励磁系统设计导则

东北电力设计院技术标准
Q/DB 1-D011-2007 交流同步发电机励磁系统设计导则
2007-10-20发布2007-10-30实施中国电力工程顾问集团东北电力设计院发布
目次
前言 (III)
1 范围 (1)
2 规范性文件 (1)
3 总则 (2)
4 同步发电机励磁系统的作用和性能要求 (2)
4.1 同步发电机励磁系统的主要作用 (2)
4.2 励磁系统应具有的性能 (3)
5 同步发电机的励磁种类和对励磁系统的基本要求 (3)
5.1 励磁系统的分类 (3)
5.2 对励磁系统的基本要求 (3)
6 同步发电机励磁调节系统对电流、电压采集的基本要求 (5)
6.1 对电流互感器的要求 (5)
6.2 对电压互感器的要求 (5)
7 目前大中型汽轮发电机的常用励磁方式 (5)
7.1 三机旋转励磁系统的特点 (5)
7.2 自并励静止励磁系统的特点 (7)
7.3 国内大中型汽轮发电机的常用励磁方式的应用情况 (9)
8 自并励方式的优势 (9)
8.1 励磁系统可靠性增强 (9)
8.2 电力系统的稳态、暂态稳定水平提高 (9)
9 大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统设计 (10)
9.1 自并励系统的应用条件 (10)
9.2 励磁调节器的选择 (10)
9.3 发电机起励问题 (11)
9.4 可控硅励磁功率柜的选择 (11)
9.5 灭磁及过压保护装置的配置 (12)
9.6 励磁变压器及励磁回路继电保护 (12)
9.7 励磁变压器和整流装置的一些要求 (14)
9.8 发电机短路试验有关设施和措施 (14)
9.9 有关的技术条件和国家标准 (15)
9.10 励磁变压器及相关设备配置选择原则 (16)
9.11 励磁变压器的计算及选择实例 (19)
10 结论 (22)
参考文献 (23)
附录A 汽轮发电机励磁系统技术规范书 (24)
前言
励磁系统是同步发电机组的重要组成部分，它的技术性能及运行的可靠性，对供电质量、继电保护可靠动作和发电机及电力系统的安全稳定运行都有重大的影响，为规范设计程序、提高设计效率和设计成品质量，特制定本标准。

本标准根据《Q/DB-2-A001-2006 企业标准编制导则》的有关规定编制。

随着技术的发展和设计手段的进步，本标准将不断充实和完善。

本导则由东北电力设计院电气室提出。

本导则由东北电力设计院质量技术部归口。

本导则由东北电力设计院电气室负责解释。

本导则主要起草及校审人员如下：
批准：安力群
审核：聂君
校核：李岩山
编制：孙建平
交流同步发电机励磁系统设计导则
1 范围
本导则针对大中型火力发电厂发电机励磁系统的作用和性能、常用励磁方式、励磁设备选型、设计原则、接口范围等等进行了论述。

并介绍了设计的方法和技巧，使设计者能较快的完成发电机励磁系统的计算和设计工作。

本导则适用于容量为300MW~600WM火力发电机组的发电机变压器组二次接线图设计，对于小于300MW机组或大于600WM机组的工程，可参照使用。

本导则适用于新建或扩建电厂的设计，改造工程的设计，也可参照使用。

2 规范性文件
《火力发电厂设计技术规程》
《火力发电厂、变电所二次接线设计技术规定》
《透平同步电机技术要求》
《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》
《同步电机励磁系统》
《变压器类产品型号编制方法(J B／T3837)》
《电力变压器(GBl094(idt IEC76)) 》
《干式电力变压器(GB6450(idt IEC726))》
《变流变压器(GB／Tl8494．1(idt IEC61378．1))》
《电力变流变压器(JB／T8636)》
《半导体变流器基本要求的规定(GB／T 3859．1-93)》
《半导体变流应用导则(GB／T 3859．2-93)》
《半导体变流器变压器和电抗器(6B3859．3-93)》
《电力工程直流系统设计技术规程》
《发电厂、变电所电缆选择与敷设设计规程》
《电力工程电缆设计规范》
《继电保护和安全自动装置技术规程》
《电测量仪表装置设计技术规程》
《火力发电厂电力网络计算机监控系统设计技术规定》
《电力工程电气设计手册电气二次部分》
3 总则
为确保火力发电厂发电机励磁系统针对机组和系统的安全可靠、快速反应。

发电机励磁系统必须保证技术先进成熟、经济合理、符合电网和发电机的特殊要求，并不断总结设计运行和制造上的经验，积极慎重的采用和推广经过鉴定的新产品和新技术，在经济技术条件允许的情况下可采用进口设备。

4 同步发电机励磁系统的作用和性能要求
目前在电力能源领域的主导发电设备是交流发电机，交流发电机根据激磁方式和运行特性可分为两类，即同步发电机和异步发电机（感应电机）。

异步发电机有结构简单、运行可靠、效率较高、制造容易、成本较低等优点，但它需要从电网汲取滞后的无功电流作为励磁源，致使电网功率因数降低。

基于这个缺点，它不可能成为电网的主力发电机组。

因此，异步发电机只能应用于小容量的以风力或潮汐为驱动源的发电设备。

现在，全世界的发电量几乎全部是由同步发电机发出的，同步发电机的最大特点就是需要一个外部稳定的直流电源为其励磁，这就是本导则论述的发电机励磁系统。

所谓励磁系统是指同步发电机励磁绕组的供电电源，它包括（产生励磁电压）主回路的有关设备，自动/手动励磁调节器，强行励磁，强行减磁和磁场开关、过电压保护装置等。

同步发电机的励磁方式种类较多，应该说是同步发电机工艺技术水平发展过程中的一个重要课题，不同的励磁方式直接影响到发电机的各方面的性能优劣、运行可靠性和电力生产的技术经济指标。

4.1 同步发电机励磁系统的主要作用
同步发电机励磁系统有如下主要作用：
4.1.1 在正常运行条件下，供给同步发电机励磁电流，并根据发电机负载情况作出相应的调整，以维持发电机机电压或电网某点电压为一定水平。

4.1.2 当电力系统发生短路故障或其他原因使电压严重下降时，能够对发电机进行强行励磁，来提高电力系统稳定性。

4.1.3 当发电机突然甩负荷时，励磁系统应能够强行减磁，以限制发电机端电压的过度增高。

4.1.4 当发电机发生内部短路故障时，能够进行灭磁以减少发电机损坏程度。

4.1.5 能够使得并联运行发电机的无功功率得到合理分配。

4.2 励磁系统应具有的性能
根据上述同步发电机励磁系统的作用，对励磁系统提出以下要求：
4.2.1 励磁系统应能保证提供发电机长期工作条件下各种运行工况所需的励磁电流，并保证一定裕度。

4.2.2 励磁系统应能够满足所要求的顶值电压和励磁增长速度。

4.2.3 励磁系统应具有快速减磁和灭磁的性能。

4.2.4 对两台及以上并联运行的发电机，励磁系统应具有成组调节发电机无功功率的可能性。

4.2.5 励磁装置不应对发电机的输出电压波形产生有害影响。

4.2.6 励磁系统应具有一定的温度补偿能力，以减少发电机冷热态的电压偏差。

一般情况下，还要求励磁系统反应快速，运行可靠，接线和设备结构简单，维修调整方便，电能损耗小，设备成本低和体积小等。

5 同步发电机的励磁种类和对励磁系统的基本要求
5.1 励磁系统的分类
5.1.1 直流励磁机励磁系统
分他励和并励两种方式。

5.1.2 交流励磁机励磁系统
分交流励磁机-静止整流器励磁系统、交流励磁机-静止可控整流器励磁系统、交流励磁机-旋转整流器励磁系统三种方式。

5.1.3 静止励磁系统
分电压源-可控整流器励磁系统、复励-可控整流器励磁系统两种方式。

复励方式又可分为交流侧串联复励、交流侧并联复励、直流侧串联复励、直流侧并联复励四种方式。

5.2 对励磁系统的基本要求
励磁系统主要包括励磁电源装置（如直流励磁机、交流励磁机、励磁变压器及整流装置等）、自动调节励磁装置、手动调节励磁装置、自动灭磁装置、励磁绕组过电压装置及上述装置的控制、信号、测量等。

发电机的招标订货工作一般在发电厂可行性研究和初步设计两个阶段之间完成，在发电机订货之后，它的励磁方式、励磁接线就已经确定，因此在施工图设计阶段，主要工作是遵循发电机厂制造厂提供的励磁系统资料做好该系统与控制、信号、测量、保护等接口
设计工作。

5.2.1 对励磁系统的要求
5.2.1.1 当发电机励磁电流和电压不超过其额定值的1.1倍时，励磁系统应保证连续运行。

5.2.1.2 磁系统的顶值电压倍数、顶值电流倍数、允许强励时间、电压响应比不应低于规定值。

5.2.1.3 当发电机励磁电流不超过其额定值的1.1倍时，发电机励磁绕组两端所加的整流电压最大瞬时值不应大于规定的励磁绕组出厂试验电压幅值的30%。

5.2.1.4 灭磁开关及其与励磁绕组之间的电气组件，当发电机额定励磁电压为500V及以下时，其出厂实验电压为10倍额定励磁电压，最低不小于1500V；当发电机额定励磁电压大于500V时，其出厂实验电压为2倍额定励磁电压再加上4000V。

其余与励磁绕组连接的电气组件，当发电机额定励磁电压为350V及以下时，其出厂实验电压为10倍额定励磁电压，最低不小于1500V；当发电机额定励磁电压大于350V时，其出厂实验电压为2倍额定励磁电压再加上2800V。

5.2.1.5 安装工地现场验收电压为出厂实验电压的75%；允许反复实验电压及维修后的实验电压为出厂实验电压的65%。

5.2.2 对励磁调节的要求
5.2.2.1 自动调整励磁装置应能保证发电机空载电压整定范围为额定值的70%~110%。

5.2.2.2 手动调整励磁装置应能保证发电机励磁电流调整范围为空载励磁电流的20%至额定励磁电流110%。

5.2.2.3 发电机空载运行状态下自动或手动调整励磁装置的给定电压变化每秒不大于发电机额定电压的1%，不小于发电机额定电压的0.3%。

5.2.2.4 自动调整励磁装置应能保证发电机端电压的调差率。

对于电子型装置要求为+-10%；对于电磁型装置要求为+-5%。

5.2.2.5 自动调整励磁装置应能保证发电机端电压的静差率。

对于电子型装置要求不大于1%；对于电磁型装置要求不大于3%。

5.2.2.6 发电机空载运行时在额定电压工况下，突增阶跃响应+-10%时，常规励磁系统超调量不应大于阶跃量的50%；快速励磁系统超调量不应大于阶跃量的30%。

5.2.2.7 自动调整励磁装置应能保证发电机突然零起升压时电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间不大于10S。

5.2.2.8 自动调整励磁装置应能保证发电机空载运行状态下，频率变化范围在额定值的
±1%时，发电机端电压的变化率。

对于电子型装置要求不大于额定电压±0.25%；对于电磁型装置要求不大于额定电压±2%。

5.2.2.9 自动调整励磁装置应装设远距离给定及控制设备。

对于电子型装置还应装设过励、欠励、电压回路断线及过激磁等限制与保护装置和电力系统稳定器等必要的附加装置。

6 同步发电机励磁调节系统对电流、电压采集的基本要求
交流同步发电机励磁系统的调节（AVR）必定要实时跟踪发动机的电流、电压、频率、有功功率和无功功率等信息，这就要求必须能够正确反映发电机电流、电压、频率的电流互感器和电压互感器的接入。

6.1 对电流互感器的要求
6.1.1 AVR宜采用误差不低于0.5级的测量级电流互感器。

6.1.2 复励式励磁装置的AVR应接于发电机出口电流互感器，不应接于发电机中性点电流互感器。

其原因是为了防止发电机与系统断开时，由发电机内部故障引起的误强励。

6.1.3 AVR不宜与测量、保护等回路合用电流互感器；当采用微机型独立双通道的AVR 时，必须采用独立的电流互感器接入各自通道。

6.2 对电压互感器的要求
6.2.1 AVR宜采用误差不低于0.5级的测量级电压互感器。

6.2.2 复励式励磁装置的AVR应接于发电机出口电压互感器，原因同3.1.2的说明。

6.2.3 AVR不宜与测量、保护等回路合用电压互感器的二次线圈；当采用微机型独立双通道的AVR时，必须采用独立的电压互感器的二次线圈进入各自通道。

6.2.4 AVR使用的电压互感器的二次线圈，应在就地接地，其二次回路不宜装设熔断器或自动空气开关等保护设备。

其原因主要考虑是AVR无论什么情况都不能失去电压跟踪。

7 目前大中型汽轮发电机的常用励磁方式
因为受励磁容量的影响，目前大中型汽轮发电机基本上采用两种励磁方式：三机旋转励磁系统和自并励静止励磁系统。

这两种励磁方式都是推荐使用的，由于它们各有优缺点，具体工程应根据实际情况选择采用哪一种励磁方式。

励磁方式对汽机房的空间布置影响非常大，因此在发电机的选型的同时，最好确定励磁方式，为火力发电厂的初步设计阶段的开展创造必要的条件。

7.1 三机旋转励磁系统的特点
7.1.1 三机旋转励磁系统工作原理
如下图所示，G为发电机；EG为交流励磁发电机；FEG为辅助交流励磁发电机；KG为发电机励磁整流单元；FKG为交流励磁发电机励磁整流单元；AVR为励磁调节单元；CT为发电机出口电流互感器；VT 为发电机出口电压互感器；N-S为永久磁铁；MT为主变压器。

不难看出，辅助交流励磁发电机FEG是一个永磁机，为其励磁的永久磁铁是旋转的，它的电枢绕组是静止的；而交流励磁发电机EG正好相反，为其励磁的磁场绕组是静止的，它的电枢绕组是旋转的；交流励磁发电机EG电枢绕组发出的三相交流电经发电机励磁整流单元KG整流后，直接送到发电机G磁场绕组上。

由于永久磁铁、交流励磁发电机EG 电枢绕组、发电机励磁整流单元KG、发电机G磁场绕组都在同一轴上旋转，所以不需要任何滑环和电刷等接触部件，也就是实现了无刷励磁。

7.1.2 三机旋转励磁系统的优缺点
由于大中型发电机的励磁电流比较大，需要的滑环和电刷数量也比较多，很容易产生滑环过热这一问题，同时需要对滑环和电刷进行必要的维护和更换，采用无刷励磁无疑使这些问题迎刃而解，这也是无刷励磁的最显著优点。

但是三机旋转励磁系统在布置上的缺点也是显而易见的，由于辅助交流励磁发电机FEG、交流励磁发电机EG和发电机G处于同一轴线上，这无疑将加大汽轮机和发电机的大轴纵向长度，使得汽机房面积和体积的增大，必将造成建筑上投资的增加。

在无刷励磁系统中，由于和同步发电机转子回路直接连接的元件都是旋转的，那么对这些元件（永久磁铁、交流励磁发电机EG电枢绕组、发电机励磁整流单元KG、发电机G磁场绕组）制造工艺上的要求必然会很高，制造成本也就水涨船高了；在运行过程中，发电机转子回路的励磁电流和电压都不能直接测量；转子绕组的绝缘、整流元件和短路保
护设备也都不便监视。

还有很重要的一点，由于转子供电回路是旋转的，也就无法在外部命令的触发下，利用开关设备直接进行灭磁操作。

基于这一原因，自动调节励磁系统AVR，只能针对交流励磁发电机励磁整流单元FKG进行调控，以达到对发电机进行强励、增磁、减磁和灭磁操作。

其调节过程是，由交流励磁发电机励磁整流单元FKG调控交流励磁发电机EG，由交流励磁发电机EG发出交流电流的大小决定发电机励磁整流单元KG整流后的直流电流（即发电机转子回路电流）的大小，那么发电机转子绕组对AVR的响应速度也必定是比较慢的。

7.2 自并励静止励磁系统的特点
7.2.1 自并励静止励磁系统工作原理
如下图所示，G为发电机；ET为励磁变压器；SE为起励电源投入装置；KG为发电机励磁整流单元；AVR励自动励磁调节单元；CT为发电机出口电流互感器；VT 为发电机出口电压互感器；MT为主变压器。

其励磁过程是这样的，必须从外部给一个直流（或交流）起励电源，由AVR控制其导通投入（或整流导通投入），使发电机G磁场绕组上取得电源，在汽轮机的驱动下，发电机G电枢绕组出口将发出交流电，电枢绕组发出的三相交流电经发电机励磁整流单元KG整流后，直接送到发电机G磁场绕组上。

从结构上来讲，除发电机G的磁场绕
组（转子绕组）是随发电机转子旋转的以外，发电机G的其他所有励磁设备都是静止的，因此必须需要滑环和电刷等接触部件作为静止部分和旋转部分的电路连接，是典型的有刷励磁。

其励磁过程是这样的，必须从外部给一个直流（或交流）起励电源，由AVR控制其
导通投入（或整流导通投入），使发电机G磁场绕组上取得电源，在汽轮机的驱动下，发电机G电枢绕组出口将发出交流电，电枢绕组发出的三相交流电经发电机励磁整流单元KG整流后，直接送到发电机G磁场绕组上。

从结构上来讲，除发电机G的磁场绕组（转子绕组）是随发电机转子旋转的以外，发电机G的其他所有励磁设备都是静止的，因此必须需要滑环和电刷等接触部件作为静止部分和旋转部分的电路连接，是典型的有刷励磁。

7.2.2 自并励静止励磁系统的优缺点
从7.1节的论述可知，大中型发电机的励磁电流大、滑环和电刷数量多、容易产生过热，以及滑环和电刷的维护和更换不便等等问题，无疑是自并励静止励磁系统的最主要缺点。

但随着科学技术的进步，新型耐磨坚固型材料的采用，以及制造结构上的优化，滑环和电刷的制造工艺水平的也在逐步提高，使其过热减少，维护和更换的周期变长，使得自并励静止励磁系统的应用前景更加广阔。

由于自并励静止系统与三机励磁系统相比，取消了主、副励磁机，缩短了机组长度，减少了大轴联接环节，因而缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性，再者除发电机的磁场绕组（转子绕组）是随发电机转子旋转的以外，发电机的其他所有励磁设备都是静止的，也就决定了励磁设备之间都可以通过电缆或封闭母线进行连接，这就会使励磁系统设备布置起来非常灵活，有利于汽机房面积和体积的充分利用，缩短汽机房长度，减少建筑上的工程量和材料量，节省机组投资。

同三机无刷励磁系统相反，由于和同步发电机转子回路直接连接的元件都是静止的，那么对这些元件（励磁变压器ET、起励电源投入装置SE、发电机励磁整流单元KG、自动励磁调节单元AVR）制造工艺上不必要求太高，制造成本也就会下降；在运行过程中，发电机转子回路的励磁电流和电压都可直接测量；整流元件和短路保护设备也都可直接监视。

虽然发电机转子绕组是随发电机旋转的，但是其供电回路是通过滑环和电刷等接触部件与静止的励磁电源相联系，因此可以利用开关设备直接进行灭磁操作，这样也就最大限度的保证机组在转子回路在异常情况下的安全。

基于同样原因，自动调节励磁系统AVR，可直接针发电机励磁整流单元KG进行调控，达到对发电机进行强励、增磁和减磁操作，那么发电机转子绕组对AVR的响应速度也必定是比较迅速的。

自并励静止励磁系统在性能上所具有的这种高励磁电压响应速度，易于实现发电机高起始响应性能，对提高电力系统稳定性和发电机组的安全可靠运行所带来的益处是显而易见的。

这方面内容将在以后的章节中详细叙述。

7.3 国内大中型汽轮发电机的常用励磁方式的应用情况
在300MW、600MW等级大中型汽轮发电机投入使用之初，由于滑环和电刷的制造工艺没有很好的解决，当时的大多数机组均采用三机励磁方式。

比如我院设计的铁岭发电厂新建工程（4×300MW）、哈尔滨第三发电厂二期工程（2×600MW）、丹东发电厂新建工程（2×300MW）等等。

近年来，随着滑环和电刷的制造工艺水平的提高，几乎所有的大中型汽轮发电机都采用自并励静止励磁系统，如我院本世纪初以来设计的辽宁发电厂技术改造工程（2×350MW）、利港发电厂三期工程（4×600MW）、通辽发电厂三期工程（1×600MW）等等。

基于自并励静止励磁系统的优越性，一些旧有的三机励磁机组进行了改造或者正在酝酿改造，如我院上世纪九十年代设计的铁岭发电厂新建工程（4×300MW）、哈尔滨第三发电厂二期工程（2×600MW）、双辽发电厂新建工程（2×300MW）等等。

由于三机无刷励磁主要的设计选型工作量是在发电机厂，设计院的工作主要是接受发电机厂资料，和院内汽机房归口专业协调配合。

三机无刷励磁的一些设计方法在《电力工程电气设计手册电气二次部分》P376~P393有详细论述，本导则不再重复。

因此自并励静止励磁系统的选型和计算将是本导则论述的重点。

8 自并励方式的优势
8.1 励磁系统可靠性增强
旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的一部分，但由于自并励静止励磁方式取消了旋转部件，大大减少了事故隐患，可靠性明显优于交流励磁机励磁系统，而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。

该励磁系统对运行、维护的要求相对较低。

8.2 电力系统的稳态、暂态稳定水平提高
由于自并励静止励磁系统响应速度快，电力系统静态稳定性大大提高。

自并励方式保持发电机端电压不变，对单机无穷大系统静态稳定极限功率为：
P max=V g V s/X e，（8.2-1）式中V g--机端电压；
V s--系统电压；
V e--发电机与系统的等值电抗。

而常规系统在故障过程中只能保持发电机暂态电势E q′不变，其极限功率为：
P max′=E q′V s／(X e+X d′)，（8.2-2）
式中E q′--发电机Q轴暂态电势；
X d′--发电机D轴暂态电抗。

根据公式(5.2-1)和(5.2-2)计算得出P max大于P max′，说明大大提高了静态稳定极限。

对于可能引起的系统低频震荡，可采用先进的控制规律或配置PSS电力系统稳定器加以解决。

发电机出口三相短路是自并励静止励磁系统最不利的工况，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。

因此，自并励系统强励倍数高，电压响应速度快，再加上选择先进的控制规律，能够有效地提高系统暂态稳定水平。

9 大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统设计
大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统在设计、选型、调试、运行中需要注意以下问题，才能充分发挥其响应快、稳定性高等优点，真正提高机组、电网稳定运行水平。

9.1 自并励系统的应用条件
由于励磁输出受发电机端电压的制约，在某些系统严重故障导致系统电压波动较大的情况时不宜采用。

它的应用通常取决于机组在系统中的地位、系统网络结构、负荷分布等因素。

电力系统有关研究表明：位于主网震荡中心的发电机不宜采用该系统；位于负载中心或受端机组，因故障导致系统电压恢复慢，影响强励能力的发挥，导致功角振荡加大或系统电压过低导致电压崩溃，亦不宜采用，所以应考虑整个电网情况，大中型机组的励磁方式不能单一化，需多种方式并存。

设计规划部门应考虑电厂在系统中位置及网络结构、负载特性等因素，根据电网稳定计算的结果科学地设计、选择发电机励磁方式。

9.2 励磁调节器的选择
随着计算机技术的发展，励磁控制已向数字化方向发展。

数字式励磁调节器与老式的模拟调节器相比，在功能、可靠性等方面具有极大的优势。

现时投运的新机组及旧机组改造都已选用微机励磁调节器，并已取得很好的效果和丰富的经验。

而且随着励磁控制规律中单变量向多变量、线性向非线性发展，使得励磁调节器能够在改善机组、电网稳定性方面起到更大的作用。

国内厂家在励磁控制方面的技术已经达到世界先进水平，其中南瑞集团、清华大学、南自集团和武汉洪山公司的励磁控制产品是其中的佼佼者。