发电机励磁系统培训教材

发电机励磁系统培训教材
同步发电机是电力系统的主要设备，它是将旋转形式的机械功率转换成电磁功率的设备，为完成这一转换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流。

专门为同步发电机提供励磁电流的有关设备，即励磁电压的建立、调整和使其电压消失的有关设备统称为励磁系统。

同步发电机的励磁系统是由励磁调节器AVR 和励磁功率系统组成,励磁功率系统向同步发电机转子励磁绕组提供直流励磁电流,调节器根据发电机端电压变化控制励磁功率系统的输出，从而达到调节励磁电流的目的。

第一节自并励励磁方式
一、自并励磁方式
励磁电源取自发电机端，经静止的
整流变压器及静止的可控整流装置供
给发电机转子绕组励磁。

由于励磁系统
没有旋转部件，结构简单，因而可靠性
提高。

又由于缩短了轴系长度，减少了
轴承座，而提高了轴系稳定性。

这种励
磁方式的励磁响应快速，调压性能好。

近年来由于继电保护的完善和发展，动作速度加快(0.1s内
切除短路故障)，因此自并励励磁方式与继电保护的配合方面除发电机后备保护需改进外，已不影响继电保护的正确动作。

由于短路时间短，短路后发电机端电压恢复较快，因此自并励励磁系统已与同样强励倍数(Ku＝2)的交流励磁机励磁系统的暂态稳定水平相当。

更由于电力系统稳定器(PSS)的广泛应用，自并励励磁系统配置PSS以后，其静稳定、动稳定水平均高于交流励磁机励磁系统。

图4-1
二、自并励静态励磁系统的特点
自并励励磁系统为静态励磁，与交流励磁机励磁系统相比，它没有旋转部件，运行可靠性高。

随着大功率可控硅整流装置可靠性的提高，据国内外统计资料表明，自并励静态励磁系统造成发电机强迫停机率低于交流励磁机系统。

自并励静态励磁系统不需要同轴的励磁机，仅带端部滑环，这样可有效的缩短整个汽轮机组轴系的长度，这样可有效的提高轴系的稳定性，改善轴系振动水平，提高了机组安全运行水平，同时也降低了噪音水平。

因采用了可控硅整流器，无须考虑同轴的励磁机时间常数的影响，这样可获得很高的电压响应速度。

提高电力系统稳定水平方面在小干扰的情况下，自并励静态励磁系统配备了PSS后，小干扰稳定水平较交流励磁机系统有明显提高，在大干扰稳定方面，通过计算表明，自并励静态励磁系统的
暂态稳定水平与交流励磁机励磁系统相近或略有提高。

由于自并励静态励磁系统的输出电压会随着机端电压的变化而
变化，特别是当发电机机端或主变高压侧短路时，机端电压下降，引起励磁电压下降，进而影响端电压进一步下降，强励磁能力明显降低，短路电流迅速衰减而不能维持在使发电机后备保护动作的水平上，这就要求在发电机继电保护上采取措施，以保证保护动作的可靠性。

电力系统中，当采用这种快速励磁系统的发电机增多时，将会影响整个电力系统的阻尼特性，导致动态稳定水平下降，容易产生自发的低频振荡，因此在自励系统中投入PSS(电力系统稳定器)是十分必要的，但是考虑到我国电力系统中带有PSS的发电机组不少，但PSS的投入率很低，未能充分发挥其作用，这就要求我们有关各方进一步加强研究工作，加快推广。

第二节励磁调节系统的作用和基本要求
一、励磁调节系统的主要作用
在电力系统正常运行和事故运行中，同步发电机的励磁系统起着重要的作用，优良的励磁调节系统不仅可以保证发电机安全运行，提供合格的电能，而且还能改善电力系统稳定条件。

励磁系统的主要作用有：
1.调节电压以维持机端电压为给定值。

2.调节并列运行各发电机间的无功功率分配。

3.提高电力系统的稳定性（静态稳定，暂态稳定）。

4.改善电力系统的运行条件。

5.在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度。

6.根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

二、对励磁系统的基本要求
（－）对调节器的要求
调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应的控制信号。

信号经放大后控制励磁功率系统的输出，以得到所需的励磁电流。

对调节器的要求是：
1.系统正常运行时，调节器应有足够的调压范围，并能合理的分配机组间无功功率。

2.系统故障时，调节器能迅速强行励磁，以提高系统的暂态稳定和改善系统的运行条件。

3.调节器应无失灵区，保证机组在人工稳定区内运行，即δ＞90°。

4.调节精确。

5.具有较小的时间常数，即反应速度快。

6.结构简单、可靠、操作维护方便。

（二）对励磁功率系统的要求
１.励磁功率系统应有足够的调节容量，以适应各种运行工况的要求。

２.具有足够的强行励磁顶值电压倍数和励磁电压响应比（电压上升速度），从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性出发，希望励磁功率系统具有较大的强励能力和快速的响应能力。

因此，励磁顶值电压倍数和励磁电压上升速度是励磁系统的两项重要技术指标。

第三节电力系统稳定器（PSS）
电力系统稳定器（PSS）是一种自动控制装置，是为改善同步电机稳定性而设计的，与励磁控制配合使用。

PSS有许多不同的实现方式。

自并励励磁系统具有高的增益和快速响应时间，这大大地提高了暂态稳定。

但与此同时，却趋向于降低对小信号的稳定（阻尼力矩）。

PSS控制的目的是提供一个正阻尼系数，以阻尼发电机转子角度的摇摆。

PSS的实现
由于PSS的主要功能是对电力系统振荡增加阻尼，基本的控制理论可以指出，任何在电力系统振荡中可以测量到的信号，都可以作为很好的待选输入信号。

容易得到的信号是直接的转子转速测量值，频率和功率。

从系统设计的观点来看，在选择适当的输入信号时，有很多因素要考虑。

例如，直接的转子转速测量容易受到汽轮机发电机扭振作用的影
响。

在发电机励磁控制系统中，引入发电机机端电压，发电机的功率、转速和频率等信号或上述信号的组合，经过一定的相位处理后，再通过励磁调节器去控制发电机的励磁，可以增加机组的阻尼力矩，有效地平息系统的低频振荡，提高电力系统的稳定性。

电力系统稳定器（PSS-Power System Stabilizer）就是提供增加系统阻尼力矩的附加励磁控制部件。

电力系统稳定器是以发电机功率为信号的电力系统稳定器。

它由模拟电路组成。

输入发电机电压和电流，利用模拟乘法器测得发电机的电功率，经信号复归电路滤去稳态量，再由两级超前－滞后电路和增益控制电路进行相位和增益
调整，输出信号送入励磁调节器中，与发电机端电压、给定电压相加共同控制发电机的励磁。

相位补偿角的选择：PSS的相位补偿电路主要用来补偿励磁调节器和发电机回路中的相位滞后，所以，PSS的相位补偿与调节器的参数以及励磁系统的形式有关。

进行相位补偿应在AVR参数确定并证明其特性良好的情况下进行，对于以功率为信号的PSS，一般要求0.2至2Hz的频率范围内，PSS 的相移角φp加励磁系统的滞后角φe为－60°～－120°。

测得的补偿频率特性后，就可以根据PSS传递函数计算出PSS 的超前、滞后时间常数T，再用频谱仪检测PSS的相频特性，
必要时进行微调，以达到应有的相位补偿要求。

第四节 发电机的强励和灭磁
一、发电机的强励
1.电力系统发生短路故障时，会引起发电机机端电压急剧下降，此时如果能使发电机的励磁电流迅速上升到顶值，将有助于电网稳定，提高继电保护动作的灵敏度，缩短故障切除后系统电压回复的时间，并有利于用户电动机的自启动，因此，当发电机机端电压急剧下降时，将励磁电流迅速增加到顶值的措施，对电力系统稳定运行具有重要意义，通常将这种措施称之为强行励磁,简称强励。

2.一般的自动调节励磁装置都具有强励功能，从强励的作用可以看出，要使强励充分发挥作用，应满足强励顶值电压高且响应速度快的基本要求，因此，可用两个指标来衡量
强励能力，即强励倍数和励磁电压响应
比。

（1）强励倍数：强励时能达到的最
高励磁电压Umax 与额定电压Un 的比值，称为强励倍数（K1），图4-2具有PSS 的励磁控制
系统示意图
即 K1=Umax/Un 显然，K1愈大，强励效果愈好，但K1通常受到励磁系统结构和设备费用的限制，通常为1.2-2倍。

（2）励磁电压响应比：励磁电压响应比又称励磁电压响应倍率，是反映强励过程中励磁电压增长速度大小的一个参数，通常指强励开始0.1S内测得的励磁电压按平均速度上升的数值，与发电机额定电压的比值一般是2，快速励磁系统中为6-7。

二、发电机的灭磁
运行中发电机，如果出现内部故障或出口故障，继电保护装置，应快速动作，将发电机从系统中切除。

但发电机的感应电势仍然存在，继续供给短路点故障电流，这时将会使发电机设备的绝缘材料等受到严重的损坏，因此发电机内部故障或出口故障时，在跳开发电机出口断路器的同时，应迅速将发电机灭磁。

所谓灭磁，就是把转子绕组产生的磁场尽快减弱到最小程度。

考虑到励磁绕组是一个大的电感，突然断开励磁回路必将产生很高的过电压，会危及转子绕组绝缘，所以用断开励磁回路的方法灭磁是不恰当的，在断开励磁回路之前，应通过逆变灭磁或将转子绕组自动接到灭磁电阻灭磁，使磁场中储存的能量迅速消耗掉。

对灭磁的基本要求：
（1）灭磁时间要短；
（2）灭磁过程中转子过电压不应超过允许值，其值通常取额定励磁电压的4-5倍；
（3）灭磁后机组剩磁不应超过500V。

灭磁的方法较多，常用的灭磁方法有以下几种：
（1）利用放电电阻灭磁；
（2）利用灭弧栅灭磁；
（3）利用可控整流桥逆变灭磁。

第五节发电机低励和失磁的危害
一、汽轮发电机的进相（低励）运行
汽轮发电机的进相运行就是低励磁运行。

发电机在此工作状态下运行时，它的功率因数是超前的，即它从系统中吸收感性无功功率（规定发电机发出感性无功为正，吸收感性无功为负）并发出有功功率。

发电机通常是发出有功功率和感性无功功率，以供给电感性负荷。

随着电力系统的发展，电压等级的提高，输电线路的加长，线路的电容电流也愈来愈大，它也相当于发出电感性无功功率。

在系统轻负荷，即电感性负荷轻时，线路上的电压会上升，例如在节假日、午夜等低负荷的情况下，如果不能有效地减少或吸收剩余的无功电流（无功功率），枢纽变电所母线上的电压就可能超过额定电压15％～20％左右。

此时，若利用部分发电机进相运行，以吸收剩余的无功功率，使枢纽点上的电压保持在允许限额
以内，则可少装设其他吸收剩余无功的调压设施。

发电机通常在过励磁方式下运行，如果减小励磁电流，使发电机从过励磁运行转为欠励磁运行，即转为进相运行，发电机就由发出无功功率转为吸收无功功率。

励磁电流愈小，从系统吸收的无功功率愈大，功角δ也愈大。

所以，在进相运行时，允许吸收多少无功功率，发出多少有功功率，静稳定极限是限制条件之一。

此外，进相运行时，定子端部漏磁和转子端部漏磁的合成磁通增大，引起定子端部发热增加，因此，定子端部允许发热值也是进相运行时的允许出力限制条件之一。

二、汽轮发电机的失磁运行
汽轮发电机的失磁运行，是指发电机失去励磁后，仍带有一定的有功功率，以低滑差与系统继续并联运行，即进入失磁后的异步运行。

同步发电机突然部分的或全部的失去励磁称为失磁。

发电机失去励磁以后，由于转子励磁电流I F或发电机感应电动势E G逐渐减小，使发电机电磁功率或电磁转矩相应减小。

当发电机的电磁转矩减小到其最大值小于原动机转矩时，而汽轮机输入转矩还未来得及减小，因而在剩余加速转矩的作用下，发电机进入失步状态。

当发电机超出同步转速运行时，发电机的转子与定子三相电流产生的旋转磁场之间有了相对运动，于是在转子绕组、阻尼绕组、转子本体及槽模中，
将感应出频率等于滑差频率的交变电动势和电流，并由这些电流与定子磁场相互作用而产生制动的异步转矩。

随着转差由小增大，异步转矩也增大（在未达某一临界转差之前）。

当某一转差下产生的异步转矩与汽轮机输入转矩（其值因调速器在电机转速升高时会自动关小汽门而比原先数值小）重新平衡时，发电机就进入稳定的异步运行。

发电机失磁后，虽然能过渡到稳定的异步运行，能向系统输送一定的有功功率，并且在进入异步运行后若能及时排除励磁故障、恢复正常励磁，亦能很快自动进入同步运行，对系统的安全与稳定有好处，但发电机失磁后能否在短时间内无励磁运行，受到多种因素限制。

发电机失磁后，从送出无功功率转变为大量吸收系统无功功率，这样，在系统无功功率不足时，将造成系统电压显著下降。

试验资料表明，发电机失磁后吸收的无功功率，相当于失磁前它所发出的有功功率的数量。

由于失磁后发电机转变成吸收无功功率，发电机定子端部发热增大，可能引起局部过热。

发电机失磁异步运行时，转子本体上的感应电流引起的发热更为突出，往往是主要限制因素。

此外，由于转子的电磁不对称所产生的脉动转矩将引起机组和基础振动。

因此，某一台发电机能否失磁运行、异步运行时间的长短和送出功率的多少，只能根据发电机的型式、参数、转子回路连接方式（与失磁状态有关）以及系统情况等，进行具体分析，经过试验才能确定。

对于大容量发电机，由于其满负荷运行失磁后从系统吸收较大的无功功率，往往对系统的影响比较大，所以大型发电机不允许无励磁运行。

失磁后，通过失磁保护动作于跳闸，将发电机解列。

一般600MW汽轮发电机都装有失磁保护，当出现失磁时，一般经0.5～3s就动作于跳开发电机，也就是不允许其异步运行。

三、失磁后励磁电压和励磁电流的变化
发电机失磁后，励磁电流变为零，随后摆动。

励磁电压与励磁回路故障类型和接线方式有关，若电压表接在灭磁开关和励磁绕组之间时，有以下几种指示：
1.励磁回路短路时，电压表即刻下降为零；
2.若励磁绕组经硅整流闭路时，电压表即刻下降为零，随后忽正忽零摆动；
3.灭磁开关误跳，励磁绕组经灭磁电阻闭路时，电压即刻下降为负值，随后正、负摆动；
4.励磁绕组经备励电枢绕组闭路时，电压表慢慢下降为负值，随后正、负摆动。

四、低励和失磁的危害
发电机在失磁（或低励）过程中，由于各个电气量的变化，在一定条件下，将破坏电力系统的稳定运行，威胁发电机本身的安全运行。

（一）对电力系统的危害
1.低励或失磁的发电机，要从电力系统中吸收无功功率，引起电力系统电压下降。

如果系统中无功功率储备不足，将使系统中邻近的某些点电压低于允许值，还可能使系统因电压崩溃而瓦解。

2.当一台发电机发生低励或失磁后，由于系统电压下降，将引起系统中其它发电机，在自动励磁调节器的作用下，增加其无功输出，从而使某些发电机、变压器、线路过电流，其后备保护可能动作，扩大故障的波及范围。

3.当一台发电机低励或失磁后，由于该发电机有功功率的摆动，以及电力系统电压下降，可能导致相邻正常运行的发电机与系统之间或电力系统的各部分之间失步，使系统产生振荡。

4.发电机的额定容量愈大，在低励或失磁时，引起电力系统无功功率缺额愈大。

电力系统的容量愈小，补偿这一缺额的能力愈差。

因此，发电机的单机容量与电力系统总容量之比愈大，对电力系统的影响就愈不利。

（二）对发电机的危害
1.由于发电机低励或失磁故障出现转差，在发电机转子回路中出现差频电流。

此电流在转子励磁绕组中产生的损耗，如果超出允许值，将使转子过热。

流过转子表层的差频电流，还可能在转子本体、槽楔、护环的接触面上，发生严重的局部过热甚至灼伤。