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技術與安全知識 |
發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的作用、特性和故障檢查 |
摘要：勵磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源及其附屬設備的統(tǒng)稱，它直接影響發(fā)電機的運行特性。勵磁系統(tǒng)作用是維持電壓水平、提供無功功率，并可以保證發(fā)電機的正常運行，并且對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也有著重要的影響?？得魉构驹诒疚闹兄亟榻B了勵磁系統(tǒng)的作用和其工作原理及常見故障的處理，希望能夠對讀者有所幫助。
一、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的主要作用
同步發(fā)電機勵磁電源一般采用直流電，勵磁系統(tǒng)的作用主要就是供給發(fā)電機轉子繞組的直流電源。同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩部分組成。勵磁功率單元包括整流裝置及其交流電源，它向發(fā)電機的勵磁繞組提供直流勵磁功率；勵磁調(diào)節(jié)器，感受發(fā)電機電壓及運行工況的變化，自動地調(diào)節(jié)勵磁功率單元輸出勵磁電流的大小，以滿足系統(tǒng)運行要求。整個勵磁自動控制系統(tǒng)是由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機構成的一個反饋控制系統(tǒng)。執(zhí)行主要任務如下：
1、維持發(fā)電機端電壓在給定值
當發(fā)電機負荷發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)磁場的強弱來恒定機端電壓。維持電壓水平是勵磁控制系統(tǒng)的最主要的任務，有以下3個主要原因：
（1）保證電力系統(tǒng)運行設備的安全。
電力系統(tǒng)中的運行設備都有其額定運行電壓和最高運行電壓。保持發(fā)電機端電壓在容許水平上，是保證發(fā)電機及電力系統(tǒng)設備安全運行的基本條件之一，這就要求發(fā)電機勵磁系統(tǒng)不但能夠在靜態(tài)下，而且能在大擾動后的穩(wěn)態(tài)下保證發(fā)電機電壓在給定的容許水平上。 發(fā)電機運行規(guī)程規(guī)定，大型同步發(fā)電機運行電壓不得高于額定值的110％。
（2）保證發(fā)電機運行的經(jīng)濟性。
發(fā)電機在額定值附近運行是最經(jīng)濟的。如果發(fā)電機電壓下降,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)電機運行電壓不得低于額定值的90％；當發(fā)電機電壓低于95％時，發(fā)電機應限負荷運行。其他電力設備也有此問題。
（3）提高電壓能力和穩(wěn)定要求
勵磁控制系統(tǒng)對靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的改善，都有顯著的作用，而且是最為簡單、經(jīng)濟而有效的措施。
2、滿足負載需求
發(fā)電機勵磁系統(tǒng)還需要根據(jù)實際負載需求來調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓，以確保滿足當前負載要求。這樣既能保證負載設備正常運行，也能確保電力系統(tǒng)的安全運行。
3、提高發(fā)電效率
發(fā)電機勵磁系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，優(yōu)化發(fā)電機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)電機的損耗和維護成本。
4、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行
發(fā)電機勵磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機的穩(wěn)定輸出電壓，還能增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這是因為，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)可以幫助控制電力系統(tǒng)的電壓和頻率，并抵消負載波動對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
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圖1 高壓無刷勵磁發(fā)電機外形圖 |
圖2 低壓無刷勵磁發(fā)電機外形圖 |
二、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理與特性
1、工作原理
勵磁是指在電力系統(tǒng)中對發(fā)電機進行電磁激勵以使其產(chǎn)生電能的過程。勵磁系統(tǒng)的工作原理如下：
（1）動態(tài)勵磁：
如圖3所示，在勵磁機上通過電源施加直流電流，這些電流通過勵磁機的線圈，在勵磁機中產(chǎn)生磁場。這個磁場產(chǎn)生的磁通量通過氣隙和轉子，進入發(fā)電機的定子線圈。定子線圈中的磁通量和轉子上的感應電動勢相互作用，產(chǎn)生電流。這個電流在電力系統(tǒng)中循環(huán)，推動電機發(fā)電。
（2）靜態(tài)勵磁：
如圖4所示，使用靜止的勵磁變壓器和整流器來完成勵磁。交流電源輸入勵磁變壓器，變壓器將高電壓降低并提供給整流器，整流器將交流電轉換為直流電。直流電流通過勵磁變壓器的次級線圈和發(fā)電機的勵磁線圈，產(chǎn)生磁場。勵磁線圈中的磁通量和轉子上的感應電動勢相互作用，使發(fā)電機產(chǎn)生電流。
通過控制勵磁電流的大小和方向，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機產(chǎn)生的電能的性質，例如電壓和頻率等。這樣就能滿足電力系統(tǒng)中對電能的不同需求。
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圖3 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)動態(tài)勵磁原理 |
圖4 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)靜態(tài)勵磁原理 |
2、勵磁系統(tǒng)特性
（1）電壓的調(diào)節(jié)
自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)可以看成為一個以電壓為被調(diào)量的負反饋控制系統(tǒng)，如圖5所示。無功負荷電流是造成發(fā)電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發(fā)電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質量的要求，發(fā)電機的端電壓應基本保持不變，實現(xiàn)這一要求的辦法是隨無功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。
（2）無功功率
發(fā)電機與系統(tǒng)并聯(lián)運行時，可以認為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發(fā)電機勵磁電流，感應電勢和定子電流也跟著變化，此時發(fā)電機的無功電流也跟著變化。當發(fā)電機與無限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運行時，為了改變發(fā)電機的無功功率，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。此時改變的發(fā)電機勵磁電流并不是通常所說的“調(diào)壓”，而是只是改變了送入系統(tǒng)的無功功率。
并聯(lián)運行發(fā)電機組無功功率合理分配與發(fā)電機端電壓的調(diào)差率有關。發(fā)電機端電壓的調(diào)差率有三種調(diào)差特性：無調(diào)差、負調(diào)差和正調(diào)差，如圖6所示。兩臺或多臺有差調(diào)節(jié)的發(fā)電機并聯(lián)運行時，按調(diào)差率大小分配無功功率。調(diào)差率小的分配的無功多，調(diào)差率大的分配到的無功少。
如果發(fā)電機變壓器單元在高壓側并聯(lián)，因為變壓器有較大的電抗，如果采用無差特性，經(jīng)變壓器到高壓側后，該單元就成了有差調(diào)節(jié)了。若變壓器電抗較大，為使高壓母線電壓穩(wěn)定，就要使高壓母線上的調(diào)差率不至太大，這時發(fā)電機可采用負調(diào)差特性，其作用是部分補償無功電流在主變壓器上形成的電壓降落，這也稱為負荷補償。 調(diào)差特性由自動電壓調(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)電機組，調(diào)差率Ku在土(3%～10%)之間調(diào)整。
（3）無功負荷
并聯(lián)運行的發(fā)電機根據(jù)各自的額定容量，按比例進行無功電流的分配。大容量發(fā)電機應負擔較多無功負荷，而容量較小的負則提供較少的無功負荷。為了實現(xiàn)無功負荷能自動分配，可以通過自動高壓調(diào)節(jié)的勵磁裝置，改變發(fā)電機勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)特性的傾斜度進行調(diào)整，以實現(xiàn)并聯(lián)運行發(fā)電機無功負荷的合理分配。
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圖5 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)示意圖 |
圖6 發(fā)電機無功功率分配曲線 |
二、勵磁系統(tǒng)故障檢查和分析
1、勵磁系統(tǒng)的檢查
基于探測線圈的檢測方法是通過監(jiān)測定、轉子之間氣隙磁場的變化情況來估測運行狀態(tài)或判斷故障，已經(jīng)應用于三相無刷勵磁機中。圖7所示為在傳統(tǒng)的內(nèi)轉子型三相無刷勵磁機上安裝的q軸探測線圈，通常將工字形結構的線圈支架安裝在定子相鄰的磁極之間，支架上有兩根沿勵磁機軸向分布的平行細柱。在這兩根細柱之間繞制的多匝線圈就是q軸探測線圈。勵磁機電樞繞組產(chǎn)生的（非同步）空間諧波磁場會在靜止的q軸探測線圈中感應出電動勢，通過測量q軸探測線圈電壓可估測主發(fā)電機的勵磁電流，解決勵磁機旋轉整流器輸出電流（即提供給主發(fā)電機的勵磁電流）無法直接測量的問題；還可以用q軸探測線圈感應電動勢的幅頻特性作為故障特征量，對旋轉整流器的各類故障進行檢測與識別。
（1）開關量的檢查
勵磁系統(tǒng)電路如圖8所示。模擬調(diào)節(jié)器開關量輸出，檢查信號是否正確。給調(diào)節(jié)器發(fā)“開機”信號時，PT電壓在8S內(nèi)未達到30%時，發(fā)“起勵失敗”信號；當手動、PT斷線、過勵限制、強勵限制、低頻保護、低勵限制等信號出現(xiàn)時，均有異常信號發(fā)出，并在面板上有相應的指示燈亮調(diào)節(jié)器功能模擬試驗。
（2）模擬量的檢測
● 發(fā)電機PT電壓測量校正
在端子排上短接勵磁PT（LPT）和儀表PT（YPT）（分相端接）以及系統(tǒng)PT（XPT）（有些裝置上沒有采用）。加入三相正相序的0~120V電壓，以額定機組電壓為基準值，每隔10V記錄測量顯示值。修改參數(shù)或調(diào)整測量回路的電位器，使顯示值與實際值（PT二次電壓）折算到側的電壓值一致。
● 發(fā)電機CT電流測量校正
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，記錄測量顯示值。修改參數(shù)或者調(diào)整測量回路的電位器，使顯示值與實際值（CT二次電流）折算到側的電流值一致。
● 勵磁電流（IL）或勵磁電壓（UL）測量校正
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。按照電流傳感器的變比折算到勵磁電流的實際值。修改參數(shù)或調(diào)整測量回路的電位器，使顯示值與所加電壓或電流折算的實際值（按照電流傳感器的變比折算到勵磁電流的值）折算到側的電壓值一致。
2、分析及處理案例
（1）勵磁機整流輸出故障及處理。
斯坦福發(fā)電機勵磁方式為無刷勵磁式（系統(tǒng)接線方式如下），升壓時給起勵電流后，發(fā)電機電壓變化不大，多次實驗結果一樣，用三相調(diào)壓器直接加電壓至勵磁功率回路進行整流，輸出至額定電流時發(fā)電機電壓仍只到30%.勵磁裝置輸出電流正常，達到額定電流后發(fā)電機電壓仍然升不起來基本可以排除勵磁故障。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)勵磁機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）勵磁PT電壓故障及處理。
國產(chǎn)發(fā)電機可控硅自并激勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機到額定轉速后，運行人員在勵磁調(diào)節(jié)柜上操作“開機”開關，發(fā)電機開機起勵后，發(fā)電機電壓表指針不動，勵磁變副邊電壓表很快滿表，隨即保護動作，滅磁開關跳開，檢查發(fā)現(xiàn)滅磁開關兩個觸頭燒熔，滅磁開關正上方的-C相可控硅散熱器被嚴重熏黑，繼續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)勵磁變壓器高壓保險（10A）三相由于來不及熔斷，本體均被炸飛掉，高壓保險柜被驗證熏黑。
經(jīng)檢查造成事故的主要原因是PT電壓沒投入，就以“自動”方式開機升壓。由于自動勵磁調(diào)節(jié)器是以PT電壓作為反饋量，沒有檢測到反饋電壓，控制角一直保持在角度。勵磁電流會一直上升，發(fā)電機電壓一直會上升到飽和點，此時勵磁電流繼續(xù)增加，由于電流的增加率很大，電壓會達到1.5倍以上，勵磁變壓器高壓保險的電流和電壓均超過額定值，高壓保險來不及熔斷，熔斷時的能量很大，超過了保險管內(nèi)部吸收的極限，被炸飛掉。保險炸飛后三相之間相互拉弧造成發(fā)電機三相短路，發(fā)電機差動保護動作，跳開滅磁開關。
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圖7 無刷勵磁發(fā)電機故障探測裝置 |
圖8 發(fā)電機勵磁接線圖 |
總結：
勵磁系統(tǒng)作為發(fā)電機的重要組成部分，通過維持勵磁電流、調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓和提供短路電流等功能，保證了發(fā)電機的正常運行和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其工作原理主要包括勵磁電路的搭建、勵磁調(diào)節(jié)和勵磁穩(wěn)定等方面。通過深入了解勵磁系統(tǒng)的作用和工作原理，可以更好地理解電力系統(tǒng)的運行機制，并且對于電力系統(tǒng)的運行和維護有著重要的指導意義。
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