电气讲义2发电机励磁系统检修

1电气讲义2发电机励磁系统检修2前言励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，其主要任务是向发电机的转子提供一个可调的励磁直流电源，从而达到控制发电机机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要。同时，励磁系统还具有合理分配并联机组无功功率和提高电力系统稳定性的重要作用。因此，保证励磁系统的安全稳定运行至关重要，提高励磁设备的检修试验技术也至关重要。目前我国励磁系统的种类很多，设备五花八门，技术水平参差不齐，给励磁设备的检修试验带来难度。为了规范和提高我国水电励磁系统的检修试验技术水平，特编写本篇作为电气二次设备检修技术的一部分。本篇主要指导常规直流励磁系统的检修，对于交流励磁系统，可以作为检修参考。目前，风力发电机一般采用交流励磁系统，通过控制三相转子绕组的励磁电流幅度、频率和相位，即可以控制发电机的无功和有功功率输出，从而实现风力发电机组的变速恒频运行。编写发电机励磁系统检修试验，以国内大中型励磁系统的A修为主线，适当介绍一些运行维护和常见故障的处理方法。按照励磁系统的主要部件来编写检修内容，按照励磁系统整体来编写试验内容，其编排顺序尽量与实际检修试验顺序一致。3第一章概述第一节发电机励磁系统的分类按照励磁电源的不同，将励磁系统分为直流励磁机系统、交流励磁机系统、无刷（旋转）励磁系统和静态励磁系统。这种分类，基本反映了励磁系统的发展进程。从直流励磁机发展到交流励磁机，从交流励磁机又发展成两个方向，小方向发展为无刷励磁系统，大方向发展为自并励静止励磁系统。本励磁检修试验技术主要针对自并励静止励磁系统。另外，发电机灭磁技术发展迅速，我国正在使用的灭磁类型和设备种类也很多，对此进行简单分类，有助于励磁系统的检修试验技术的学习。下面对发电机各种励磁系统和灭磁设备类型作一简单介绍。一、直流励磁机系统在电力系统发展初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与发电机组同轴的直流发电机供给，用专门的直流发电机向同步发电机转子回路提供励磁电流，即直流励磁机系统。直流励磁机系统又分为自励与他励两种方式。所谓自励，就是励磁电源取自发电机本身，而他励的励磁电源取自其他发电机或厂用电等。自励直流励磁系统原理图如图1－1所示。4发电机（F）的转子绕组（FLQ）由专门的自励式直流励磁机（L）供电，Rc为励磁机磁场调节电阻。该励磁系统可以手动调节Rc的大小，也可以由自动励磁调节器改变励磁机磁场电流，达到自动调节发电机端电压的目的。直流励磁机励磁系统在我国老式机组上使用，其数量在不断减少。原配用的机械式或电磁式自动调节器都已逐步淘汰，取而代之的是主要以绝缘栅极双极晶体管IGBT为功率元件的半导体自动调节器。这种将IGBT串入直流励磁机的磁场回路内，通过改变IGBT导通时间与关断时间的比例，来控制磁场电流的大小，称作“开关式励磁系统或开关式励磁调节器”，其接线原理图如图1－2所示。这里，IGBT控制励磁机（EL）的励磁绕组（L2）电流，DXL是续流二极管，Rx是限流电阻，L1是发电机G的转子绕组。图1－2中的照片采用直流励磁机的小型水电站厂房，在直流励磁机下面才是发电机和水轮机，三者同轴。5开关式励磁调节器的优点是：可利用直流机本身实现自并激，无需另配电源，因此，结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发同步问题，控制简便，运行可靠性高。二、交流励磁机系统20世纪60年代初，国外开始在中型发电机上采用交流发电机加半导体整流器的励磁方式，即交流励磁机系统。交流励磁机系统是汽轮发电机组较为主要的励磁方式。交流励磁机系统的具体接线方式很多，但究其整流器的区别可以归纳为：同步发电机采用二极管整流励磁，交流发电机（交流励磁机）采用晶闸管整流励磁。下面给出几种典型的接线方式。1．他励交流励磁机系统（三机他励励磁系统）他励交流励磁机系统原理一如图1－3所示。图1－3中的照片是一个采用三机他励方式的大型汽轮发电机，从左到右排列的设备是：汽轮机、发电机、交流主励磁机、交流副励磁机，四者同轴。交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都是交流发电机，均与6同步发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经自动恒压装置控制。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机他励励磁系统。主励磁机磁场绕组由自动励磁调节器控制，采用晶闸管整流电路。主励磁机定子绕组经过二极管整流器向发电机转子提供励磁电流。2．自励交流励磁机系统自励交流励磁机系统没有副励磁机。交流励磁机的励磁电源是从该机（ACL）的出口电压直接获得。交流主励磁机经过二极管整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；自动励磁调节器控制晶闸管的触发角，调整其输出电流，控制主励磁机的出口电压。其原理接线二见图1－4所示。图1－5也是自励交流励磁机励磁系统，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制晶闸管的触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统。三、无刷励磁系统7上述交流励磁机系统，励磁机的电枢与整流装置都是静止的。虽然由硅整流元件或晶闸管代替了机械式换向器，但是静止的励磁系统需要通过滑环与发电机转子回路相连。滑环是一种转动的接触部件，仍然是励磁系统的薄弱环节。图1－6是某大型水轮发电机碳炭刷和滑环照片。随着巨型发电机组的出现，转子电流大大增加，可能产生个别滑环过热和冒火花的现象（俗称碳刷打火现象）。为了解决大容量机组励磁系统中大电流滑环的制造和维护问题，提高励磁系统的可靠性，出现了一种无刷励磁方式。这种励磁方式整个系统没有任何转动接触元件，故无刷励磁系统也称为旋转励磁系统，其原理图见图1－6所示，虚线框内的设备安装在发电机转子内，定子与转子的能量传递通过磁感应方式进行，因而省去了发电机滑环和碳刷。无刷励磁系统中，主励磁机（ACL）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路。由于主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。无刷励磁系统中的副励磁机（PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求8高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是不同于其他励磁系统类型的新问题。尽管无刷励磁系统也是采用交流励磁机，很多人也将无刷励磁系统归纳于交流励磁机类型。但是，鉴于无刷励磁系统的特殊性，这里单独归纳为一种励磁系统。四、静止励磁系统静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或系统或厂用母线上。因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励静止励磁系统，简称自励系统。如果励磁变压器取至与厂用电，则称为他励静止系统，简称他励系统。电站备用励磁系统，是他励系统；自励系统的发电机进行零起升压升流试验，有时候也将自励改为他励方式进行。与电机式励磁方式相比，在自励系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，励磁电流需要通过发电机的碳刷和滑环进入发电机转子绕组，故自励磁系统又称为静止励磁系统。静止励磁系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外，还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流器（或串联变压器），二者结合起来，则构成所谓自复励方式。主要结合的方案有下列两种：直流侧并联自复励方式和交流侧串联自复励方式。1．自并励方式9自并励是自励系统中接线最简单的励磁方式，其典型原理图如图1－8所示。只用一台接在机端的励磁变压器ZB作为励磁电源，通过晶闸管整流装置KZ直接控制发电机的励磁。这种励磁方式又称为简单自励系统，目前国内比较普遍地称为自并励（自并激）方式。图中照片只有汽轮机和发电机，没有励磁机，采用的就是自并励静止励磁系统。自并励方式的优点是：设备和接线比较简单：由于无转动部分，具有较高的可靠性；造价低；励磁变压器放置自由，缩短了机组长度；励磁调节速度快。但对采用这种励磁方式，以前人们普遍有两点顾虑：第一，发电机近端短路时能否满足强励要求，机组是否失磁；第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护可能会拒绝动作。国内外的分析和试验以及工程实践表明，目前，这些问题在技术上是可以解决的。自并励方式愈来愈普遍地得到采用。2．直流侧叠加的自复励方式在自并励的基础上加一台与发电机定子回路串联的励磁变流器，后者另供给一套硅整流装置，二者在直流侧叠加，则构成直流侧叠加的自励方式。叠加方式分为电流叠加（直流侧并联）和电压叠加（直流侧串联）两种。图1－9为直流侧并联自复励方式原理图。发电机F的转子励磁电流由硅整流桥GZ与晶闸管整流桥KZ并联供给。硅整流桥由励磁变流器GLH供电，晶闸管桥由励磁变10压器ZB供电。ZB并接于机端，GLH串接于发电机出口侧或中性点侧。发电机空载时由晶闸管桥单独供给励磁电流，发电机负载时，由晶闸管桥与硅整流桥共同供给励磁电流。其中硅整流桥的输出电流与发电机定子电流成正比，晶闸管桥的输出电压受励磁调节器的控制，起电压校正作用。这种直流侧并联的自复激方式，在我国一些中、小型汽轮发电机和水轮发电机上采用较早，有一定的运行经验，但未得到推广。因为在系统中短路时，复励部分与自并励部分协调配合较差，此外，励磁变流器副方尖峰过电压问题也比较严重。3．交流侧电压叠加的自复励方式励磁变压器的输出与励磁变流器的输出，先叠加再经过整流供给发电机励磁，则构成交流侧叠加的自复励方式，注意这时励磁变流器原边电流要转换成副边电压信号，变流器铁芯必须加有空气隙，这将大大增加变流器的体积。图1－10为交流侧串联的自复励方式，励磁变压器ZB的副方电压与励磁变压器GLH的副方电压相量相加，然后加在晶闸管整流桥KZ上，经整流后供给发电机的励磁。当发电机负载情况变化时，例如电流增大或功率数降低，则加到晶闸管整流桥上的阳极电压增大，故这种励磁方式具有相复励作用。11交流侧叠加的自复励方式，由于反应发电机的电压、电流及功率因数，故又称为相补偿自复励方式。实际上，串联变压器一般安装在发电机的中性点侧，图1－11就反映这种实际位置接线图原理，其晶闸管阳极电压（励磁变压器二次电压）向量图则显示其独有的相复励作用。由相量图可知:Uy=Uzb+Ucb=Ug/Kzb+jIgXu而：Ud＝1.35UyCOSα式中：Uy—晶闸管整流桥阳极电压Kzb—整流变变比Uzb—并联变压器二次侧电压Ig—发电机定子电流Ucb—串联变压器二次侧电压Ug—发电机定子电压Xu—串联变互感抗Ud—整流桥输出电压12因此，交流侧串联型自复励的晶闸管阳极电压，不仅反映了发电机机端电压的水平，而且也同时反映了发电机实际负载情况，其整流输出电压不仅与阳极电压和控制角α有关，而且也与机组工况密切相关。特别是，当发电机机端发生三相短路，尽管机端电压下降了，造成Uzb变小，但短路电流的上升，却使Ucb变大，其结果可以维持较高的晶闸管整流桥阳极电压Uy，从而保证励磁装置的强励能力。对于三相晶闸管整流电路来说，由于串联变压器的存在，使得阳极回路的总电抗增大，从而造成换相缺口大，过电压很高。图1－12是某大型电厂两种励磁阳极电压波形，前者为自复励系统波形，后者为自并励系统的波形。换向缺口大，所产生的晶闸管换向过电压也大。过高的换相电压，使转子电压和阳极电压的过电压毛刺尖峰极高，不仅损害电气设备的绝缘，还加重晶闸管阻容保护的负担，这一切都使得励磁系统主回路设备极易损坏。因此，新设计的励磁系统基本上不再采用自复励系统。鉴于静止半导体励磁系统是现代励磁的主要方式，也是励磁检修的主要对象，在此进一步归纳总结如下：13五、发电机灭磁系统同步发电机安全可靠的灭磁，是一个不仅关系到励磁系统本身安全，而且直接关系到整个电力系统安全运行的大问题。发