浅谈水轮发电机励磁系统故障分析

浅谈水轮发电机励磁系统故障分析
发布时间：2022-10-23T07:41:57.435Z 来源：《当代电力文化》2022年12期作者：陈波[导读] 励磁系统是水轮发电机的重要的组成部分，水电厂励磁系统主要通过控制可控硅装置整流桥的导通角的开度大小从而实现励磁电流控制与调整，本文就水轮机励磁系统故障的主要原因进行分析陈波
重庆草街航运电力开发有限公司水力发电厂重庆合川 401521【摘要】励磁系统是水轮发电机的重要的组成部分，水电厂励磁系统主要通过控制可控硅装置整流桥的导通角的开度大小从而实现励磁电流控制与调整，本文就水轮机励磁系统故障的主要原因进行分析。

其次重点介绍解决故障问题的有效方法，针对各类常见励磁故障问题提出处置方法。

【关键词】励磁系统可控硅故障分析 1、水轮发电机励磁的组成部件及辅助设备
水轮发电机自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器；励磁装置需要提供以下电流，厂用AC380v、厂用DC220v控制电源.厂用DC220v合闸电源；需要提供以下空接点，自动开机.自动停机.并网（一常开，一常闭）增，减；需要提供以下模拟信号，发电机机端电压100V，发电机机端电流5A，母线电压100V，励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变过流，失磁，励磁装置异常等。

励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关，助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成。

在同步发电机发生内部故障时除了必须解列外，还必须灭磁，把转子磁场尽快地减弱到最小程度，保证转子不过的情况下，使灭磁时间尽可能缩短，是灭磁装置的主要功能。

根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭磁。

图1励磁自动控制系统构成框图供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统。

同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成，如图1所示。

励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流，而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

励磁系统向同步发电机的励磁绕组供电以建立转子磁场，并根据发电机运行工况自动调节励磁电流以维持机端和系统的电压水平，并决定着电力系统中并联机组间无功功率的分配。

励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性有很大作用。

尤其是现代电力系统的发展，会引起导致机组稳定极限降低的趋势。

引起这种趋势的原因是：
(1)大容量发电机惯性时间常数的降低和同步电抗标么值的增大。

(2)远距离传送大的功率。

这种趋势迫使人们更加依赖于快速大容量的励磁系统来提高系统运行的稳定性，这也就促使了励磁技术的发展。

2 励磁系统基本要求 2.1对励磁调节器的要求。

励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应控制信号，经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的励磁电流。

所以对它的要求如下：系统正常运行时，励磁调节器能反应发电机电压的高低以维持发电机电压在给定水平，并能合理分配机组间的无功功率和便于实现无功功率的转移。

对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区运行，要求励磁调节器没有失灵区。

能迅速反应系统故障，具备强行励磁控制功能以提高暂态稳定性和改善系统运行条件。

具有较小的时间常数，能迅速响应输入信号的变化。

结构简单可靠，操作维护方便，并逐步做到系列化、标准化。

2.2对励磁功率单元的要求。

励磁功率单元的任务是在励磁调节器的控制下迅速向发电机提供合适的励磁电流。

因此对它的要求如下： (1)励磁功率单元应具有足够的容量，以适应发电机各种运行工况的要求。

具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度，以改善电力系统的运行条件和提高系统的暂态稳定性。

励磁顶值电压Ufm是指励磁功率单元在强行励磁时，可能提供的最高输出电压值。

励磁顶值电压Ufm与额定工况下励磁电压Ufe之比称为强励倍数，其值的大小涉及到制造和成本等因素，一般为1.5-2.0。

(2)励磁电压上升速度是衡量励磁功率单元动态行为的一项指标，它与试验条件和所用的定义有关。

通常在暂态稳定过程中，发电机功率角摇摆到第一个周期最大值的时间约为0.4—0.7s，所以一般将励磁电压在最初0.5s内上升的平均速度定义为励磁电压响应比，作为励磁系统的重要性能指标之一。

(3)励磁功率单元实质上是一个可控的直流电源，它应具有一定独立性和可靠性，不受与发电机相联系的电力网络故障的影响。

3、常见磁系统的典型结构
3.1 无励磁机的静止可控硅励磁系统，也就是水电厂发电机通常采用励磁系统的形式。

这种励磁方式的励磁电源，一种是采用机端整流变压器供电，另一种是由发电机厂用母线引出的整流变压器供电。

取自厂用电的优点是厂用电上装有备用电源，供电可靠，而且不需要起动设备，缺点是易遭受厂用电的扰动和故障的影响。

而由机端整流变压器供电的励磁系统遭受外部网络扰动和故障的影响小，但需要专用起动装置。

这两种方式在运行中均属自励方式，实用中采用机端变压器的居多。

整流变压器的容量决定于励磁电流、顶值励磁电压、整流器的连接和励磁回路的电压降落。

强励倍数为1.6和三相桥式连接时，变压器计算容量近似为额定励磁功率的两倍。

变压器变比选择应使变压器二次电压值满足给定的强励倍数。

一般大容量机组，还需要根据在发电机一变压器组高压母线短路时能保证必要的强励倍数来考虑其容量。

这样在额定电压下可利用的强励倍数或顶值电压比给定的强励倍数就要高了。

因此，在调节器中还需设置过励限制装置。

使之在任何情况下不超过允许的顶值，在励磁回路和可控硅过载时，起到保护作用。

3.2整流变压器两绕组间设置静电屏蔽板。

这种励磁系统适用于大容量发电机。

系统在电力系统短路时所引起的稳定性降低，并不如想象的那样严重。

国内外的计算研究证明，即使发生靠近机组母线的短路，与它励的交流励磁机相比，机组的运行性能并无恶化的结果。

经过可控硅桥直接供应发电机的励磁，属快速励磁系统。

用整流变压器作为励磁电源具有简单可靠；容量大小不受限制；设备费用低；它缩短了机组的长度，整流变压器和励磁调节器的安装地点不受限制；不需要经常监视和维护等优点，因而在大容量机组上得到广泛采用。

因为水轮发电机转速低、交流励磁机铁芯尺寸大，制造安装都不便，故这种励磁系统特别适用于大型水轮发电机。

4、水轮机励磁系统常见故障分析
4.1起励时升不起电压。

原因分析：对自并励系统，起励时升不起电压的原因主要有：1)发电机剩磁过低；2)外加初励电源容量不够；
3)起励回路不能正确动作；4)初励电源的极性与可控硅整流桥输出电压的极性相反；5)可控硅触发回路故障；6)可控硅损坏或快熔断。

处理对策：对于第一个原因，应将初励回路投入，并检查起励回路的动作正确性。

如是第二个原因，则应加大初励电源容量或减小初励回路中串联的限流电阻。

若为后两个原因则应对损坏部分进行更换。

4.2自动调节时电压波动较大。

在自动电压调节方式下，若电压波动太大或不稳定，一般为电压调节器的放大倍数偏高。

此时，可通过减小电压调节器的放大倍数予以解决。

4.3.手动调节时励磁电流波动较大。

在手动电流调节方式下，若发电机电压或励磁电流波动太大或不稳定，一般为电流调节器的放大倍数偏高。

此时，可通过减小电流调节器的放大倍数予以解决
4.4调节方式或控制通道切换时波动较大。

若在调节方式间进行切换时，波动较大，则是调节方式间的相互跟踪不好，应通过调节方式间的跟踪系数等措施加以解决。

若是双通道切换时，波动较大，则是控制通道间的跟踪不好，应根据制造厂家的产品说明书进行相应调整。

5 结束语
窗体顶端
根据目前水电站励磁系统运行维护现状，虽然大型水力发电机组励磁系统可靠性较高，但是我们励磁系统运行检修工作不能缺少，采取适当的措施进行维护和检修，提高设备的可靠性。

为水电站的正常运行保驾护航。

窗体底端。

参考资料：
[1]孙雅明．电力系统自动控制与装置．[M]北京：水力电力出版社，1990
[2][2]沈祖诒．水轮机调节．北京：水利电力出版社（第２版），1988。