发电机励磁系统的组成部分及其作用介绍

发电机励磁系统的组成部分及其作用介绍

发电机励磁系统组成

虽然不同的发电机励磁系统包括的部件不同，但我们仍然可以用三大部分来概括：调节控制部分，包括自动励磁调节器、自动恒压装置、手动调节电阻等；电源部分，包括直流励磁机、交流励磁机、励磁整流器、励磁变压器等；消磁励磁部分，包括消磁开关、消磁电阻、过压保护和励磁电路等。

下面，重点介绍自并励静态励磁系统，简要介绍各组成部分及其作用。

一、自并励静励磁系统的组成

自并励静态励磁系统主要由励磁变压器、晶闸管整流桥、自动励磁调节器及励磁装置、转子过压保护和灭磁装置等组成，原理接线如图1-13所示。目前，所有水电站均采用自并励静态励磁系统。

1.励磁变压器

励磁变压器为励磁系统提供励磁能量。对于励磁变压器二次侧的自动开关，如果该开关与消磁电阻的投切联动，则为交流消磁开关；如果不挂去励磁电阻，开关只起隔离作用，就是交流隔离开关。无论是交流灭磁开关还是交流隔离开关，停机后励磁装置和励磁变压器电路均可隔离，便于维护和测试。

励磁变压器可设置过流保护和温度保护。容量较大的油浸式励磁变压器还设有气体保护装置。小容量励磁变压器一般不自带保护。变压器高压侧的接线必须包含在发电机的差动保护范围内。

早期的励磁变压器一般采用油浸式变压器。近年来，随着干式变压器制造技术的进步，考虑到消防、维修等因素的影响，现在采用环氧树脂变压器。对于大容量励磁变压器，常采用三台单相干式变压器组合使用。励磁变压器的接线组通常采用Y/△组。与普通配电变压器一样，励磁变压器的短路压降为4%～8%。

2.晶闸管整流桥

自并励系统中的大功率整流器均采用三相桥接方式。这种连接的优点是半导体元件承受电压低，励磁变压器的利用率高。三相桥式电路可采用半控或全控桥方式。两者增磁能力相同，但退磁时，半控桥只能将励磁电压控制为零，而全控桥在逆变运行时会产生负励磁电压，使励磁电流迅速下降到零。并将能量反馈给电网和发电机。几乎所有的自并联励磁系统都使用全控电桥。

晶闸管整流桥采用相位控制方式。对于三相全控桥，当负载为感性负载时，控制角在0o~90o之间，进行整流（产生正向电压和正向电流）；控制角在90o~150o之间（理论上控制角可以达到180o）考虑到实际存在换相重叠角，触发脉冲有一定的宽度，最大控制角一般为150o。它是逆变器状态（产生负电压和正电流）。因此，当发电机负载变化时，通过改变晶闸管的控制角来调节励磁电流，以保证发电机端电压恒定。

对于大型励磁系统，为保证足够的励磁电流，多组整流桥并联使用。整流桥并联支路个数的选择原则为：(N+1），N为保证发电机正常励磁的整流桥个数。故障，不影响励磁系统的正常励磁能力 有些材料用(N-1)表示励磁整流柜的冗余，与(N+1))含义相同。

3.励磁控制装置

励磁控制装置包括自动电压调节器和励磁控制回路。对于大型机组自并励系统中的自动电压调节器（AVR），多采用基于微机的数字电压调节器。励磁调节器测量发电机端电压并将其与给定值（设定值）进行比较。当发电机端电压高于给定值时，晶闸管的控制角增大，励磁电流减小，发电机端电压恢复到给定值。当发电机端电压低于给定值时，减小晶闸管的控制角，增大励磁电流，使发电机端电压保持在设定值。

4. 灭磁和转子过压保护

发电机的退磁由退磁开关和退磁电阻协调，可安全快速地切断励磁电流，吸收转子能量。非线性电阻消磁法已广泛应用于大型发电机组桥整流干式变压器减震器，特别是水轮发电机组。对于退磁电阻，国内一般采用高能氧化锌阀（ZnO），国外采用碳化硅电阻（SiC）。当采用线性电阻或灭弧栅退磁时，必须设置单独的转子过电压保护装置（跳线）。采用非线性电阻去磁时，可同时兼顾转子的过电压保护。

二、 5000励磁系统配置介绍

是瑞士ABB公司生产的大型静态励磁装置，在我国应用广泛。装置整体正面图如图1-14所示。左起第一个柜为励磁调节柜；第二个柜为退磁柜和直流出线柜，包括退磁开关、退磁电阻、转子过压保护装置等；第三至第五柜为整流器。柜内装有交流侧过电压保护装置；第六个柜是交流进线柜和励磁电路。

励磁系统典型示意图如图1-15所示，主要由励磁变压器（T02）、晶闸管整流器（EG31～EG34））、双自动稳压器（A10和A20），去磁开关（Q02），去磁非线性电阻R02、跳线（F02、A02），直流电阻-电容吸收器（F04、R04、C04），励磁装置（Q03、V03、R03），分流器R06和必要的监控和保护、报警辅助装置等组成。

在自动稳压器框图中，由测量板MUB、主控板COB和阳极电源信号接口板PSI1/2、快速IO接口板FIO1/2、LCP组成-现场控制面板和手持编程器SPA、通讯适配器MBA、CMT调试维护计算机、现场总线等组成。在整流柜框图中，主电路由整流柜输入输出隔离开关（选配）、快动、晶闸管、正负电流测量传感器组成。脉冲电路由整流接口板CIN、脉冲驱动板GDI、整流柜显示板CDP组成。风扇电路由风扇电源开关、风扇开关继电器和风扇组成。F05、T05、Q05、Z05、G05构成自用交流输入稳压电源回路，Q80、Q15、G15直流输入稳压电源电路，Q90为厂用交流辅助电源转变。也可选择独立的扩展门控板（EGC）作为备用通道，即手动通道。

具有强大的串行通讯功能。一方面可以通过串口通讯、支持等协议实现与电站监控系统的接口。另一方面，在励磁系统中，控制和状态信号的交换是通过现场总线连接的。这些连接板有现场总线连接器FBC、开关量输入接口板DII、继电器输出接口板ROI、开关量输入输出接口板DIO、模拟量输入输出接口板AIO、接口板等。

1. 自动电压调节器（AVR）

AVR采用双通道数字微机励磁调节器，具有稳定发电机电压，合理分配无功功率，提高电力系统稳定性等功能。本调节器具有手动和双自动通道桥整流干式变压器减震器，各通道相互独立，可随时停用任一通道进行维护。每个备用通道可以相互跟踪，确保无干扰切换。AVR与监控设备DCS接口实现AVR在控制室的远程操作。

AVR采用强制通风，可保证风机出现故障时AVR的正常运行。AVR机柜是封闭式的，进风口带有空气过滤器，机柜的保护接地与工作地分开，提高了设备​​的抗干扰能力。

5000励磁装置的主要配置、功能和技术参数如下：

(1）电压调节、监控和保护功能

a：发电机电压调整：设定值调整；有功功率补偿和无功功率补偿；V/Hz 限幅器；软启动；自动跟踪；PID控制器。

b：监控保护功能：PT故障检测；转子温度测量；励磁变压器温度测量；反时限过流保护和瞬时过流保护；失磁保护（P/Q 保护）；过励磁保护（V/Hz 继电器）；电子控制面板自诊断功能。

c：具有以下晶闸管整流监控功能：电力电子设备有熔断器，带熔断报警触点；传导监测；冷却流量和风扇监控；整流桥温度监测；整流桥柜门锁监控。

(2） 交流侧过压保护有一个带熔断报警触点的保险丝。

（3）AVR的自动调节方式为PID+PSS，手动调节采用PI方式。

（4）AVR每路均配有恒流调节手动单元，手动跟踪自动，切换无干扰。

（5）AVR的两个通道配备独立的PT接口，每个通道功能齐全，具有独立工作能力。

（6）AVR 可以显示和修改参数和自检故障。

（7）AVR工作逻辑：正常时，两个通道自动运行，同时发送脉冲；当运行通道故障时，故障通道无干扰退出并报警。

（8）AVR的主要性能。空载到额定负载稳压精度：不超过±0.5%；调整率±10%可调。

（9）调节范围：自动调节范围20%～110%Un；手动调节范围10%Ifo～110%Ifn。

（10）AVR报警信号及显示：AVR1通道故障；AVR2通道故障；磁通报警；励磁下限动作报警；转子反时限动作报警；有功/无功功率极限报警；励磁电流极限报警；定子电流限制/过励磁限制报警；PT断线报警；强励动作信号；励磁控制回路掉电信号；自动运行显示；手动运行显示；AVR正常运行显示；PSS输入显示；PSS退出显示。

2.晶闸管整流器

（1）整流方式是三相全控桥，带逆变能力。

（2）整流柜的数量为4～5个，如果一个柜出现故障退出报警，其余柜可满足1.1倍额定励磁和强励励磁等各种工况要求；退出两个机柜可保证发电机在额定条件下连续运行。

（3）每个晶闸管元件均装有快速熔断器保护，可及时切断短路故障电流。

（4）每个机柜的交流侧都安装了一个尖峰过压吸收器。

（5）散热方式采用强制风冷，100%容量备用。当风压或风量不足时，可自动开启备用风扇。提供两个散热风扇电源，两个电源可以自动切换。

（6）晶闸管整流装置报警信号：任意整流柜退出运行报警；晶闸管熔断器熔断报警；散热器或空气过热报警；冷却风扇故障报警；风量过低报警。

3、交流侧过压保护装置

每个整流桥交流侧的过电压保护装置可以吸收晶闸管的换向过电压尖峰。主要由三相二极管整流桥和接直流侧的电容组成。当出现高频过电压时，电容器呈现低阻抗特性，起到滤波作用。在电容上并联一个放电电阻，可以吸收电容中储存的过电压能量。二极管整流桥交流侧装有带报警触点的保护熔断器。

4、灭磁过压保护装置

灭磁过压保护装置主要由直流灭磁开关、跳线（触发电子板、雪崩二极管BOD、正反相连接的两个晶闸管）和碳化硅非线性电阻组成串联连接。其作用是在发电机正常或故障时迅速切断励磁电源和去励磁，抑制正反转转子过电压，或在发电机大转差和非全相时保护转子。

当发电机正常停机时，可切断灭磁开关或晶闸管桥接反灭磁；当发电机出现故障时，直接打开灭磁开关，触发跳线，将发电机励磁回路与整流器断开。非线性电阻短路成回路。当发电机转子回路产生正或反向过电压时，跳线中的雪崩二极管被击穿，所连接的晶闸管被触发，立即将灭磁电阻串联到转子回路中，发出跳闸指令发出是为了让它出去。磁性开关关闭。

5、转子接地保护装置

转子接地保护的目的是监测转子绕组对地的绝缘水平。保护测量电路采用惠斯通电桥原理，测量电桥的平衡由两个电容建立；一个连接在正极和地之间，另一个连接在负极和地之间。继电器不仅可以检测励磁绕组的绝缘水平，还可以检测包括励磁变压器次级线圈在内的所有主电路设备的绝缘水平。继电器有两种设定，接地电阻设定值和延迟时间分别可调。接地故障报警器具有自保持功能，可通过继电器面板上的按钮复位。该继电器还具有在线测试功能。

6.励磁电路

励磁电路具有以下作用：励磁时，当发电机电压不大于10%时，励磁装置应保证AVR能可靠接通；当发电机电压上升到规定值时，励磁电路自动断开；“励磁输入”和“励磁故障”远程信号。

一般5000即可实现残压励磁。控制回路正常工作所需的整流桥输入电压为10-20V。若电压大于或等于该值，则先用残压启动励磁，不断触发晶闸管整流桥使电压升至额定值；如果整流桥输入电压小于10-20V，励磁电路将自动关闭，为整流桥提供输入电压：当端电压达到发电机额定电压的10%时（根据软件参数设置） ，整流桥已能正常工作，励磁开关自动退出，软励磁过程开始，发电机电压升至额定值。

三、励磁系统配置介绍

它是美国GE公司生产的大型静态励磁装置，在我国火力发电厂中得到广泛应用。图1-16是励磁装置典型配置的总体示意图。左起第一个柜为励磁控制柜，正面为励磁调节器，背面为退磁电阻、跳线和励磁电路；第二到第三个柜子是整流柜，脉冲控制板在上面。中间是晶闸管组件，下面是输入输出五极隔离开关；第四个柜为励磁控制辅助柜，主要是阳极过电压保护装置和主回路测量保险；

四、励磁系统配置介绍

它是一种大型静态励磁系统，用于我国的水力发电厂。图1-17为某大型水电站所用西门子励磁装置整体主视图。左起第一个柜为励磁调节柜；第二个柜是励磁控制辅助柜，包括电源变压器、接触器和继电器等；第三至第七柜为整流柜；第八至第九柜为直流去磁开关柜，包括励磁电路；第十柜灭磁电阻柜（后），前面是交流辅助灭磁开关和抱闸输出开关；第十一柜为电制动整流柜。

这里最显着的特点是使用了交流和直流双消磁开关，交流侧的 -8 真空开关和直流侧的 0.2 消磁开关。正常停机后，只合交流灭磁开关，意外停机后先跳直流灭磁开关，再跳交流灭磁开关。

第三节发电机励磁系统维护的主要标准和规范

一、引用的主要标准和规范

（1） GB/T 7409.3-2007 同步电动机励磁系统、大中型同步电动机励磁系统技术要求；

（2） DL/T 583-2006 大中型水轮发电机静态整流励磁系统及装置技术条件；

（3） DL/T 650—1998 大型汽轮发电机自并励静态励磁系统技术条件；

（4） DL/T 489-2006 大中型水轮发电机静态整流励磁系统及装置试验规程；

（5） DL/T 1013-2006 大中型水轮发电机微机励磁调节器试验与调整指南；

2. 主要参考资料

（1）许启品等. 三峡右岸励磁系统培训教材.. 2006.

(2）陈晓明.三峡励磁软件及调试学习手册..2005.

(3）陈晓明.励磁维护、维护与测试.中国励磁网第一届学术研讨会论文集.2007.

（4）马铁军.Q5S-0/U241型静态励磁调节器维修规程..2007.

（5)张兆林、曾涛等励磁系统维护工作指导书：2007.