南瑞同步发电机励磁系统培训教材

第一章发电机励磁系统的发展及现状

§1-1 励磁主回路的发展动态

在上世纪60年代以前，同步发电机基本上都是采用同轴直流励磁机的励磁方式，由于当时发电机单机容量不大，输电线路不长，因此基本上能满足当时的要求，但直流励磁机维护困难，炭刷易产生火花，换向器易于磨损，随着发电机单机容量的增大，励磁容量也相应增大，当汽轮发电机单机容量达10万千瓦，励磁机容量已近500千瓦，而同轴的转速为每分钟3000转的直流电机，受限于换向的极限容量仅为500千瓦。当时大容量发电机或是用齿轮减速后驱动直流励磁机，或是用带大飞轮的独立驱动的电动发电机供励磁。

后来，随着硅整流元件出现，直流励磁机逐步被同轴交流励磁机和整流器代替，交流励磁机的容量基本上不受限制。在1960年代,当时的第一机械工业部委托电器科学研究院，组织了汽轮发电机三机交流整流励磁系统的全国统一设计。这种方式在大型汽轮发电机上一直延用至今。为减小时间常数，交流励磁机通常采用频率100-250周，中频付励磁机用350-500周，早期中频付励磁机采用感应子式，转子上无绕组，近年来已逐步被永磁发电机所代替。

1960年代初，可控硅元件刚出现，电流、电压定额较低，所以他励式可控硅静止励磁用得较少。可控硅主要用在三机交流整流励磁系统主励磁机的励磁控制上。应该指出1960年代末期天津电气传动设计研究所，在发展我国各种主回路励磁方式上，起了很大作用，例如在1969年率先研制，并在天津第一发电厂4＃机25MW汽轮发电机上，投运了直流侧电流相加的自复励可控硅励磁系统，并励部分用的是三相半控整流桥。串联部分用的是三相二极管整流桥。1971年投运了由天传所设计，上海华通开关厂、上海整流器厂、上海电机厂参与生产的富春江2＃机60MW发电机的自复励可控硅励磁系统，容量为当时国内最大。并励的功率部分用的是三相半控整流桥，限于当时国内生产元件的水平，富春江水电厂的可控桥臂是由（700V,200A）可控硅元件4串6并组成。此外天传所还为长办试验电站陆水电站8800KW发电机设计了他励可控硅励磁系统，可控硅整流桥用三相全控桥，整流桥每臂SCR 2串5并，于72年投运。后来这种方案天传所还用在南桠河、渔子溪水电厂二台4万KW发电机上。与此同时，在参照河北省岗南水电站从日本进口的10MW抽水蓄能发电机励磁的基础上，还设计出了可控相复励的励磁系统，在湖北省一台10MW调相机上运行。整流器是不可控的，是靠改变相复励变压器电压绕组上的电压来调节，后者由饱和电抗器L控制，本方案可靠性高，缺点是相复励变压器，饱和电抗器体积大。动态响应差。

图1-1 可控相复励

1970年代中期，天传所还为河南安阳发电厂一台10万KW汽轮发电机研制了无刷励磁装置，同时还参加了从英国Brush公司引进的一台23MW燃汽轮发电机的无刷励磁系统的仿制。同一时期，为给葛洲坝电站励磁方案进行中间试验，天传所（东方电机厂参加）在湖南省花木桥电站进了交流侧电压相加的自复励磁系统的研制。

在中小型发电机上，天传所还推出了双绕组电抗分流励磁调节系统，国内还开发过谐波励磁系统，最大的一台是用在河北邯郸马头电厂＃25MW汽轮发电机上。

图1-2 谐波励磁系统

大型发电机定子电压高，谐波绕组和主绕组绝缘困难，制造工艺复杂。谐波励磁只适用中小电机。现在美国GE公司生产的P棒励磁系统也是在发电机定子槽内安放附加绕组(不是谐波绕组)，作为励磁供电电源。

1970年代中期，南京热电厂进口了一台125MW意大利制造的汽轮发电机，采用他励可控硅励磁，励磁机本身用不可控相复励，意专家来调试，曾遇困难，不稳定，最后由我国的技术人员调试成功，在此期间，富春江水电厂从法国进口了5＃、6＃机，励磁为自复励励磁系统，其自励部分和复励部分的直流侧电压串联相加，这种方式比较特殊。应指出，1960年代在大容量发电机励磁研究方面我国受到苏联影响，在新安江九号机10万KW水冷发电机上，也是采用了交流侧相加的自复励系统。这时串联变压器原边的电流要在付边转换为电压，变压器铁心中要嵌入空气隙，导致串联变压器体积庞大，鉴于当时可控硅容量无法满足要求，整流器采用了汞弧整流器，后者有玻壳的和铁壳的。（当时苏联斯大林格勒到古比雪夫的长距离输电也是用汞弧整流器）。国内电车供电电源当时也是用汞弧整流器（缺点是对环境有污染）整流得到的。此方案由哈尔滨电机厂和东北的中试所和设计院等研制成。

图1-3 直流侧电压串联相加的自复励(法国方案)

发电机自并励方案，在国内电力部门受旧观念束缚，长期认为自并励不可靠，无强励能力，故障时无足够短路电流，不能保障继电保护正确动作，在这方面清华大学等曾进行了卓有成效的研究，并且指出自并励的优点，动态响应快，适当提高强励倍数等，它的缺点是可克服的。国内例如河北工学院电工厂，在福建省池潭水电厂50MW机组上成功地进行了自并励试验，从国外进口的天津大港发电厂320MW意大利火电机组，从日本进口的唐山陡河火电厂发电机用自并激。由于自并激励磁的一系列优点，已逐步为国人所接受。因此后来国内许多水电厂如白山、龙羊峡、岩滩、隔河岩等单机300MW以上电站也普遍采用自并激，三峡励磁也不用葛洲坝的自复励方案。由于国外许多厂家将自并励作为汽轮发电机主要励磁方案，我国电力部门也逐步将自并励采用到汽轮发电机上去，如1991年辽宁清河发电厂一台210MW汽轮发电机励磁系统改造，就采用了自并励。当然一般火电厂均建于城市市区或近郊，靠近负荷中心，没有输电稳定问题，使用三机交流整流励磁系统是没什么问题，但机组往往存在振动、厂房长投资大的问题。通常建设在煤矿的坑口发电厂，往往要远距离输电，这时是应该选用快速响应的自并励系统。除了自并励外，无刷励磁系统因不用电刷，无火花，可用于防爆环境。没有炭刷粉未污染发电机端部绝缘，有利于延长使用寿命，没有电刷也有可能做到免维护，适用于无人电站。

§1-2 励磁调节器发展动态

最初的同步发电机大都用同轴直流励磁机励磁，后者有用自并励的，用于中小容量发电机，大容量发电机大多带直流付励磁机，早期的励磁调节器（常称为自动电压调节器AVR）实际上只有2个功能，即通过自动调节励磁机磁场电阻来达到发电机电压恒定，和调差（使发电机并联运行下合理分配无功）。对较大型的发电机还备有继电强励和继电强减功能。亦即当机端电压下降较大时，利用低电压继电器短路磁场绕组内串接的某个电阻，从而达到强励的目的，反之当机端电压突然上升时，用电压继电器把一定电阻串入励磁机磁场中达到强行减磁的作用。

国内在1950年代进口西方国家的AVR主要有3类：A）炭阻式；B)银针式；C)磁盘式；(亦称摆励接触式）。这些都属于机电式直接动作的调压器，它们的电压敏感元件直接通过机械机构操作励磁机的磁场电阻。

1、银针式调压器：

西屋公司银针式调压器的原理线路图示于图1-4。它的电磁铁线圈由发电机电压经PT 及整流器供电，当发电机电压变化时，衔铁运动，推动杠杆，使电阻的银钮接通或开断，从而改变励磁机磁场回路的电阻，并通过由电流互感器CT供电的补偿电阻，来自动分配并