发电机及励磁系统

目录•第一节：发电机结构组成•第二节：同步发电机工作原理•第三节：励磁系统•第四节：发电机运行维护第一节：发电机结构组成发电机定子转子定子铁芯定子绕组转子铁芯转子绕组滑环发电机定子定子绕组定子铁芯1）定子铁心：采用导磁材料，一般为硅钢片，内圆均匀开槽。2）定子绕组：共有A,B,C三相绕组对称（成120°角）地放置在定子铁心槽内，用于产生三相感应电动势，接上负载后，向负载输出三相对称（互差120°角）交流电流。发电机转子滑环1）转子铁心：采用导磁材料，一般由整块钢制成或由钢板叠压而成2）励磁绕组：缠绕在转子磁极铁心上，通入直流电流，产生励磁磁场。与汽轮机连接通入直流电第二节：同步发电机工作原理同步发电机是根据电磁感应原理，它通过转子磁场和定子绕组间的相对运动，将机械能转变为电能。转子线圈通入直流电后产生磁场，转子在原动力的带动下以3000r/min速度旋转时，转子磁场和定子导体就有了相对运动，即定子三相导体依次切割了磁力线，便产生了感应电动势。当转子连续匀速转动时，在定子线圈上就感应出一个周期不断变化的交流电势，这就是同步发电机的工作原理。电磁感应原理导体切割磁力线就会产生感生电动势；闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流，这就是电磁感应原理。发电机将机械能转变为电能必须具备三个条件？磁场（转子）导线（定子）使导线切割磁力线的动力（水、汽轮机）感应电动势1）感应电动势的产生：励磁磁场随转子旋转，切割定子绕组3）感应电动势的波形：正弦变化4）感应电动势的对称性：三相绕组在空间上相差120度，感应电动势相位互差120度2）感应电动势的频率：60pnf三相负载电流与电磁转矩楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流原磁通量的变化。三相对称电流（接带负荷后）产生旋转磁场（感应磁场），该磁场与转子励磁磁场（原磁场）作用，产生电磁转矩，其方向与转子旋转方向相反，为制动转矩，原动机要克服电磁转矩做功（楞次定律），实现从机械能转换为电能。第三节：励磁系统供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。所谓发电机励磁就是用直流电源供给发电机转子使定子产生电势。1、什么是励磁？2、什么是励磁系统？发电机励磁系统的组成（1）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（转子）提供直流励磁电源。（2）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励磁电流的大小，以满足系统运行的要求。3、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。2、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。1、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。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，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。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，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，以确保发电机组安全稳定运行。励磁系统的作用常用的励磁方式1、直流励磁机励磁方式。多用于中、小机组。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100MW及以上的汽轮发电机组。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100MW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什么是自并励？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。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正确评价自并励自并励方式的主要优点是设备和接线简单、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，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。对系统暂态功角稳定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倍数对系统的暂态电压稳定水平有所改善。灭磁及过压保护装置发电机进行励磁，待发电机电压达到或大于30%时通过切换装置自动退出起励回路,转换为励磁变压器经可控硅整流柜及励磁调节器整流通过单极磁场开关经发电机碳刷向发电机转子提供励磁电流。发电机的起励发电机灭磁方式为半导体可控硅+灭磁电阻灭磁方式，当发电机停机时磁场开关断开后半导体可控硅导通，转子的剩余能量经过可控硅和电阻放电灭磁，防止发电机转子受到过电压的威胁，达到保护发－变组设备的目的。可控硅励磁功率柜励磁调节器采用可控硅全控桥，配置有交流过电压保护装置，冷却装置。至少配置2套。AVR的作用就是根据发电机输出电压电流，调节励磁电流的导通角，从而维持发电机输出的稳定。要求发电机快速灭磁的原因有关灭磁在整个灭磁过程中，转子电流的衰减率保持不变，且由衰减率引起的转子感应过电压等于其容许值理想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。非线性电阻灭磁特点：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器件，还简化了接线和控制回路。非线性电阻灭磁：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。灭磁方式（一）灭磁方式（二）逆变灭磁：利用三相全控桥的逆变工作状态，控制角从小于90°的整流运行状态突然后退到大于90°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：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，简便实用；灭磁可靠；灭磁时间相对较长，但过电压倍数很低。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。励磁系统投运前的检查4、调节器无异常信号发出。5、灭磁开关跳合闸试验正常，分合位置指示正常。6、整流柜冷却风机完好。3、调节柜、整流柜内各设备清洁、完整，表计指示正常，各开关刀闸在断开位置。2、励磁系统所属二次回路接线、各插件及元件接线紧固，接触良好。1、励磁变及灭磁开关各部一次接线牢固，无过热痕迹。励磁系统运行中的检查1、励磁回路各接头处无过热，绝缘无损伤现象。2、功率柜各风机运行方式正确，运转正常。3、功率柜元件及接头无过热，各熔断器信号指示正常，无熔断现象。4、调节器运行方式正确，无报警信号。各开关投入位置正确，表计指示正常，柜内元器件无发热现象。功率柜风机运转正常。转子接地•发电机转子接地有转子一点接地和两点接地，另外还会发生转子层间和匝间短路故障。与定子接地一样，转子接地有瞬时接地、断续接地、永久接地之分，也有内部接地和外部接地，金属性接地和电阻性接地之分。转子接地的分类：1、转子接地的原因•3、长期运行绝缘老化，因杂物或振动使转子部分匝间绝缘垫片位移，将转子通风孔局部堵塞，使转子绕组绝缘局部过热老化引起转子接地；•1、工作人员在励磁回路上工作时，因不慎误碰或其他原因造成转子接地；•2、转子滑环，槽及槽口、端部、引线等部位绝缘损坏；•4、管破裂漏水，励磁回路脏污等引起转子接地。2、转子一点接地的现象1、发电机发生转子一点接地时，中央信号警铃响，“发电机转子一点接地”光字牌亮，表计指示无异常。2、一极对地电压降到零，另一极对地电压升至全电压（正、负极之间的电压值）。正常运行时，电压表V1，V2的读数相等，当励磁回路对地绝缘水平下降时，V1与V2的读数不相等。说明•转子回路一点接地时，因一点接地不形成电流回路，故障点无电流通过，励磁系统仍保持正常状态，故不影响机组的正常运行。此时，应检查“转子一点接地”光字牌信号是否能够复归。若能复归，则为瞬时接地；若不能复归，应检查转子一点接地保护是否正常，若正常，则可利用转子电压表通过切换开关测量正、负极对地电压，鉴定是否发生了接地。若发现某极对地电压降到零，另一极对地电压升至全电压（正、负极之间的电压值），说明确实发生了一点接地。转子一点接地处理•a）检查励磁回路是否有人工作，如系工作人员引起，应予以纠正；•b）检查励磁回路各部位有无明显损伤或因脏污接地，若因脏污接地应进行吹扫；•d）检查区分接地是在励磁回路还是在测量保护回路；•c）对有关回路进行详细外观检查，必要时轮流停用整流柜，以判明是否由于整流柜直流回路接地引起；•f）转子带一点接地运行时，若机组又发生欠励磁或失步，一般可认为转子已发展为两点接地，这时转子两点接地保护动作跳闸，否则应立即手动停机。•e）若转子接地为一点稳定金属性接地，且无法查明故障点，除加强监视机组运行外，在取得调度同意后，将转子两点接地保护，并申请尽快停机处理；励磁回路两点接地现象：①励磁电流迅速增大，无功输出大幅度降低，“转子过流”保护可能动作，“转子两地接地”信号亮。②发电机转子电压可能降低。③机组发生较大振动，发电机可能变为异步发电机运行。发电机转子绕组两点接地故障有哪些危害？•①发电机转子绕组两点接地后，相当于一部分绕组短路，两个接地点之间有故障电流流过，它可能引起线圈燃烧和由于磁路不平衡引起发电机剧烈振动；•②转子电流流过转子本体，如果电流大可能烧坏转子铁芯•③由于转子本体局部通过电流，引起局部发热，使转子缓慢变形而偏心，进一步加剧振动。注意•一点接地时，由于不构成回路，故障点无电流流过，可以运行，保护发信号，防止发展成两点接地。两点接地时，两接地点直接相当于短路，两短路点之间有很大短路电流流过，造成转子电流增大，而励磁电流却减小，因此无功降低。第四节：发电机运行维护发电机运行中的规定1、发电机运行电压最高不得超过额定值的110%,最低不得低于额定值的90%。当发电机在额定电压值的105%～110%之间运行时，定子电流的大小以转子电流不超过额定值为限，当发电机电压低于额