发电机励磁系统15839

同步发电机励磁系统 2020 4 17 2 同步发电机的励磁系统 励磁电流 由直流电源供给的直流电流 通入同步发电机的转子绕组建立磁场 励磁系统 与发电机转子回路电压的建立 调整及其控制的有关元件和设备 包括发电机励磁绕组 励磁电源 自动调压器和手动控制等部分 此外 还有强行励磁 强行减磁 励磁保护 灭磁等部件 2020 4 17 3 同步发电机的励磁系统 2020 4 17 4 2020 4 17 5 励磁系统的主要作用 在正常情况下 供给发电机励磁电流 并根据发电机电压 负荷及功率因数的变化调整发电机的励磁电流 以维持发电机端电压为规定的水平 合理分配并列运行发电机间的无功负荷 发电机电压急剧降低时 迅速加大励磁电流 以改善系统的运行条件 提高系统的稳定性和可靠性 2020 4 17 6 励磁系统分类 直流励磁机励磁系统 励磁机直接与发电机的轴相连接 采用有换向器和电刷的直流发电机作为主励磁机 备用励磁机则由电动机拖动 2020 4 17 7 同轴直流励磁机自励接线 2020 4 17 8 同轴直流励磁机他励接线 2020 4 17 9 半导体励磁系统 利用交流电源经降压整流后供给发电机励磁称为半导体励磁系统 2020 4 17 10 同轴他励静止半导体励磁接线 2020 4 17 11 自励静止半导体励磁接线 2020 4 17 12 有副励磁机的无刷励磁系统接线 2020 4 17 13 无副励磁机的无刷励磁接线 2020 4 17 14 自并励励磁系统原理接线 2020 4 17 15 自并励励磁系统原理接线 2020 4 17 16 自并励励磁系统的优点 运行可靠性高 自并励励磁系统为静态励磁 设备及接线简单 与交流励磁机励磁系统相比 没有旋转部件 减少了励磁系统故障 提高了运行可靠性 改善发电机轴系稳定性 自并励励磁系统可缩短发电机组的轴系长度 减少轴承座数量 提高了轴系的稳定性 改善了轴系振动 从而提高了机组的安全运行水平 2020 4 17 17 自并励励磁系统的优点 提高电力系统稳定水平 自并励励磁系统响应速度快 可提高电力系统稳定水平 经济性好 可降低投资 自并励励磁系统设备简单 降低了造价 缩短了轴系长度 减少了厂房和基础造价 调整容易 维护简单 故障后修复时间较短 可提高发电效益 2020 4 17 18 同步发电机的自动调节激磁系统 运行中同步发电机的激磁电流 转子电流 无论在正常或是事故情况下 都要进行调节 一般说来 手动调节已不能满足运行要求 现代大 中型发电机上都装有自动调节激磁装置 AER或AVR 发电机的激磁电流按预定要求作自动调整 2020 4 17 19 1 同步发电机自动调节激磁的作用 在正常情况下 维持发电机端或系统中某一点电压在给定水平 稳定地分配发电机之间的无功功率 在正常运行及系统事故情况下 提高电力系统的稳定性 改善电力系统的运行条件 2020 4 17 20 2020 4 17 21 2020 4 17 22 可见 在励磁电流一定 E0一定的条件下 负荷无功电流的变化是造成发电机电压变化的主要原因 感性无功负荷使发电机的外特性呈下降趋势 2020 4 17 23 发电机有功功率保持不变 2020 4 17 24 实际运行中 系统并不是无穷大 母线电压将随负荷的波动而变化 发电机输出的无功电流与母线电压水平有关 改变其中一台并联发电机的励磁电流不仅影响自身的电压和无功 还将影响与之并联的运行机组的无功输出 2020 4 17 25 提高电力系统的稳定性 2020 4 17 26 改善电力系统的运行条件 改善感应电动机的自启动条件为发电机的异步运行创造条件提高继电保护动作的灵敏度 2020 4 17 27 2 对自动调节激磁装置的主要要求 在正常运行时 自动调节激磁装置应能维持发电机的电压在给定水平 并稳定地分配发电机之间的无功功率 因此应有足够的调节容量 从提高电力系统运行的稳定性观点出发 要求自动装置没有失灵区 动作快速 当发电机电压事故性降低时 应尽快地加大发电机的激磁电流 进行强行激磁 所以也应具有足够的功率输出 2020 4 17 28 自动调节激磁装置本身应简单可靠 取用的功率应尽可能小些 调节过程稳定 品质良好 2020 4 17 29 3 自动调节激磁系统的构成 自动调节指的是发电机的激磁电流根据端电压的变化按预定要求进行调节 以维持端电压为给定值 如要求端电压为恒定值 则当机端电压升高时应减小激磁 机端电压降低时应增加激磁 以维持机端电压为给定值 自动调节激磁系统可以看成是一个以电压为被调量的负反馈控制系统 2020 4 17 30 一 励磁调节器的基本概念 励磁调节器的主要功能是维持发电机端电压和实现并联运行机组间无功功率的合理分配 2020 4 17 31 没有励磁调节装置 励磁系统通过人工 测量仪表和发电机构成了一个闭合的反馈系统 这种直接根据电压偏差大小的调节方式称为比例式调节方式 是励磁调节最常用的方式 2020 4 17 32 比例式自动励磁调节器AVR可以仿照人工调节自动完成励磁调节任务 2020 4 17 33 二 半导体自动励磁调节装置的工作原理 2020 4 17 34 基本构成 自动励磁调节器由调差 测量比较 综合放大 同步与移相触发及可控整流环节组成 这些主要环节起到实现电压调节和无功功率分配等最基本的功能 辅助控制是为满足发电机不同工况 改善电力系统稳定性和改善励磁系统动态特性而设置的单元 自动励磁调节装置退出后 由自动切换装置将手控单元投入 2020 4 17 35 1 测量比较环节 测量比较环节的作用是测量发电机电压并将之转变成直流电压 与给定的基准电压相比较 得出电压偏差信号 2020 4 17 36 2 综合放大环节 综合放大环节的作用是将电压偏差信号及其它辅助信号进行线性综合放大 2020 4 17 37 2 综合放大环节 综合放大环节的输入信号中 除基本控制部分即电压偏差信号Ude外 为适应发电机各种工况的工作 还需要多种辅助控制信号 如最大 最小励磁控制信号 为改善励磁控制系统动态特性的微分反馈信号 即励磁磁通稳定信号 及提高电力系统稳定的信号 电力系统稳定器 等 2020 4 17 38 各输入控制信号类型 被调控制量 基本控制量 反馈控制量 改善控制系统动态性能的辅助控制量 限制控制量 发电机运行工况要求的特殊限制量 2020 4 17 39 前两种是在正常情况下按预定规律调节对励磁系统实施控制 而后一种限制控制量在正常工况下不参与作用 在异常情况需要时 危及发电机或系统运行 才进行限制控制 2020 4 17 40 3 移相触发环节 移相触发环节的作用是将控制信号USM转换成触发脉冲 用以触发功率整流单元的晶闸管 达到调节励磁的目的 2020 4 17 41 移相触发环节的构成原理框图 由同步变压器 同步移相器 脉冲发生器和脉冲给定基准器组成 2020 4 17 42 同步信号取自晶闸管整流装置的主回路 以保证在晶闸管每次承受正向阳极电压时 向其控制极发出脉冲 使晶闸管可靠导通 触发脉冲与主回路之间的这种相位配合关系称为同步 同步变压器和同步移相器 主要用来作为同步信号发生器 以提供具有合适幅值和合适相位的交流同步信号 2020 4 17 43 三 励磁调节器的静态工作特性 励磁调节器的简化框图 2020 4 17 44 静态工作特性的合成 将励磁调节器各环节的的特性进行合成 就可以得到励磁调节器的工作特性 2020 4 17 45 四 励磁调节器的辅助控制 最小励磁限制瞬时电流限制最大励磁限制V Hz 伏 赫 限制器发电机失磁监控 2020 4 17 46 辅助控制不参与正常情况下的自动控制 仅在发生非正常运行工况 需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时 通过信号综合放大器中的竞比电路 闭锁正常的电压控制 使相应的限制器起控制作用 2020 4 17 47 励磁调节器中的辅助控制对提高励磁系统的响应速度 提高电力系统稳定及保护发电机 变压器 励磁机等的安全运行有极为重要的作用 2020 4 17 48 一 最小励磁限制 欠励磁限制 同步发电机进相运行 欠励磁运行 功率因数由滞后变为超前 发电机从系统吸收无功功率的运行方式 吸收的无功功率随励磁电流的减小而增加 发电机进相运行受静态稳定极限和发电机定子端部发热限制 2020 4 17 49 发电机由滞相转进相运行时 转子电流减少 吸收无功增加 使定子端部合成漏磁通越来越大 造成端部发热 现代大型汽轮发电机定子铁心采用氢冷 并在端部采取了防止局部发热的措施 进相运行时定子端部铁心及金属件温升一般不再是限制低励磁运行的主要因素 发电机出口电压调整 正常运行中应投入自动调节励磁 并检查出口电压在20 1kV范围内 当发电机出口电压高于或低于上述范围时 可调整发电机无功功率 当降低无功时 注意不致于进相 增加无功时 不至于引起励磁系统过负荷 2020 4 17 50 若系统或发电机故障引起电压降低时 发电机的励磁由自动调节装置强行励磁作用增加到额定电压的两倍 强励动作时 定子电流 转子电流突增 20秒种内不得干涉强励动作 不得调整切换 2020 4 17 51 发电机功率调整 正常运行时 应使发电机功率维持在允许范围内 发电机必须进相运行时 应不超过由试验确定的最大进相深度 特殊情况下 发电机的负荷可根据系统周波 电压的变化及时进行调整 发电机负荷受发电机各部温度限制 当各部温度超过允许值且调整无效时 应申请降低出力 2020 4 17 52 发电机进相运行原则及注意事项 1 发电机进相原则 发电机不失去同步 发电机定子端部铁芯温度和齿压板温度不得超过制造厂的规定值 2 发电机进相注意事项 进相运行的机组 要注意发电机端部铁芯温度 120 进相运行时 发电机出口电压应保持在额定值95 19kV 以上 自动励磁调节装置必须投入 2020 4 17 53 2020 4 17 54 2020 4 17 55 为确保发电机安全运行 在励磁调节器中必须设置最小励磁限制器 2020 4 17 56 二 瞬时电流限制 由于电力系统稳定的要求 大容量机组的励磁系统必须具有高起始响应的性能 交流励磁机 旋转整流器励磁系统在通常情况下很难满足这一要求 惟有采用高励磁顶值电压的方法才能提高励磁机输出电压的增长速度 2020 4 17 57 二 瞬时电流限制 加在励磁机励磁绕组上的励磁顶值电压越高 励磁机输出电压的起始值增长速度越快 这样励磁系统的响应速度得到了改善 高顶值励磁电压危及励磁机及发电机的安全 当励磁机电压达到发电机允许的励磁顶值电压倍数时 应立即对励磁机的励磁电流加以限制 以防止危及发电机的安全运行 2020 4 17 58 二 瞬时电流限制 励磁调节器内设置的瞬时电流限制器检测励磁机的励磁电流 一旦该值超过发电机允许的强励顶值 限制器输出立即由正变负 瞬时电流限制器与信号综合放大器构成调节器 使励磁机强励顶值电流自动限制在发电机允许的范围内 2020 4 17 59 三 最大励磁限制 最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施 按规程要求 当发电机端电压下降至80 85 额定电压时 发电机励磁应迅速强励到顶值电流 一般为1 6 2倍额定励磁电流 由于受发电机转子绕组发热的限制 强励时间不允许超过规定值 2020 4 17 60 转子绕组不同励磁电压时的允许时间 2020 4 17 61 为使机组安全运行 对过励磁应按允许发热时间运行 若超过允许时间 励磁电流仍不能自动降下来 则应由最大励磁限制器执行限制功能 它具有反时限特性 2020 4 17 62 四 V Hz 伏 赫 限制器 V Hz 伏 赫 限制器 用于防止发电机的端电压与频率的比值过高 避免发电机及与其相连的主变压器铁心饱和而引起的过热 发电机解列运行时 其端电压可能升得较高 频率也有可能较低 例如机组启动期间 频率较低 甩负荷时 电压较高 2020 4 17 63 2020 4 17 64 如果机端电压与其频率的比值过高 发电机及与之相连接的变压器等的磁密会过大 同步发电机与其相连的主变压器的铁心就会饱和 使发电机的同步电抗 变压器的励磁电抗变小 则发电机的无功电流及变压器的励磁电流加大 造成铁心过热 2020 4 17 65 五 发电机失磁监控 发电机 失磁 发电机在运行中全部或部分失去励磁电流 使转子磁场减弱或消失 造成发电机失磁的原因可能是由于励磁开关误跳闸 励磁机或晶闸管励磁系统组件损坏或发生故障 自动灭磁开关误跳闸 转子回路某处断线及误操作等 2020 4 17 66 发电机正常运行时 定子磁场和转子磁场同步运转 失磁后 励磁电流逐渐衰减到零 原动机的驱动转矩使发电机加速 导致功角加大 发电机失步 进入异步发电运行状态 2020 4 17 67 发电机在异步运行状态下 在向系统送出有功的同时 还从系统吸收无功功率 对系统和发电机本身产生如下不良影响 2020 4 17 68 在转子和励磁回路中产生差频电流 使转子铁心 转子绕组及其它励磁回路产生附加损耗 引起过热 转差越大 过热越严重 如果系统无功储备不足 将引起系统电压下降 甚至造成因电压崩溃而使系统瓦解 其它发电机力图补偿以上无功差额 容易造成过电流 如果失磁是一台大容量发电机 则承担补偿无功的发电机过电流就更严重 2020 4 17 69 汽轮发电机组异步功率比较大 调速器也较灵敏 因此 当发电机超速时 调速器会立即关小汽门 使汽轮机的输出功率和发电机的异步功率很快达到平衡 可在较小的转差下稳定运行 2020 4 17 70 实际运行中 汽轮发电机失磁后 适当降低其有功输出 在很小的转差下 可以异步运行一段时间 例如10 30min 使运行 调度人员有一段时间来排除失磁故障 采取措施恢复励磁 尽量减少对电力系统运行和用户供电的影响 是否允许其异步运行 还应根据电力系统具体情况而定 发电机失磁现象 发电机励磁电流指示近于零或等于零 发电机无功指示为负值 发电机有功指示下降 发电机定子电压下降 定子电流上升 超过额定值且周期性波动 如发变组失磁保护动作 则 发变组失磁 光字牌亮 2020 4 17 71 发电机失磁处理 如失磁保护动作跳闸 按 发电机跳闸 处理 失磁起的60秒内应将发电机负荷降到60 的额定负荷 180MW 在从失磁起的90秒内应降到40 的额定负荷 120MW 发电机总的失磁异步运行的允许时间不得超过15分钟 且负荷不得超过40 的额定负荷 120MW 若达到规定时间失磁保护不动作跳闸 应立即手动解列发电机 2020 4 17 72 2020 4 17 73 大型机组失磁的后果是很严重的 机组本身的热容量相对较小 无励磁运行的能力也较低 系统很难提供所需的无功功率 因此大型机组通常不允许失磁运行 对大型机组大多配置有失磁保护 现代发电机励磁系统中 设置了失磁监视功能 2020 4 17 74 继电强行励磁装置与同步发电机的灭磁 为了改善系统的动态稳定 为了加速故障切除后电压的恢复 以利于感应电动机的自启动 为了在系统中某台发电机失励或采用自同期并列导致系统电压下降时 加速电网电压的恢复以及提高带时限保护的灵敏度 都要求发电机在电压大幅度下降时增大励磁电流 发电机电压出现大幅度下降时增大转子励磁电流到最大允许值 称为对发电机进行强励 2020 4 17 75 当同步发电机内部发生故障时 虽然继电保护能快速的把发电机与系统断开 但故障点仍存在 发电机还在旋转时 励磁电流产生的感应电动势仍继续维持故障电流 这将可能导致导线熔化和绝缘损坏 如果对地故障电流足够大时 还会烧毁铁心 因此 当发电机内部发生故障 在继电保护动作使发电机断路器跳闸的同时 应快速灭磁 2020 4 17 76 一 继电强行励磁装置 一般发电机配置的自动励磁调节器都具有强励功能 考虑到有的自动调节励磁装置有时强励能力不足 或者励磁调节器的动作失灵丧失了强励能力 同步发电机除装设自动调节励磁装置外 还专门装设一套继电强行励磁装置 2020 4 17 77 二 同步发电机的灭磁 发电机灭磁 就是把转子励磁绕组中的磁场储能通过某种方式尽快地减弱到可能小的程度 最简单的方式就是将励磁回路断开 但因励磁绕组电感很大 突然断开将会在绕组两端造成危险的过电压 因此 实用方法是在断开励磁绕组与励磁电源回路的同时 将一个电阻接入励磁绕组 让磁场储能迅速耗尽 整个过程由自动灭磁装置来实现 灭磁当保护继电器检出发电机内部故障时 为保护发电机 必须安全迅速地将储存在磁场中的能量泄放 灭磁功能由灭磁开关 跨接器Crowbar和灭磁电阻实现 灭磁开关设计用于在任何故障情况下安全切断励磁电流 灭磁开关开断后 还在励磁变压器和磁场绕组之间形成明确的电气隔离 自动灭磁装置装在励磁回路直流侧 灭磁开关的额定参数按励磁系统强励工况 机端电压为80 额定电压时 强励倍数2倍额定励磁电压 选择 1 灭磁作用 当发电机内部 引出线 厂高变等发生故障时 虽然保护装置动作迅速切除故障 但励磁电流产生的感应电动势会继续维持故障电流 为了迅速排除故障 减小其损坏程度 必须安全迅速地将储存在磁场中的能量泄放 实验表明 只要剩磁电压小于500V 电弧变不能维持 一般剩磁电压不大于100 300V 即把励磁绕组的电流建立的磁场迅速降低到最小 2 灭磁要求 a 灭磁时间尽可能的短 发电机端电压由额定值Un降至5 Un所需的时间称灭磁时间 b 励磁绕组两端的过电压不超过允许值 通过跨接器来实现过压保护的要求 3 灭磁方式 按励磁系统的不同 主要有两种自然灭磁 一般是对采用旋转二极管整流方式的励磁系统用如无刷励磁系统 通过整流二极管的续流作用实现自然灭磁 时间较长10S左右 和逆变灭磁 对采用可控硅整流方式的励磁系统用如自并励励磁 4 灭磁回路 由灭磁开关 跨接器Crowbar和灭磁电阻组成 灭磁电阻用于实现发电机的快速灭磁 a 非线性电阻 02 共五个 并联固定接在发电机励磁绕组回路中 不受直流回路中的灭磁开关控制 励磁电流的衰减过程取决于灭磁电阻的特性 非线形电阻的灭磁特性比线性的好 励磁电流的衰减比较快 b 当灭磁开关断开时 通过触发跨接器的可控硅将励磁电流瞬时导入灭磁回路 灭磁过程开始 灭磁开关触头可以无负荷断开 c 发电机正常运行时 跨接器的可控硅不导通 非线性电阻上不通过电流 灭磁开关跳开后 跨接器的可控硅接受触发脉冲导通 将励磁电流瞬时导入灭磁回路 直至磁场能量释放完 d 跨接器作为励磁绕组和可控硅整流器过电压保护 逆变灭磁是将能量释放在励磁变低压绕组上 逆变灭磁在灭磁开关分闸时间内完成的