勵磁更優(yōu)越些；· 在易燃、易爆的環(huán)境條件下，無刷勵磁不會因滑環(huán)的滑動電氣接觸而產生火花造成惡性事故。由于取消了整流器（子）和滑環(huán)，在帶有腐蝕氣體場所，只要對絕緣采取措施，亦可運行。無刷勵磁在運用過程中也存在著下列幾個

30、方面的問題：· 無刷勵磁主要是從發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)的整體性出發(fā)形成的，其投入、切除及運行，均以整機為單元，因而對勵磁系統(tǒng)內的各組件要求很高，而旋轉整流器及其輔助設備（熔斷器，電阻，電容等），在運行中要承受強大的離心力，對這些部件間的機械連接和電連接是一個極大的考驗，要求有很高的維護檢修水平；· 發(fā)電機的勵磁是通過調節(jié)交流勵磁機的勵磁來間接調節(jié)的，而交流勵磁機作為一個機電組件，其時間常數較大，使勵磁系統(tǒng)的反應速度

31、降低；· 發(fā)電機的轉子電流、電壓不能直接測量；· 由于發(fā)電機轉子與硅整流器在一根軸上旋轉，目前尚無法在發(fā)電機磁場回路中裝入滅磁開關及滅磁電阻，當發(fā)電機內部及外部故障，需要立即進行停機滅磁時，無刷勵磁不能馬上直接對發(fā)電機磁場回路進行滅磁，而是通過對主勵磁機磁場回路進行滅磁來間接對發(fā)電機進行滅磁，滅磁時間較長，對事故的迅速處理不利，這是這種勵磁方式的最大缺陷；· 對旋轉元器件的故障檢測與報警技術有待

32、進一步完善；· 發(fā)電機轉軸上增加了旋轉硅整流器盤及其輔助部件，轉軸長度勢必增加，這樣又增加了整個汽—電機軸系的長度和重量，這對整個軸系的穩(wěn)定是不利的。1.3.2.2.2 自勵勵磁系統(tǒng),這類勵磁系統(tǒng)的共同特點是勵磁電源取自發(fā)電機自身，用勵磁變壓器或與勵磁變流器共同供給整流裝置變換成直流后，再供給發(fā)電機本身，這種勵磁系統(tǒng)稱為自勵勵磁系統(tǒng)。按勵磁功率引出方式的不同，自勵勵磁系統(tǒng)可分為自并激勵磁系統(tǒng)、自復激勵磁系統(tǒng)二種，常用

33、的、且應用也最廣的是自并激勵磁系統(tǒng)。a 自并激勵磁方式（電勢源靜止勵磁機系統(tǒng)）這是自勵勵磁系統(tǒng)中接線最簡單的一種勵磁方式。其典型原理圖如下所示：,,自并激勵磁系統(tǒng)原理圖勵磁電源由一臺接于機端的勵磁變壓器取得，經變壓器ET降壓后，接入晶閘管整流器SCR，通過晶閘管整流成直流后，供給發(fā)電機磁場繞組。自動勵磁調節(jié)器從發(fā)電機機端取得信號，控制晶閘管的導通角，從而按需要控制發(fā)電機勵磁電流。自并激勵磁方式的主要特點是：設備和接線比較簡單

34、；由于無轉動部分，具有較高的可靠性；造價低；勵磁變壓器放置自由，縮短了機組軸系長度；勵磁調節(jié)速度快。因為勵磁電源相對不獨立，故而需要起勵電源；由于整流輸出的直流頂值電壓受發(fā)電機端或電力系統(tǒng)短路故障形式（三相、二相或單相短路）和故障點遠近等因素的影響，因而被懷疑是否能滿足強勵的要求等等。目前這些技術問題都已相繼得到解決。,b 自復激勵磁方式（復合源靜止勵磁機系統(tǒng)）勵磁電源除來自機端的勵磁變壓器外，還取自于與發(fā)電機定子回路串聯的勵磁變流

35、器，這就是自復激勵磁，其原理圖如下所示：,,按照勵磁電源在交流側或是直流側復合，自復激又可細化為四種勵磁方式：· 直流側并聯自復勵方式； · 直流側串聯自復勵方式；· 交流側并聯自復勵方式； · 交流側串聯自復勵方式。其中交流側串聯自復勵方式最常用，故而介紹此種勵磁方式。這種勵磁系統(tǒng)中晶閘管的陽極電壓是與定子電流成比例的勵磁變流器（串聯變壓器）的二次電

36、壓與機端供電的勵磁變壓器二次電壓相量和，經過晶閘管橋整流輸出的勵磁電流能反應定子電壓、定子電流和功率因數的變化。用自動勵磁調節(jié)器控制晶閘管的觸發(fā)角來調節(jié)勵磁電流的大小。其主要特點為：時間常數小，反應迅速，調節(jié)靈敏；當發(fā)電機近端短路時，能迅速強勵，機組不易失磁；勵磁系統(tǒng)受電網干擾?。慌c自并勵相比較，接線較復雜，設備較多；勵磁變流器副方尖峰過電壓問題較嚴重；同樣需要起勵電源。,第二章自并激勵磁系統(tǒng)目前由于自并激勵磁系統(tǒng)自身的優(yōu)點，已在

37、國內、外水、火電的大、中、小型同步發(fā)電機組上得到廣泛的應用，因此對該勵磁系統(tǒng)進行著重的介紹。2.1 自并激勵磁系統(tǒng)主電路的接線方式這是自勵勵磁系統(tǒng)中接線最簡單的一種勵磁方式。其典型原理圖如下所示：,,,自并激勵磁系統(tǒng)原理圖勵磁電源由一臺接于同步發(fā)電機機端的勵磁變壓器取得，經變壓器ET降壓后，接入晶閘管整流器SCR，通過晶閘管整流成直流后，供給發(fā)電機磁場繞組。自動勵磁調節(jié)器從發(fā)電機機端取得信號，控制晶閘管的導通角，從而按需要控制發(fā)

38、電機勵磁電流。勵磁變壓器通常采用環(huán)氧澆注、干式、自冷型式，有溫控報警，其高壓側不設自動開關，副邊根據需要可設、可不設開關或自動開關。高壓側接線必須包括在發(fā)電機的差動保護范圍之內。副邊出線口裝有電流互感器TA，作為勵磁調節(jié)器的測量轉子電流信號。勵磁變壓器繞組的聯接組別一般為Y/d－11，也有采用D/y－11，目的為了消除由于晶閘管整流換向引起波形畸變所產生高次諧波中的三次諧波及其三倍的高次諧波之影響。,2.2 自并激勵磁發(fā)電機的起勵

39、當機組啟動后，在轉速接近額定值時，機端電壓為殘壓，其值一般較低（約為額定電壓的1%~2%）。這時由于同步電壓太低，調節(jié)器可能還不能正常工作，晶閘管不能開放，故而沒有勵磁電流送出使發(fā)電機建立電壓。因此，必須采取措施，先供給發(fā)電機初始勵磁，以便發(fā)電機能夠建立起一定的電壓，完成起勵過程。起勵措施有兩類。第一類是他勵起勵，第二類是殘壓起勵。a 他勵起勵其基本作法是另設起勵回路，由另外的電源供給初始勵磁電流。起勵電源可以是廠用蓄電池（直

40、流），也可以是廠用交流電。廠用交流電一般通過起勵變壓器降壓后，由二極管整流變成直流。然后通過限流電阻和直流接觸器，將起勵回路接入發(fā)電機磁場回路。對采用廠用蓄電池電源的，起勵回路中須接入一正向二極管，防止發(fā)電機建壓過程中的反充電。起勵時，起勵接觸器閉合，勵磁電流送入發(fā)電機磁場繞組，發(fā)電機電壓逐漸升高。當電壓升至額定電壓的10%~30%時，起勵回路斷開，進行自勵。起勵電源容量和電流的選擇，一般遵循這種原則：起勵電流選擇為發(fā)電機空載額定勵磁

41、電流的10%左右，持續(xù)時間5~6秒。b 殘壓起勵當發(fā)電機殘壓較高（約5%以上）時，可利用殘壓起勵。這要求勵磁調節(jié)器在同步信號為5%以上時，能輸出觸發(fā)脈沖，使在起勵初始階段，整流橋中的晶閘管完全導通。然后在勵磁調節(jié)器的控制下，將發(fā)電機的電壓升至所整定的電壓。目前采用微機勵磁調節(jié)器后，對于同步信號可降低至2%～5%左右時即可殘壓起勵。當殘壓不能滿足起勵要求，經過幾秒鐘的延時，自動投入他勵起勵方式。2.3 自并激勵磁發(fā)電機短路電流

42、的特點及計算2.3.1 自并激勵磁發(fā)電機短路電流的特點由于自并激勵磁的勵磁電源取自于發(fā)電機機端，因此當自并激勵磁發(fā)電機發(fā)生短路時其短路電流與常規(guī)勵磁發(fā)電機發(fā)生短路時的短路電流有一些共同點，也有其特殊性。共同點為：一是兩種勵磁方式的發(fā)電機短路電流的超瞬變分量是相同的，因為超瞬變分量由發(fā)電機阻尼繞組的參數決定，與勵磁方式無關；二是兩種勵磁方式的短路電流,的瞬變分量的起始值相等，因為它是由勵磁繞組磁鏈守恒原理決定的，也與勵磁方式無關。其

43、特殊性為：瞬變分量衰減的時間常數二者不同，而且當近端三相短路時，自并激勵磁發(fā)電機的短路電流會一直衰減到零，沒有一個穩(wěn)定值。注：常規(guī)勵磁是指采用半導體勵磁調節(jié)器的直流勵磁機方式和交流勵磁機帶硅整流器的勵磁方式。這兩種勵磁方式都存在著勵磁機勵磁繞組的時間常數，因此整個勵磁系統(tǒng)的時間常數較大。2.3.2 自并激勵磁發(fā)電機短路電流的計算目前采用自并激勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機在機端至主變的引線均采用封閉母線，使機端發(fā)生短路的概率很小。故以主變高壓側

44、發(fā)生三相短路時這一最為嚴重故障工況來計算其短路電流。幾個假設：· 根據發(fā)電機組的額定容量SGN，取主變容量ST為1.1×SGN，主變壓器的阻抗為 UK%=14%· 短路前機端電壓為UGN· 短路前發(fā)電機為空載即Ed=Ed′=Ed″=1· 短路切除時間速動為0.5s，后備保護動作切除時間為3s。a 發(fā)電機短路電流計算,,b 三相突然短路瞬間陽極電壓的計算,式中：

45、Kf T ——勵磁變壓器變比——發(fā)電機額定相電壓c 三相突然短路瞬間勵磁系統(tǒng)提供的轉子電壓的計算,,——自并激勵磁發(fā)電機短路時，勵磁回路等效時間常數。,d 計算短路臨界切除時間（Id衰減到10%Idk時）,實際應用證明，按照我公司對勵磁變壓器選擇的參數能滿足在主變高壓側三相短路時0.15～0.5s速動切除短路點和后備保護3s內動作切除短路點后，發(fā)電機能自動建壓恢復運行。 2.4 自并激勵磁發(fā)電機對繼電保護的影響自并激勵磁

46、發(fā)電機發(fā)生近端短路（特別是三相對稱短路）時，短路電流迅速衰減，這對繼電保護動作來說，在強勵能力不足的情況下會使其后備保護無法動作。因此對自并激勵磁系統(tǒng)必須采取相應的措施。目前在大、中型水、火電機組上機端到主變壓器的引線（包括到勵磁變壓器的高壓側的引線）均采用封閉母線，這就使具有自并激勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機發(fā)生近端短路（包括三相短路）的概率達到非常非常小，幾乎為零。如果短路發(fā)生在主變高壓側（以三相短路為例）根據實例計算能保證繼電保護在0.15～

47、0.5s速動，后備保護在3s內動作時短路電流衰減在1.5～1.7倍以上。另外也可采用過電流起動“記憶”帶時延的低電壓保護。當發(fā)生短路時電流突增，電壓突降，電流繼電器起動后仍然保持著它的作用（記憶），如果在整定的時間內電壓還不恢復，電壓繼電器一直在起動狀態(tài)，則動作于跳閘。2.5 自并激勵磁系統(tǒng)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定 先介紹電力系統(tǒng)穩(wěn)定的基本術語：· 靜態(tài)穩(wěn)定：指電力系統(tǒng)的負載（或電壓）受到微小擾動時，系統(tǒng)本身保持穩(wěn)定傳輸的能力

48、。這主要涉及到發(fā)電機轉子功角過大而使發(fā)電機同步能力減少的情況。· 動態(tài)穩(wěn)定：主要指系統(tǒng)遭受大擾動之后，同步發(fā)電機保持和恢復到穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。失去動態(tài)穩(wěn)定的主要表現形式為發(fā)電機之間的功角及其它量產生隨時間而增長的振蕩，或者由于系統(tǒng)非線性的影響而保持等幅振蕩。這一振蕩也可能是自發(fā)性的，其過程較長。如果在大擾動事故后，采用快速和高增益的勵磁調節(jié)系統(tǒng)所引起的振蕩頻率在0.2～3Hz之間的自發(fā)振蕩，屬于動態(tài)穩(wěn)定范疇。2.5.1

49、 自并激勵磁系統(tǒng)對靜態(tài)穩(wěn)定的影響由于自并激勵磁系統(tǒng)的反應靈敏、調節(jié)速度快，對于同步發(fā)電機遭受微小擾動時，根據理論分析和實驗證明，自并激勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機可穩(wěn)定運行在極限功率角δmax為110°～130°的范圍內（常規(guī)勵磁系統(tǒng)極限功率角δmax為90°）。,2.5.2 自并激勵磁系統(tǒng)對動態(tài)穩(wěn)定的影響當電力系統(tǒng)遭受大擾動（如突然短路并切除）之后，機端電壓下降，勵磁系統(tǒng)給出頂值電壓進行強勵，并平息振蕩。過去

50、人們認為，自并激勵磁系統(tǒng)在短路時強勵能力不足，動穩(wěn)定極限低。但是應該從短路地點、短路種類作具體分析。對于遠方短路，電壓下降不多不影響強勵倍數。對于近端不對稱短路，特別是單相短路，也不影響強勵倍數。對于主變高壓側（目前在大、中型發(fā)電機組的出口端到主變副邊都采用封閉母線，故而近端不太可能發(fā)生三相短路）三相短路，由于主變有一個短路阻抗，因而機端電壓不可能降到零，故而還有一定的強勵作用，另外在大、中型發(fā)電機組中，本身有一定的固有強勵倍數，因而只

51、要在0.15～0.7s內切除短路點，自并激勵磁系統(tǒng)隨著電壓的恢復，強勵能力也就恢復。,第三章同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主回路的分析同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主回路包括有：勵磁變壓器、晶閘管功率裝置、滅磁裝置及過電壓保護裝置（保護裝置在第四章單獨闡述）。3.1 勵磁變壓器的分析在自并激勵磁系統(tǒng)中勵磁變壓器是一個很重要的設備，一般采用干式、環(huán)氧澆注型的變壓器，也有提出采用紙絕緣，那末它與環(huán)氧澆注型有何不同，下面作一些簡單的介紹。變壓器分成干式和油

52、浸式兩種絕緣冷卻方式。而干式變壓器又可分為環(huán)氧澆注型（包括帶填料與不帶填料的，注型式與繞包式等），其絕緣耐溫等級為B、F、H級，以F級應用最多；另一類型則是浸漬式（包括繞組絕緣材料用NOMEX紙的以及不用NOMEX紙的等類型），其絕緣耐溫等級一般為H級。3.1.1 兩大類型干式變壓器的比較a 機械強度和耐受短路的能力：環(huán)氧澆注式線圈的整體機械強度好，耐受短路的能力最強，因為其高、低壓繞組是在模具內進行整體澆注，經加熱固化成型，

53、從而形成一個機械強度很高的圓柱體，由于沒有墊塊這類支撐點，所以導線不會承受彎曲應力。無論對突發(fā)短路時的軸向電動力或幅向電動力均有很強的耐受能力，因而機械強度高可以認為是環(huán)氧澆注干變的最大優(yōu)點。無論從運行實踐或突發(fā)短路試驗結果都證實了這點。浸漬式干變主要采用餅式線圈，低壓導線與鐵心之間靠撐條支撐。而作為餅間絕緣介質的空氣其絕緣強度又大大低于環(huán)氧樹脂，所以軸向絕緣尺寸較大，相應餅間電容較小，因而在沖擊過電壓作用下的過電壓分布特性較差，其機

54、械強度與耐受短路電動力的能力就大大不如環(huán)氧澆注式干變。根據發(fā)達國家的經驗，采用NOMEX紙、VPI（真空壓力浸漬）工藝的開敞通風式H級干變，其BIL（基準沖擊水平）值最高僅能達150千伏，相應只能制造33千伏級的干變。相反，國際公認的環(huán)氧澆注干變的BIL值可達250千伏，即可以制造到66千伏級的干變。由于環(huán)氧澆注式干變采用層式線圈，沿其軸向可設置多個散熱風道，故可以制造大容量的干變。目前國際公認：環(huán)氧澆注式干變的最大容量可達2萬千伏安

55、，而浸,漬式干變僅能達到0.8-1萬千伏安。因此，要生產高電壓、大容量的干變，非環(huán)氧澆注式莫屬。b 損耗及過載能力：從理論上來說，干變的過載能力是與其熱容量成正比，而與其負載損耗成反比的，采用餅式線圈的浸漬式，其自身的散熱性能并不優(yōu)于環(huán)氧澆注式，所以，絕不能簡單地說浸漬式干變的過載能力就一定優(yōu)于環(huán)氧澆注式。環(huán)氧澆注式干變的環(huán)氧樹脂耐電壓強度較之空氣要高出許多（約3.5～4倍），其線圈包封為2mm樹脂層，在同等絕緣水平條件下，浸漬式

56、干變線圈的段絕緣距離、主風道距離和餅間絕緣距離較環(huán)氧澆注式干變大15％。因而在同等耐電壓絕緣水平和尺寸條件下，根據對比計算分析和制造試驗驗證，浸漬式干變的損耗較環(huán)氧澆注式干變大15～20％。另一方面，在同等絕緣水平和尺寸條件下，相同的絕緣等級(H級)，由于環(huán)氧澆注干變的額定損耗和額定溫升低，具有節(jié)約能源環(huán)保的優(yōu)點，同時由于額定溫升低，其過載能力強。只有當不僅線匝的絕緣采用NOMEX紙，而且所有繞組的絕緣件（如撐條，墊塊等）也都采用NO

57、MEX紙件來制造時，這樣的浸漬式干變才具有較強的過載能力。這是由于NOMEX紙是C級絕緣材料，其耐熱溫度可達220℃，故用它來制造H級（耐熱溫度為180℃）的干變，一開始就存在有20%左右的過載熱裕度之故。但是NOMEX紙的價格昂貴，我國目前生產H級浸漬式干變的廠家，往往只是在匝絕緣中使用它，而繞組的其他絕緣件都采用一般的H級材料。因而對這樣的H級干變，就不能一概認為它具有較強的過載能力。目前國產的浸漬類干變都是H級的，由于其損耗標準

58、較高，這對節(jié)能降耗不利。從理論上來說，H級產品較之F級可以尺寸更小，重量更輕，但實際上從各廠的產品樣本看，這兩種類型產品并無多大差異。c 防潮及耐腐蝕性能：環(huán)氧澆注式干變的防潮及耐腐蝕性能比較好，尤其適用于在極端惡劣的環(huán)境下工作；相反，傳統(tǒng)浸漬式干變的主要缺點就是防潮性能差，且容易吸塵，在投入運行前需要預熱等。即使在采用NOMEX紙以及真空壓力浸漆等新工藝后，雖然這些缺點可以一定程度得到克服，但一些本質上的問題卻依然存在。d

59、局部放電與運行壽命：由于環(huán)氧澆注式的線圈經過真空處理和澆注成型，匝間和層間無氣泡，在同類產品中，其局部放電最低；此外環(huán)氧澆注式干變的機械強度高，在短路電動力的作用下不,會變形，且防塵、防污性能好。故運行壽命長。根據國外的報導，其運行壽命較之OVDT類干變要長。以往影響環(huán)氧澆注變壓器運行可靠性與壽命的主要問題是澆注線圈的開裂。但是隨著薄絕緣玻璃纖維增強結構的采用以及原材料的進步和澆注工藝的改進，目前這一問題已很好解決。當然一旦樹脂混料

60、不均勻或澆注工藝有缺陷時，仍有開裂或內部出現氣泡而使局部放電增大等事故產生。相反，浸漬式干變卻無需擔心開裂，在采用NOMEX紙后，由于匝絕緣較薄，繞組內部的溫度分布也比較均勻。浸漬式干變的最大優(yōu)點是無需澆注設備與模具，初期投資可大大節(jié)省，另外，產品設計的靈活性也較大，特別是生產油浸式變壓器廠轉產這類產品較容易。e 運行維護：環(huán)氧澆注式的運行維護工作量可認為是很小的，特別是可以立即從備用狀態(tài)下投入運行而無需預熱去潮。這是因為它的防

61、潮、防塵性能好，無需預熱。因而可立即投運并帶負荷運行。浸漬式線圈的表面是靠真空壓力浸漆（VPI）后的薄的復蓋絕緣層來絕緣的，所以這種變壓器在停運狀態(tài)下，就容易因吸潮而降低其絕緣水平，在投運后可能引起局部放電增大，甚至發(fā)生絕緣擊穿等嚴重事故。因此，為可靠起見，當停運一段時間后再重新投運時必須先行預熱去潮后，才能投運帶負荷，這樣勢必造成停電后投運時間的延長，對可靠性造成一定影響，且維護工作量也較大。3.1.2 關于“環(huán)保特性”a 從

62、材料的環(huán)保特性到產品制造與運行的環(huán)保特性NOMEX紙作為已有多年使用業(yè)績并經認證的一種材料，其環(huán)保特性是獲得認可的。至于其他一些H級材料及浸漆生產過程，在環(huán)保特性方面的優(yōu)越性如何，現仍缺乏足夠的依據。對環(huán)氧樹脂材料而言，本身既是無毒的且在制造過程中也不污染環(huán)境，在環(huán)氧樹脂澆注干變制造中，環(huán)氧樹脂復合材料主要應用在線圈澆注絕緣、鐵心綁扎涂覆、以及各種絕緣成型件。環(huán)氧樹脂澆注干變結構設計時，選用環(huán)氧樹脂作為固體絕緣，這種絕緣技術本身賦予

63、了變壓器運行時無油化、難燃防火的環(huán)保特性；環(huán)氧樹脂固體絕緣干式變壓器，在運行中沒有溫室氣體泄漏，無油污，難燃防火，環(huán)氧樹脂配方中沒有鹵素和硫元素，即使著火燃燒也不會有鹵素化合物以及硫化物的產生，燃燒時主要分解,產物為H2O、CO2等，沒有毒害氣體產生，故不會對人員和環(huán)境有任何危害，即使燃燒也不會放出有害氣體。應當指出的是，薄絕緣環(huán)氧樹脂澆注式干變，在燃燒時所釋放的能量與NOMEX紙及用其它H級絕緣材料制造的浸漬類干變相比，也是較小的。

64、2000年曾將一臺薄絕緣環(huán)氧樹脂澆注式630kVA的干變在法國順利通過F1級的燃燒試驗，這證明它滿足最新國際標準中對干變燃燒特性的要求的。另外，我國的一些大型工程中還直接從歐洲一些著名廠家進口了一批大容量環(huán)氧澆注式干變，而這些干變都是通過了燃燒特性、環(huán)境特性以及氣候試驗這三項特殊試驗的。這說明環(huán)氧樹脂干變的使用是符合環(huán)保要求的。b 產品壽命終結后回收降解處理的環(huán)保問題根據近年來對歐洲和美國所做的調查，國外廠家都明確表示：兩種產品的

65、回收處理是相似的。產品壽命終結后的最終處置原則是回收利用可再生資源，環(huán)保處理廢棄物料。對環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器而言，就是拆解變壓器，回收鋼結構件及硅鋼片；分解線圈，回收銅(鋁)導體；剩余的少量環(huán)氧樹脂絕緣材料進行環(huán)保處理，這包括有三種途徑：焚燒（發(fā)電）、地下填埋、粉碎后用作建筑材料。它的廢棄物處理不會造成對環(huán)境的污染，已用于道路填埋、公路建造中。3.1.3 市場前景展望目前就世界范圍來看，環(huán)氧澆注干變主要應用于歐洲以及亞州的中國

66、、日本、韓國以及東南亞等廣大地區(qū)，而浸漬式干變則主要是美國應用較多，這與NOMEX紙的產地是美國等特殊國情有關?？偟膩碚f，就全世界而言，環(huán)氧樹脂式的市場占有率要顯著高于浸漬式干變。迄今，我國的環(huán)氧澆注式干變無論是工廠規(guī)模、產量或是技術水平都已達到世界先進水平，2002年其總產量約為20000MVA，約占我國干變市場份額的95%。從全世界來看，預期今后在相當一段時間內，這兩大類型的干變都將共存，也正如前所述，它們也各有其優(yōu)缺點。但由于我國

67、這10多年來在環(huán)氧樹脂干變制造技術上所取得的成就，以及它本身所固有的許多優(yōu)點，并考慮到使用部門早已熟習了這類干變的運行維護，因而，從保證運行可靠性，減少備品、備件的品種以及提高運行、檢修效率等方面來看，今后還是會大量使用環(huán)氧澆注式干變，這也與歐洲等發(fā)達國家的先例是完全一致的。,3.2 三相晶閘管整流柜3.2.1 晶閘管的結構形式在晶閘管的結構選擇上，目前國際上主要有兩種結構，SIEMENS、英國R-R、和GE均為抽屜式結構，即

68、每個晶閘管、脈沖放大、檢測、阻容保護等元件均通過獨立框架組合成一個獨立的晶閘管模塊組件，選取六只模塊組件可以組成一個全控整流橋，冷卻風道由然結合而成，這種方式造成了各廠家的晶閘管模塊組件內部結構完全不同，不具有互換性。我公司采用的是平板式結構晶閘管，晶閘管橋安裝在一塊整體絕緣板上，分為上、下兩層布置，+U、+V、+W相晶閘管在上部，-U、-V、-W相晶閘管在下部，在晶閘管U、V、W相元件間安裝耐高壓絕緣隔板（有些小型的機組或陽極電壓不太

69、高的可不安裝），用以防止晶閘管相間短路，冷卻風道采用高絕緣的阻燃透明PC板經熱壓后成形，由面板和側板緊貼晶閘管拼裝組成，外觀質量好，加工方便，結構簡捷，該結構的風道由于較好的密閉，不存在漏風，最有效地達到散熱效果，對發(fā)熱元件如熔斷器，風道開有導風泄漏孔，以便冷卻熔斷器。風道中除去晶閘管散熱器及管芯占據的位置后，有效的風道通風面積為0.2m2，風阻限制在一定范圍內，確保上、下兩層晶閘管的可靠散熱。風道設計時，考慮了進風口和出風口溫差小于1