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1、新疆电力学校新疆电力学校 电力组电力组 2005年年6月月 制作：栗云江135135135135MWMWMWMW机组培训系列机组培训系列机组培训系列机组培训系列目目 录录 1、励磁系统的任务 2、发电机励磁系统的组成 3、常用的励磁方式 7、灭磁8、励磁系统稳定器9、电力系统稳定器 4、什么是自并励励磁系统 5、正确评价自并励方式 6、自并励系统的设计选型10、微机自并励励磁系统11、回顾与展望励磁系统的任务励磁系统的任务 使并列运行的各台同步发电机所带的无功功率得到稳定而合理的分配。使并列运行的各台同步发电机所带的无功功率得到稳定而合理的分配。在正常运行条件下，供给发电机励磁电流，并根据发电
2、机所带负荷在正常运行条件下，供给发电机励磁电流，并根据发电机所带负荷的情况，相应地调整励磁电流，以维持发电机端电压在给定水平上。的情况，相应地调整励磁电流，以维持发电机端电压在给定水平上。1 增加并入电网运行的发电机的阻尼转矩，以提高电力系统动态稳定性增加并入电网运行的发电机的阻尼转矩，以提高电力系统动态稳定性及输电线路的有功功率传输能力。及输电线路的有功功率传输能力。2 3 4 在电力系统发生短路故障造成发电机机端电压严重下降时，强行励磁，在电力系统发生短路故障造成发电机机端电压严重下降时，强行励磁，将励磁电压迅速增升到足够的顶值，以提高电力系统的暂态稳定性将励磁电压迅速增升到足够的顶值，以
3、提高电力系统的暂态稳定性。5 在发电机突然解列、甩负荷时，强行减磁，将励磁电流迅速减到安全在发电机突然解列、甩负荷时，强行减磁，将励磁电流迅速减到安全数值，以防止发电机电压过分升高。数值，以防止发电机电压过分升高。6 在发电机内部发生短路故障时，快速灭磁，将励磁电流迅速减到零值在发电机内部发生短路故障时，快速灭磁，将励磁电流迅速减到零值，以减小故障损坏程度。，以减小故障损坏程度。7 在不同运行工况下，根据要求对发电机实行过励限制和欠励限制等，在不同运行工况下，根据要求对发电机实行过励限制和欠励限制等，以确保发电机组的安全稳定运行。以确保发电机组的安全稳定运行。发电机励磁系统的组成发电机励磁系统
4、的组成 （2）励磁调节器。它的作用是感受发电机电压及）励磁调节器。它的作用是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的运行工况的变化，自动地调节励磁功率单元输出的励磁电流的大小，以满足系统运行的要求。励磁电流的大小，以满足系统运行的要求。一般由如下两个基本部分组成一般由如下两个基本部分组成 ：（1）励磁功率单元，包括整流装置及其交流电源。励磁功率单元，包括整流装置及其交流电源。它的作用是向发电机的励磁绕组提供直流励磁电源。它的作用是向发电机的励磁绕组提供直流励磁电源。常用的励磁方式常用的励磁方式 1、直流励磁机励磁方式。多用于中、小机组直流励磁机励磁方式。多用于中、小机组。它
5、实际上是一个直流发电机。它实际上是一个直流发电机优点是比较简单，不易受系统影响，调节比较稳定，但是碳刷、整流子维护优点是比较简单，不易受系统影响，调节比较稳定，但是碳刷、整流子维护麻烦，尤其是冒火问题很难解决。麻烦，尤其是冒火问题很难解决。2、交流励磁机励磁方式。其中按功率整流器是静止的还是旋转的又可分为交流励磁机励磁方式。其中按功率整流器是静止的还是旋转的又可分为交流励磁机静止整流器励磁方式（有刷）和交流励磁机旋转整流器励磁方式交流励磁机静止整流器励磁方式（有刷）和交流励磁机旋转整流器励磁方式（无刷）两种。多用于容量在（无刷）两种。多用于容量在100MW及以上的汽轮发电机组。及以上的汽轮发电
6、机组。3、静止励磁方式。其中最具代表性的是自并励励磁方式。也多用于容量在静止励磁方式。其中最具代表性的是自并励励磁方式。也多用于容量在100MW及以上的汽轮发电机组及以上的汽轮发电机组 按励磁电源的不同分为如下三种方式按励磁电源的不同分为如下三种方式什么是自并励？什么是自并励？自并励励磁系统自并励励磁系统 从发电机机端电压源取得功率并使用静止可控整流装置的励磁系统，即电势源静止励磁系统。由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、灭磁装置、起励设备、励磁操作设备等组成。发电机的励磁电源由接于发电机出口的励磁变压器TE供给，励磁电流靠自动电压调节器AVR进行调节。正确评价自并励正确评价自并励自并励
7、方式的主要优点自并励方式的主要优点是设备和接线简单、可靠性高、励磁是设备和接线简单、可靠性高、励磁调节速度快，如采用三相全控整流电路，可以实现逆变灭磁，调节速度快，如采用三相全控整流电路，可以实现逆变灭磁，为简化励磁系统创造了条件为简化励磁系统创造了条件 。对发电机轴系安全的影响自并励磁方式大大缩短汽轮发电机的轴系长度，对减小汽自并励磁方式大大缩短汽轮发电机的轴系长度，对减小汽轮机的震动是非常有帮助的。若励磁系统为微机化的励磁轮机的震动是非常有帮助的。若励磁系统为微机化的励磁系统，而不再采用分离元件，其运行更灵活，维护更方便系统，而不再采用分离元件，其运行更灵活，维护更方便 对系统暂态功角稳定
8、的影响 自并励静止励磁系统响应速度快，发电机具有较高强励电压自并励静止励磁系统响应速度快，发电机具有较高强励电压倍数对系统的暂态电压稳定水平有所改善倍数对系统的暂态电压稳定水平有所改善 。此时机端电压及整流电源电压严重下降，即使故障切除时间很短，短路期间励磁电流衰减不大，但在故障切除后机端电压的恢复需一定的时间，自并励系统的强励能力有所下降。为解决这一问题，在系统设计中计算强励倍数时，整流电源电压按发电机额定电压值的80%计算，即机端电压为额定时强励能力提高25%，且目前大中型机组发电机出口均采用了封闭母线，发电机端三相短路可能性基本消除。自并励最不利的情况 自并励对继电保护的影响 对主保护影
9、响不大，对发变阻的后备保护影响较大，当发电机外部发生短路时，机端电压下降，励磁电流也随之减小，发电机短路电流衰减很快。将导致发电机后备保护不能正常动作。为此，发电机后备保护需增设电流记忆功能。发电机出口三相短路自并励系统的设计选型自并励系统的设计选型自并励的应用条件自并励的应用条件 由于励磁输出受发电机端电压的制约，在某些系统严重故障导致系统电压波动较大的情况时不宜采用。位于主网震荡中心的发电机不宜采用该系统；位于负载中心或受端机组，因故障导致系统电压恢复慢，影响强励能力的发挥，导致功角振荡加大或系统电压过低导致电压崩溃，亦不宜采用励磁变压器的选择励磁变压器的选择 环氧树脂干式变压器，多采用三
10、角形环氧树脂干式变压器，多采用三角形-星形星形(/Y)接接线线，配备相应的限制操作过电压和过电流保护。配备相应的限制操作过电压和过电流保护。发电机的起励发电机的起励 利用起励电源对发电机进行励磁，待发电机电压达到或大于10%时通过切换装置自动退出起励回路,转换为励磁变压器提供励磁电源。在机组调试阶段及机组大修后进行发电机特性试验时，自并励发电机需要一大容量的试验电源来满足其空载、短路试验时对动力的要求，一般可考虑取自厂用高压母线或者通过主变从系统倒送过来。自并励发电机的试验电源自并励发电机的试验电源可控硅励磁功率柜可控硅励磁功率柜 普遍采用可控硅全控桥，配置有交流过电压保护装置，冷却装置。至少
11、配置2套。在发电机转子回路设置灭磁开关，采用相应的灭磁方式。转子过压保护装置较多采用非线性电阻(高性能氧化锌压敏电阻)来实现，这种方式较普遍采用。灭磁及过压保护装置灭磁及过压保护装置 励磁调节器励磁调节器 投运的新机组都选用微机励磁调节器，向多变量、向非投运的新机组都选用微机励磁调节器，向多变量、向非线性发展线性发展 。要求发电机快速灭磁的原因要求发电机快速灭磁的原因 有关灭磁有关灭磁 这是因为同步发电机发生内部短路故障时，虽然继电保护装置能迅速地把发电机与系统断开，但如果不能同时将励磁电流快速降低到接近零值，则由磁场电流产生的感应电势将继续维持故障电流，时间一长，将会使故障扩大，造成发电机绕
12、组甚至铁心严重受损。因此，当发电机发生内部故障时，在继电保护动作快速切断主断路器的同时，还要求发电机快速灭磁。在整个灭磁过程中，转子电流的衰减在整个灭磁过程中，转子电流的衰减率保持不变，且由衰减率引起的转子率保持不变，且由衰减率引起的转子感应过电压等于其容许值感应过电压等于其容许值 理想灭磁恒值电阻灭磁特点：恒值电阻灭磁特点：恒值电阻放电灭磁的特点是：转子恒值电阻放电灭磁的特点是：转子绕组两端的电压等于转子电流与放电电阻的乘积。放电绕组两端的电压等于转子电流与放电电阻的乘积。放电电阻值可按转子电压小于或等于转子电压容许值的原则电阻值可按转子电压小于或等于转子电压容许值的原则来选定；灭磁过程时间
13、较长来选定；灭磁过程时间较长 恒值电阻灭磁：恒值电阻灭磁：灭磁开关动作后，其常闭触点首先闭合，灭磁开关动作后，其常闭触点首先闭合，将放电电阻并接在发电机绕组两端，然后常开触点断开，将放电电阻并接在发电机绕组两端，然后常开触点断开，将转子绕组与直流励磁电源断开。这时，转子电流将由将转子绕组与直流励磁电源断开。这时，转子电流将由放电电阻续流，不致产生危险的过电压。之后，转子电放电电阻续流，不致产生危险的过电压。之后，转子电流在由转子绕组和放电电阻构成的回路中自行衰减到零，流在由转子绕组和放电电阻构成的回路中自行衰减到零，完成灭磁过程。完成灭磁过程。灭磁方式（一）灭磁方式（一）非线性电阻灭磁特点：非
14、线性电阻灭磁特点：灭磁速度快，接近于理想灭磁曲灭磁速度快，接近于理想灭磁曲线。由于非线性电阻在额定励磁电压和强励电压下，其线。由于非线性电阻在额定励磁电压和强励电压下，其阻值很大，流过电阻的漏电流很小，因此可以直接并接阻值很大，流过电阻的漏电流很小，因此可以直接并接于转子绕组的两端，既作为灭磁电阻又作为过电压保护于转子绕组的两端，既作为灭磁电阻又作为过电压保护器件，还简化了接线和控制回路。器件，还简化了接线和控制回路。非线性电阻灭磁：非线性电阻灭磁：用非线性电阻代替恒值电阻，可以加用非线性电阻代替恒值电阻，可以加快灭磁过程，当转子电流大时，其阻值小，当转子电流快灭磁过程，当转子电流大时，其阻值
15、小，当转子电流小时，其阻值又变大，使电流电阻两者乘积变化不大，小时，其阻值又变大，使电流电阻两者乘积变化不大，并始终小于或等于转子电压容许值。并始终小于或等于转子电压容许值。灭磁方式（二）灭磁方式（二）灭弧栅灭磁特点：灭弧栅灭磁特点：接近理想灭磁。缺点是转子电流较小时接近理想灭磁。缺点是转子电流较小时不能很快断弧不能很快断弧 灭弧栅灭磁：灭弧栅灭磁：灭弧栅中的电弧电阻实质上也是一种非线性灭弧栅中的电弧电阻实质上也是一种非线性电阻，当燃弧时，其两端电压与电流大小无关，基本维持电阻，当燃弧时，其两端电压与电流大小无关，基本维持一定值不变。当熄弧时，其阻值为无穷大，反电动势一定值不变。当熄弧时，其阻
16、值为无穷大，反电动势UsUs愈愈大，则转子过电压愈高，灭磁过程也愈快。为防止灭弧栅大，则转子过电压愈高，灭磁过程也愈快。为防止灭弧栅中的电弧在其电流下降到零前同时熄灭而引起过电压，故中的电弧在其电流下降到零前同时熄灭而引起过电压，故在每一栅片上并联一段电阻。在每一栅片上并联一段电阻。灭磁方式（三）灭磁方式（三）灭磁方式（四）灭磁方式（四）逆变灭磁：逆变灭磁：利用三相全控桥的逆变工作状态，控制角利用三相全控桥的逆变工作状态，控制角从小于从小于9090的整流运行状态突然后退到大于的整流运行状态突然后退到大于9090的某一的某一适当角度，此时励磁电源改变极性，以反电动势的形式适当角度，此时励磁电源改
17、变极性，以反电动势的形式加于励磁绕组，使转子电流迅速衰减到零的灭磁方法加于励磁绕组，使转子电流迅速衰减到零的灭磁方法。逆变灭磁的特点：逆变灭磁的特点：能将转子储能迅速地反馈到三相能将转子储能迅速地反馈到三相全控桥的交流侧电源中去，不需放电电阻或灭弧栅，简全控桥的交流侧电源中去，不需放电电阻或灭弧栅，简便实用；灭磁可靠；灭磁时间相对较长，但过电压倍数便实用；灭磁可靠；灭磁时间相对较长，但过电压倍数很低。很低。转子过电压保护及灭磁设备转子过电压保护及灭磁设备该设备与磁场开关配合，作为发电机转子回路故障状态该设备与磁场开关配合，作为发电机转子回路故障状态下灭磁能量吸收和任何状态下过电压保护。下灭磁能
18、量吸收和任何状态下过电压保护。磁场断路器柜(A 柜）和灭磁过电压保护柜（B柜）组合而成。非线性电阻在使用中存在的一些问题:因氧化锌灭磁电阻正常情况下几乎处于断开状态，目前现场尚无有效的手段对其进行测量，以确认其性能良好，若氧化锌在使用过程中发生永久性短路或开路状态，将可能造成发电机转子绕组或灭磁开关损坏事故。非线性电阻灭磁系统存在运行方式的适应问题，在强励状态下，强励电压越高，灭磁时加在与绕组并联连接的非线性电阻端的电压越低，有可能使非线性电阻不能导通，而使换流失败。同理，在逆变状态下灭磁，逆变电压越负，加在非线性电阻两端的电压超高，导致过分地加重了非线性电阻的负载 灭磁存在的一些问题灭磁存在
19、的一些问题 励磁回路不能装设快速动作的断路器的原因励磁回路不能装设快速动作的断路器的原因 由于发电机励磁回路存在电感，而直流电流又没有过零的由于发电机励磁回路存在电感，而直流电流又没有过零的时刻，当电流一定时突然断路，电弧熄灭瞬间会产生过电时刻，当电流一定时突然断路，电弧熄灭瞬间会产生过电压。电弧熄灭得越快，电流变化速度越大，过电压值就越压。电弧熄灭得越快，电流变化速度越大，过电压值就越高，这可能造成励磁回路绝缘被击穿而损坏。因此同步发高，这可能造成励磁回路绝缘被击穿而损坏。因此同步发电机的励磁回路不能装设快速动作的断路器。电机的励磁回路不能装设快速动作的断路器。励磁系统稳定器励磁系统稳定器
20、励磁系统稳定器又称为阻尼器，它是指为将发电机励磁电压（转子电压）微分，再反馈到综合放大单元的输入端参与调节所采用的并联校正的转子电压微分负反馈网络。励磁系统稳定器具有增加阻尼、抑制超调和消除振荡的作用。电力系统稳定器（电力系统稳定器（PSSPSS）所谓电力系统稳定器（Power System Stabilizer，简称PSS）是指为了解决大电网因缺乏足够的正阻尼转矩而容易发生低频振荡的问题所引入的一种相位补偿附加励磁控制环节，即向励磁控制系统引入一种按某一振荡频率设计的新的附加控制信号，以增加正阻尼转矩，克服快速励磁调节器对系统稳定产生的有害作用，改善系统的暂态特性。电力系统稳定器的作用：主要
21、是抑制电力系统2.5 Hz的低频振荡。电力系统稳定器的任务是接受这些振荡信号，并按要求传递给励磁电压调节器，通过电压调节器的自动控制作用，对发电机转子之间的相对振荡提供正阻尼，以此实现对振荡的抑制。低频振荡的产生原因低频振荡的产生原因 常出现在远距离、重负荷输电线路上，或者互联系统的弱联络线上，在采用快速响应高放大倍数励磁系统的条件下更容易出现。微机励磁调节器的时间常数小，可改善电压调节特性，提高了系统的暂态稳定水平。但由于自动励磁调节器产生的附加阻尼为负值，抵消了系统本身所固有的正阻尼，使系统的总阻尼减少或成为负值，以至系统在扰动作用后的功率振荡长久不能平息，甚至导致自发的低频振荡。？低频振
22、荡的危害低频振荡的危害系统与系统或系统与系统或机组与系统之机组与系统之间的失步而解间的失步而解列列 引起联引起联络线过络线过流跳闸流跳闸 微机自并励励磁系统微机自并励励磁系统 北京吉思电气有限公司生产的GEC系列微机励磁装置是具有自主知识产权，具有最简单的硬件结构与最丰富的软件功能的工业微机励磁装置。GEC系列微机励磁装置依据先进的非线性控制理论和采用全数字化的微机控制技术，使产品在改善发电厂和电力系统运行稳定性方面具有明显的优越性。微机励磁系统配置常采用双柜配置，柜内包括励磁调节控制、功率单元、灭磁开关等，外部配有励磁变压器。全数字化、四种控制方式（NOEC方式非线性最优，LOEC方式线性最
23、优控制，PSS方式电力系统稳定器，PID方式比例、积分、微分）、直观的人机接口、完备的保护功能等，可靠性高。对于微机励磁调节器而言，其大部分功能都软件化了，即由软件实现。从硬件角度看，微机励磁系统即是由微机控制器和受控对象（发电机）构成的微机工控系统。静止式自励励磁系统(GEC-II)的典型接线的典型接线 励磁系统常见故障励磁系统常见故障 当励磁系统出现故障时，要根据机组是否第一次启励建压，认真分析启励前后的有关测量参数、信号指示及其变化情况和系统故障、机组有关保护动作情况，以合理确定检查的重点和步骤，达到快速处理故障的目的。常见因素常见因素1、励磁电压互感器接线错误引起的故障励磁电压互感器接
24、线错误引起的故障2、一次部分引起的故障一次部分引起的故障 3、励磁采样错误引起的故障励磁采样错误引起的故障 4、机组剩磁极性引起的故障机组剩磁极性引起的故障 5、可控硅损坏引起的故障可控硅损坏引起的故障 以前都是三机励磁，引进西屋公司三机励磁，引进西屋公司300、600MW机组制造技术后，就机组制造技术后，就有了无刷励磁系统有了无刷励磁系统。无刷励磁具有不需要滑环、碳刷的优点，但所见被维修电枢直接安无刷励磁具有不需要滑环、碳刷的优点，但所见被维修电枢直接安装在发电机转子轴上，必须连同发电机转子整体运回制造厂处理装在发电机转子轴上，必须连同发电机转子整体运回制造厂处理。三机励磁和无刷励磁属于旋转
25、励磁机系统，励磁系统均由发电机三机励磁和无刷励磁属于旋转励磁机系统，励磁系统均由发电机制造厂成套。如果采用自并励励磁系统，除了滑环、碳刷、刷握由发制造厂成套。如果采用自并励励磁系统，除了滑环、碳刷、刷握由发电机制造厂负责配供外，励磁系统可选择的供货单位就更多电机制造厂负责配供外，励磁系统可选择的供货单位就更多。由于自并励的优点，我国电网大型汽轮发电机推广采用自并励励由于自并励的优点，我国电网大型汽轮发电机推广采用自并励励磁系统是可行的磁系统是可行的。！自并励励磁系统，其安装较为简单，但维护工作量较大。必须经常自并励励磁系统，其安装较为简单，但维护工作量较大。必须经常性的对集电环碳刷系统进行检查和精心维护，如维护不当会引起局性的对集电环碳刷系统进行检查和精心维护，如维护不当会引起局部过热，产生火花和烧坏，碳粉清理当将降低励磁回路绝缘可靠性部过热，产生火花和烧坏，碳粉清理当将降低励磁回路绝缘可靠性