励磁系统的基本概念讲解

1、励磁系统的基本概念1 励磁的含义发电机能发电即机械能转变为电能，必须有三个条件：a 有磁场（转子）b 有导线（定子）c 有使导线切割磁力线的动力（水、汽轮机）。因此，所谓励磁就是用直流电源供给发电机转子使定子产生电势的磁场。Eq=BVI（ 1）Eq发电机内电势B 转子产生的磁通密度V 发电机导线切割磁力线的速度I 发电机定子导线的长度从式（1 ）中可见，当 V、I不变时，Eq是随E的改变（亦即随转子电流的大小）而改变。故而研究励磁 就是要控制转子电流使发电机满足电力系统各种工况的要求。2 励磁的作用a 提高电力系统稳定运行的能力电力系统无论受到任何扰动，通过调节同步电机的励磁，使系统稳定运行的

2、能力有所提高。当电力系统受到小干扰或大干扰，导致同步电机转速出现小的或者大的变速状态，使静稳定性或动稳定 性亦或暂态稳定性将受到不利的影响。这时，励磁控制将使这种影响得到抑制或消除，保持同步电机的同步 稳定。b 维持电力系统的电压水平发电机的内电势 Eq与发电机端电压 U、发电机的负载电流I及发电机电抗x的关系可由如下公式表示 Eq=U+jlx（ 2 ）注：Eq、U、I为向量当电网的负载增大时，亦即发电机电流I增大。从公式（2）中可看出，如 Eq不变，则发电机端电压 U下降。如装有励磁调节器，则励磁电流（即转子电流）可随负载的增加而增加，亦即Eq增加而使发电机端电压U维持在一定的水平上。相反，

3、在发电机甩负荷后，自动励磁调节器可以及时减少励磁电流以限制机端电 压不致过份升高。自动调节发电机的励磁，可以维持供电系统的无功功率或功率因数保持恒定。电压恒定是 供电质量的一个重要标志。c 提高发电机功率极限和电力系统传输功率的能力d 改善电力系统及同步发电机的运行状态：?提高继电保护装置的可靠性；当系统发生短路故障时，通过调节励磁（强励），使短路电流衰减得很慢，甚至不衰减。这就保证了短 路电流使继电保护装置在整定值及时间内准确可靠地动作。?平衡并网运行时各台发电机之间无功功率，使之合理分担系统所需无功；?当系统短路故障消除，自动调节励磁使其加快系统电压恢复；?通过控制励磁，除保持同步发电机的

4、恒压运行外，还可以使系统作恒无功或恒功率因数运行，以提高 电力系统运行的经济性。e 对同步电动机的励磁调节器还应满足以下要求：?能适应同步电动机在“起动”、“投励”及“牵入同步”过程的不同阶段内，按需对励磁自动调节；?当同步电动机或调相机对系统作无功补偿运行时，调节励磁应使电机对系统具有较好的无功补偿效果 和一定的进相能力；?根据机械负载性质不同、负载的轻重不同，励磁调节器应具有灵活的运行方式，确保供电系统的节能 效果。3 稳定性的定义3.1 静态稳定性：此定义系指电力系统的负载（或电压）受到微小扰动时，系统本身保持稳定传输的能力。这主要涉及到 发电机转子功角过大而使发电机同步能力减少的情况。

5、3.2 动态稳定性：主要指系统遭受大扰动之后，同步发电机保持和恢复到稳定运行状态的能力。失去动态稳定的主要表现 形式为发电机之间的功角及其它量产生随时间而增长的振荡，或者由于系统非线性的影响而保持等幅振荡。 这一振荡也可能是自发性的，其过程较长。如果在大扰动事故后，采用快速和高增益的励磁调节系统所引起 的振荡频率在0.23Hz之间的自发振荡，属于动态稳定范畴。3.3 暂态稳定性：当系统受到大扰动时，例如各种短路、接地、断线故障及切断故障线路后系统保持稳定的能力，发生暂 态不稳定的过程时间较短，主要发生在事故后发电机转子第一摇摆周期内。以上三种分类法在 60年代，英、美、西欧和日本等国划分的。目

6、前在应用过程中出现一些概念上的混乱，因此现在我国对稳定性的定义已趋向按大扰动和小干扰的定 义来划分。第一类属于小干扰的稳定性，是指在无限小的干扰下，系统中发电机保持同步的能力，对此可以用线性 化微分方程来进行分析。当发生小干扰不稳定时，失步的过程可以是单调增长的，如爬行失步或者振荡失步（有励磁调节情况）。第二类属于大扰动稳定性，这里指的是在诸如系统短路、接地、断相等事故作用下所发生的与同步发电 机之间的同步能力的稳定性问题。大扰动稳定性的暂态过程较短，多发生在转子第一摇摆周期内。研究范围包括大扰动后的暂态及其后续 行为，这一定义包括了暂态和动态稳定性问题，研究方法涉及到系统的非线性特征。3.4

7、 稳定水平的判据在小干扰作用下稳定水平的主要指标是发电机的电磁功率极限Pmax与转子运行角度的极限 S max，如果发电机的电磁功率超过某一个Pmax，则微动态（即静态）稳定将被破坏。在大干扰作用下暂态稳定水平有两种判别准则，第一种是用暂态稳定的功率极限来表示。暂态稳定极限 功率Pmax的定义为：在正常运行下输出有功为Pe=Pel，在该情况下，若在系统K点发生某种类型的短路故障，系统仍能保持稳定，但在Pe=Pel+ Pe （ Pe是比Pel小得多的微小增量）的正常运行条件下，在系统 K点发生同一类型的短路故障时，系统将失去稳定，则称Pel为该系统在 K点发生该种类型故障下的暂态稳定极限功率。在

8、正常运行下，Pel对应的转子功角称为暂态稳定极限角S max。另一种表示方法是在一定输出功率条件下，在同一故障点及同一故障形式下比较短路最大故障允许切除 时间（一般为零点几秒）。时间越长，标志系统的暂态稳定水平越高。4 励磁调节对电力系统稳定的影响4.1 励磁调节对静态（微动态）稳定的影响EqO功角特性：在正常情况下，发电机的机械输入功率与电磁输出功率是保持平衡的。其特性可用功一角特性表示P 启SixXiEqo 发电机内电势Us 受端电网电压Xw 发电机与电网间的总电抗即（Xd+XT）S内电势与Us间的夹角（即功率角）0兀/2从功角特性图可见在 Eq为常数（即无励磁调节）系统最大传输功率在S

9、= n /2处，但系统不能运行在这一点，因为它是不稳定点。通常发电机的工作总是在某一小于90。的运行点运行。如果有励磁调节，当负载增大时，发电机内电势会增大，曲线1变成曲线2，则发电机在同样的 3角下可以输出更多的功率。提高了系统输出功率，同时使发电机的静态稳定得到改善。.1在大扰动下：如图TT14.2 励磁调节对暂态稳定的影响曲线1表示双回路供电时的功率特性，其幅值等于EqUsXI其中 X S =Xd+X t+X e/2Xe/2增加到Xe,使Pm降至为曲线2表示切除短路故障线路后的功角特性曲线。由于线路阻抗P 巴PM -XI其中 X s= Xd+Xi+Xe曲线3表示故障中运行的功角特性曲线。

10、如果发电机初始工作点在曲线1的a，短路后运行在曲线3。在故障瞬间，由于惯性作用，转速n不变，功角3仍为3 0，故工作点移至 b。其后，由于输出电磁功率 P减少，导致转速 n上升及功角3变大。当 3达到3i时故障切除，发电机运行在功角特性曲线2,工作点由c移到e点，由于惯性的影响，转子沿功角特性曲线2继续加速到f点，对应的功角为3 2。经过反复振荡，最后稳定在g点运行。暂态稳定性决定于加速面积abed是否小于或等于减速面积 dfed。当故障切除较慢时，3 1将增大，则加速面积 abed亦将增大。如果减速面积小于加速面积，则转子速度将进一步加大，失去暂态稳定性。提高暂态稳定性有两种方法，减小加速面

11、积或增大减速面积。减小加速面积最有效的措施之一是快速切 除故障。增大减速面积的有效措施是在提高励磁系统的标称响应（响应比）的同时，提高强行励磁电压倍 数，使故障切除后的发电机内电势Eq迅速上升，增加功率输出，达到减速面积的增加。相应变化如图所示。3 0 3 e 3 M 3 M由图可见，正常工作在曲线1的a点；在故障时，工作在曲线3的b点。如此时提供强行励磁以迅速提高发电机内电势 Eq,则功角特性曲线由be段上升至be段运行，加上快速切除故障，使功角由上图的3 i减小到3 e,这样在故障切除前加速面积由abed减少到abed。切除故障后在强励的作用下，工作点直接从 e上升至曲线4的e点运行，跳过

12、了无强励的功角特性曲线2上的e点。当运行到h 时减速面积de h g已和无强励能力的曲线 2上f的面积def f相等时，转子沿功角特性曲线4回转，经过几个振荡恢复正常。转子功角最大值3 m 降到3 m明显地提高了发电机的暂态稳定。4.3 提高电力系统运行的静态稳定性从发电机与母线连接图中假定单机对单回路线路及无限大系统的情况。设发电机与线路的参数如下，参 数均以标么值表示。Xd=Xq=1.5X ti=Xt2=0.1X dz =0.3Xe=0.8根据发电机功角特性曲线表达式，可写出三种形式无励磁调节PeEqUsXdiSinEq有励磁调节，但只保持 Eq /不变E qU SX d Z有励磁调节且作

13、用较强，能保持端电压Ut不变PeUtUsSin ut以上式中Eq 发电机内电势Eq，发电机暂态内电势Ut发电机端电压Xd S 总电抗等于 Xd+XTl+Xe+XT2Xd保持Eq /不变时的总电抗等于 Xd，+Xti +Xe+XT2Xs 保持Ut不变时的总电抗等于Xti +Xe+XT2分别算出三种静态稳定功率极限:Pe max(Eq)11.5 0.10.8 0.1=0.4( p.u)Pemax(Eq)-10.3 0.10.8 0.1二 0.77( p.u)Pe max(Ut)10.1 0.8 0.1= 1(p.u)从计算结果看出，由于自动励磁调节作用的影响，能维持发电机端电压为额定值时，线路输送

14、的极限功 率比无励磁调节 Eq为常数时的传输功率高 60%。可见励磁调节对提高电力系统静态稳定具有十分重要的作 用。4.4 改善暂态稳定性暂态稳定是电力系统受到大扰动后的稳定性。主要是指事故后转子第一振荡周期内的稳定性，就励磁控 制系统而言，其作用主要由三个因素决定：a 励磁系统强励顶值倍数（Ku）;Ku增加可以提高电力系统的暂态稳定。但是提高Ku使励磁系统的造价增加，并且对发电机的绝缘要求提高。因此，在当前故障切除时间极短的情况下，过分强调强励倍数是没有必要的。b 励磁系统顶值电压响应比；亦称励磁电压上升速度。响应比越大励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定越有利 （即在故障前减

15、少加速面积）。该因素应由励磁系统的性能所决定，亦即由调节器的性能决定。c 励磁系统强励倍数的利用程度；充分利用励磁系统强励倍数，也是改善暂态稳定的一个重要因素。充分利用励磁系统顶值电压的措施之 一是提高励磁控制系统的开环增益，开环增益越大，调压精度越高，强励倍数利用越充分，也就越有利于改 善电力系统的暂态稳定。4.5 改善动态稳定性改善动态稳定的方式动态稳定是研究电力系统受到扰动后，恢复到原始平衡点或过渡到新平衡点（大扰动后）过程的稳定 性。研究它的前提是：原始平衡点（或新的平衡点）是静态稳定的，以及大扰动的过程是暂态稳定的。电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。也就是

16、发电机与电网（设电网为 无穷大系统）之间厶与厶3发生振荡（即转子转速时快时慢时）的问题。这时在发电机的转子回路中，特 别是在阻尼绕组中将有感应电流，此电流在定子绕组中形成阻尼功率Pr。Pr = D 3式中D为功率阻尼系数当发电机受到微小扰动后，根据 D的大小，发电机的动态稳定可出现三种可能：第一种可能D = 0时，则形成不衰减的等幅振荡。即运行在功角特性平面上沿功角特性曲线以原始运行 点a为中心作往返等距离的运动。第二种可能 D 0时，即增加一项与角速度偏差 3成正比的正阻尼功率， S随时间的变化规律为减 幅振荡，最后回到原工作点运行。第三种可能D0时，则加上一个负阻尼功率，因而 3变成增幅振

17、荡，最后导致失步。从上可见，当阻尼为 0和小于0时系统的动态都不稳定。只有为正阻尼且有一定的值，系统的动态稳定 性就好。按电压负反馈原理构成的励磁调节器是削弱了机组平息振荡的能力，即具有降低功率阻尼系数D的弱点，而且当励磁控制系统开环放大倍数心高达一定值后，功率阻尼系数 D变成负值，此时发电机受到微小扰动就可能激发低频振荡。这种现象不论对哪一种励磁控制系统都是存在的。但对于快速励磁控制系统（SCR直接作用于发电机励磁绕组），只有在远距离送电，无地方负荷的情况下，且负荷较重，功率角3较大时，才会发生振荡失步。而对于常规（指具有交或直流旋转励磁机的励磁系统）励磁控制系统，不仅在重 负荷情况下，就是

18、在轻负荷下也会发生振荡失步。根据励磁控制系统动态稳定的要求，如果Kw大于允许值时，就必须采用补偿措施，否则在小干扰下可能出现不稳定的问题。电力系统稳定器（PSS ）是一种有效的补偿措施。电力系统稳定器（PSS ）简介PSS是能提供一个附加正阻尼、通过励磁控制系统、抑制电力系统低频振荡（或抑制发电机有功功率的 摆动）的装置。它具有以下主要功能：a 提高静态稳定极限b 抑制系统自发性的低频振荡，改善动态稳定性c 对系统阻抗突变时引起的振荡，具有良好的正阻尼效果d对原动机功率突变时引起的机械振荡，具有正阻尼作用。PSS的输入信号可以是转速偏差A,或是有功功率偏差 p，或是频率偏差 f.试验结果表明

19、p信号最好，其次是 厶3信号， f信号效果最差。其输出信号接至电压反馈和电压给定的加法器上。PSS在转速恒定不变时，输出为0,不起作用。当转速或有功或频率发生变化时，PSS才起作用。作用结果如图所示，比如，运行点a由扰动偏移到b后由于电磁功率下降，转子加速，在PSS的作用下使Eq大于零，从而增加发电机的励磁电流，发电机内电势 Eq增大，电磁功率相应也增大，这样运行点由b点向上移动过程中，正向偏离了原来的功角特性bac ,形成了 boa c弧线，阻止转速升高；到 c点A等于零，但由于机械功率小于电磁功率，使运行点由c点顺时针沿co a d弧线下移动，而不是 cab，阻止转速下降。P3如此反复，形

20、成了衰减振荡，直至回到原始运行点a稳定运行后，PSS才不起作用。目前励磁调节器普遍采用 PID+PSS调节规律，PSS调节控制功能主要由软件实现。我公司采用PSS的输入控制信号方式主要有两种：方式一，PSS输入信号来自电功率。此方式的PSS特点是调节算法简单容易实现，参数整定和调试方便，但存在反调现象，在增减负荷时需闭锁PSS功能。方式二，PSS输入信号来自电功率和转子角频率。如采用基于IEEE Std.421-Type 2A的PSS控制算法。此方式的PSS特点是调节算法比较复杂，需要整定的参数较多，通过系统仿真和试验可以选定参数，但 它对系统低频段（0.13Hz ）的振荡阻尼效果明显，且不存

21、在反调现象，在增减负荷时无需闭锁PSS功能。4.6 总结自动励磁调节器在动态过程中怎样起调节作用呢？按照励磁调节对动态过程的不同作用，我们可以把功 角3（t）分成五个阶段，如图第I阶段一一短路发生至短路切除这时调节系统输出最大励磁电流进行强励。在快速励磁系统中，励磁电压在一个周波内升至顶值；在常 规励磁系统中，由于时间常数较大，励磁电压上升缓慢，励磁电流及电磁制动转矩不能迅速增长。目前系统 短路都在0.10.2秒内切除，因此常规励磁系统要靠调节器的作用在第I阶段期间将励磁电流增加较大的数 值是有限的。在快速励磁中强励倍数小于2时，其作用在第I阶段也不明显。第n阶段一一短路切除至转子摆至最大角在

22、这期间，强励能使电磁制动转矩有较大的增长，强励最好保持至转子到达最大摇摆角S max。当短路切除时，电压的回升（跃变）一般很快接近调节器的工作段。如按电压偏差调节，这时强励很快退出了。由于 强励倍数较大，励磁电流不可能马上回复到正常状态，因而使减速面积继续增加，从而使最大摇摆角S max减小。第川阶段一一转子最大摇摆角至最小摇摆角此时，电磁制动转矩大于原动机驱动转矩，转子开始向角度减小方向运动，这时调节器应减磁，避免由 于过分制动摇摆反向（减速方向）增大，使摇摆的第二周期或以后的摇摆周期内失去同步，形成动态不稳第W阶段一一转子进入衰减振荡过程此期间励磁调节器应提供一定的正阻尼转矩（PSS将起作

23、用），使其快速平息振荡。第V阶段进入事故后静稳定状态这时要求励磁调节系统提供一定的励磁电流，以保证同步发电机具有较高的静稳定极限。5 同步电机励磁系统定义5.1 励磁控制系统：由同步电机及其励磁系统共同组成的反馈控制系统。5.2 励磁系统：从下图可知提供同步电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制组件，还有磁场放电或灭磁装置以及保 护装置。5.3 励磁系统标称响应 Ve （也称响应比）由励磁系统电压响应曲线确定的励磁系统输出电压的增量除以额定磁场电压。这个比率，假定保持恒定 所扩展的电压一时间面积，与在第一个半秒钟时间间隔内得到的实际曲线面积相等。见下图。用0.5秒内转子电压的平均电压响应比来衡

24、量励磁系统的性能是基于：当电力系统受到大扰动后（如短 路故障），发电机转子需经过几次大的摇摆之后才能稳定下来。运行表明，第一周期最大的摆角通常是在扰 动开始后0.40.75秒达到，必须在这个时间内进行强励对稳定才起作用，以抑制功角的增加。因此将电压响 应比定义的时间域取为0.5秒。计算式如下式。 UE0.5UfN.1对于快速励磁来说，可以不求响应比而只说响应时间。但目前招标书有这个要求，因而可以根据定义来 求快速励磁的响应比（见下图）。设：a 上升时间为0.08秒，即在0.08秒后到达顶值电压2.5UfN (因机端电压下降 80 %时提供2UfN，计算时不考虑此因素)。b励磁系统电压响应曲线为

25、斜线。求：Ve解：根据定义面积 1 =面积 2如图先求出 Ue=U fN+X加辅助线eB这样 1 + 3 = 2+ 3 i+ 3=1/2 X 0.5 X 1.5U fN1/2 X 0.08 X 1.5UfN=1/2 X 1.5U fNX (0.5 0.08)=1/2 X 0.63 X UfN 2+ 3=1/2 X 0.5 X (1.5UfN+X) 1/2 X 0.5 X 1.5UfN=1/2 X 0.5 X (1.5U fN+X 1.5U fN)=1/2 X 0.5 X X1/2 X 0.5 X X=1/2 X 0.63 X UfN X =0.63 X UfN/0.5=1.26 U fN Ue

26、=Utn+X=2.26 U Fn代入下式：Ve旦 S二 2.26IJfN =4.52s0.5U fN0.5UfN因此，电压响应比为 4.52s。在实际应用中可取大于 4s，因计算与实际有误差。5.4 励磁控制系统的精度与静差率精度是指被控量与给定值之间的偏差程度，用被控量与给定值之间的差值与给定值之比的百分数表示。 其适用条件为发电机从空载到额定工况。静差率实质上等同于发电机负载变化时的励磁系统控制精度。定义为：励磁控制系统在额定负载状态运 行，调差退出，给定值不变，负载从额定值减到零，测定相应的端电压变化率。6 调差为使并联运行的各发电机组按其容量向电网提供无功功率，以实现无功功率在各机组间

27、稳定、合理地分 配，则需要调差。6.1 电压调差系数3或电压调差率（无功电流补偿率）定义：发电机在功率因子为零，即带纯无功负载，将发电机的负载电流Ig=Iq从零加到额定定子电流时，机端电压的变化率称为电压调差系数或电压调差率。如图所示曲线1为零调差（即无调差）曲线2为正调差曲线3为负调差:,=U -Ugn 100% U GN6.2 调差系数的选择一般在电网中小容量机组S值以偏大为宜，这样无功可分担得少一些。在大容量机组中S值以偏小为宜，大容量机组应该多担负些电网中的无功。如几台具有无差特性的机组是不能并列运行的，因为它们之间 的无功分配是不稳定的。假如只有一台无差特性的机组与几台有差特性的机组

28、并列运行，这样无差特性机组 在电网无功变化时承担得很多无功，这是不合理的。故实际运行中并列的各台机组都是带有差特性的，因而 各台机组间可以得到稳定、合理的无功分配。6.3 调差系数正、负的选择这与发电机主电路接线方式有关，在发电机母线上相并联的机组应采用正调差，如两机一变。采用一机一变（单元接线方式），即通过主变高压侧并入网中的机组，则应采用负调差。这是考虑到无功电流在主变 漏抗上的电压降，在减去主变压降后，机组在主变高压侧上的调节特性仍然是上调差。7 自励晶闸管励磁系统的轴电压轴电压的来源一般在水轮发电机中，轴电压的矛盾表现不太突出。通常在轴与轴承之间采用常规的绝缘，再加上接地 碳刷也就能解

29、决了。而汽轮发电机的轴电压问题比较突出，特别是采用了晶闸管自励系统后，使轴电压问题 更加复杂化。它可能使轴与轴承座之间带电，并使汽端减速箱中的齿轮产生电腐蚀，从而产生事故。纠其原 因是晶闸管自励系统输出的脉动整流电压作用于发电机转子励磁绕组上，经过励磁绕组与转子本体之间、轴 承油膜和齿轮油膜与主回路组件之间形成的等值电容产生回路电流，即轴电流破坏了润滑油膜，并在轴瓦面 和齿轮接触面各部位产生电腐蚀。轴电压来源的分类： a 磁路不对称原因：定子叠片接缝太大或不均匀；转子偏心；转子或定子下垂。这是安装、制造所产生的问题。后果：它使变化的磁通环链经过转轴一座板一轴承回路感应轴电压。此轴电压将在任何低

30、阻回路中产生 大电流，弓I起相应的损坏。b 轴向磁通的产生原因：剩磁太大；转子偏心；转子绕组不对称。后果：这些就能引起旋转磁通在轴承和转子部件中感应出电压，而此电压将在轴承和轴密封中产生大电 流和相应的破坏。c 静电荷原因：由蒸汽冲刷汽轮机叶片所致。后果：使电机内部绝缘产生静电动势，这样与接地状况有关的轴电容被充电。引起轴与轴承（地）间的 电压被加到油膜上，如果击穿，将发生电荷放电，产生斑点，损坏轴承和密封的表面。d 作用于转子绕组上的外部电压原因：静励磁装置；电压源或转子绕组绝缘不对称；有源转子绕组保护装置。后果：这些外部电压通过电源、绕组及与接地状态有关的绝缘电容和电阻，使轴产生电动势，导

31、致轴与 轴承（地）间的电压被加到油膜上，如果击穿，将发生电荷放电，产生斑点，损坏轴承和密封的表面。7.2 轴电压的防护一般现行防止轴电压的措施有：将发电机机端所有轴承和轴密封进行绝缘，防止以上（玄）和（b）所产生的轴电压及由此形成的大环流是非常有效的。另一种在汽端使用各种形式的接地刷，但效果不太理想。至 于（c）、（ d）两种来源的轴电压，目前采用一种在发电机的汽端带有常规接地刷，并且在发电机励端还有 一个接地刷通过一组新型无源RC电路接地。其中电阻值选 500 Q左右，这个阻值高得足以防止将电流限止在几个毫安培（这是无害的）内，又低得足以防止直流电势的建立。并联电容取10卩f左右，此值对于防

32、护静止励磁系统引起的所有轴电压都是有效的。如在碳刷和RC电路之间加装一熔断器，可防止事故时转轴流过较大的环流。试验证明，这种新型 无源RC电路使发电机两端的轴电压尖峰被消除，所有的轴电压被长期地、极可靠 地减少到远低于20v的安全限以下。吒*111111Il mi II mi-EE , ll_T. mi mm1 in ii ii ii8 灭磁及过电压保护8.1 灭磁：灭磁的作用是当发电机内部及外部发生诸如短路及接地等事故时迅速切断发电机的励磁，并将蓄藏在励 磁绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中。快速灭磁有两种方式：一种是耗能型的，即将磁场能量消耗在磁场开关装置中，应用最为广泛的是DM 2型和

33、DW10M 型。目前已基本不采用DM 2型磁场开关，因其自身有一些致命的缺点。DW10M型在要求不高的小型机组上还可以采用。另一种灭磁方式是移能型的，即将磁场能量由磁场断路器转移到线性或非线 性电阻耗能元件中。现已大量应用在各种类型的发电机组中。一般认为水轮发电机组由于转子本体的阻尼作用较小，在灭磁时励磁回路中的磁场能量几乎为灭磁装置 全部吸收，因此需要快速灭磁，以阻止事故的扩大。在采用交流励磁机或自励晶闸管励磁系统中，灭磁方式多数采用磁场断路器加SiC （进口）或ZnO非线性电阻灭磁，并和逆变灭磁配合使用。对于汽轮发电机，鉴于转子本体具有很强的阻尼作用，由阻尼绕组全电感及电阻所决定的阻尼绕组

34、时间常数Td远大于由阻尼绕组漏电感及电阻之比所决定的超瞬变时间常数TJ，因此，尽管采用快速灭磁系统，也只能加速纵轴励磁绕组回路中的转子励磁电流的衰减，而不能使蓄藏在发电机转子本体以及横轴阻尼 绕组中的能量迅速消失，且往往这部分在一定的条件下占的比例还比较大，例如一台400MW 的汽轮发电机在功率因数为 1时，其横轴磁通分量为87%，纵轴磁通分量为 48%，因此得不到快速灭磁的效果。故而对于大型汽轮发电机多采用简化的灭磁方式：a 无刷励磁系统因无法在发电机励磁绕组回路中接入灭磁装置，故只能在交流励磁机励磁绕组侧进行灭磁，而发电机励 磁回路则经旋转整流器按相应发电机时间常数进行自然灭磁。b 交流主

35、、副励磁机的静止整流器励磁系统国外均以在交流主励磁机励磁回路设置磁场开关作为典型灭磁方式。国内则多以在发电机主励磁回路设 置两或三断口磁场断路器及线性电阻作为主要灭磁方式。c 静止自励系统国外采用磁场断路器加线性电阻或SiC非线性电阻的灭磁方式。国内也采用磁场断路器加线性电阻或SiC （进口）或ZnO非线性电阻的灭磁方式。在正常灭磁时，一般采用逆变灭磁。8.2 灭磁方式的探讨：随着电力系统的扩大和同步发电机单机容量的增长，快速切除故障电流是确保电力系统稳定和安全运行 的必要条件。当发电机内部或外部（发-变组接线时，包括与主断路器连接的母线）出现短路或接地故障 时，快速切断励磁电源，并在尽短的时

36、间内消耗掉储藏在励磁绕组中的能量，快速可靠的灭磁及转子过电压 保护装置起着至关重要的作用。这样对磁场断路器开断电压的要求越来越高，而目前国内外高弧压、高可 靠性的直流磁场断路器选用比较困难，性能价格也不尽人意。葛洲坝二江电厂6#机1999年4月3日及2000年5月14日、18日连续三次烧毁直流磁场断路器，都是因为其弧压不够所致。这样就提出一个新的 灭磁方式“交流灭磁”，交流电压灭磁的原理就是将晶闸管整流装置交流侧电压引入直流侧，使晶闸管的输 出电压Ud成为一个交变电压。当 UdUa，故 心管承受正向电压，Ki管承受反向电压，换流趋势是 K2管导通，Ki管截止。但是由于Ki管在导通期间晶体内积存

37、了大量的少数载流子（电子和空穴），不能立即恢复截止，这样在短时间内Ki和K2同时导通，称为重迭区。此时a、b两相间产生暂态的短路，短路电流 id增长速度受（Ub-Ua）电压差及回路电感Lb的控制，didt =（Ub-Ua）/2Lb。短路期间整流输出电压的暂态值 Uf = （Uac+Ubc）/ 2，为a、b两相对c相线电压的平均值（考虑励磁变LB次级a、b两相的短路阻抗压降相同）。Ki、K2两硅管电流的波形见下图“Ki、K2硅管电流波形图”。ti时刻前Ki管电流K1、K2硅管电流波形图iK1等于励磁电流 f K2管电流iK2为零；ti时刻K2管触发导通，其电流 iK2上升，同时iK1下降，开始换

38、流 过程。由于发电机励磁绕组LQ大电感的影响，励磁电流If可视作恒值。根据柯希霍夫节点定律，iKi + iK2=If =恒值。换流的快慢即iKi及iK2的变化率（同时也是短路电流id的增长率）决定于（Ub-Ua）的电压差及回路电感Lb的影响，diK/dt = （Ub-Ua）/2Lb。至U t?时刻 站降到零，心=，似乎换流可以结束了。但此时 K1 内还积存有大量的少数载流子，不能恢复截止，故短路电流id继续增长，io变为负值，ik2 If。到t3时刻Ki反向电流达到最大值，积存的少数载流子迅速复合完毕，立即恢复截止，故Ki反向电流立即回零， K2的正向电流也产生一个“猛跌”回到If （据实验观

39、察，t3、t4仅几个 Q）。硅管电流iki和ik2同时也是电感pl:Lb内的电流，由于t3、t4此电流变化率极大，故在电感Lb中感应出极高的换相过电压.：u=-L b d k。据了dt解，如不采取适当措施，厶u可达到阳极电压峰值的 2、4倍。b发电机异步运行时产生滑差过电压同步发电机在运行中失磁，会使转子在高于同步转速下异步运转，靠阻尼绕组的作用变成异步发电机。在 有功负荷突然变化时，功率角发生突然变化或发生失步振荡的过程中，也有暂时的异步运行。这时转子励 磁绕组LQ的导体与定子电流产生的旋转磁场间有相对运动，导体切割磁力线产生感应过电压，此过电压 是一个正弦波，其幅值Ehm = - 2 X

40、4.44f 2W kw（i）式中：f2 异步运行时转子滑差感应电压的电频率，一般为几到十几个Hz ,w LQ的串联匝数，定子电流产生旋转磁场的主磁通，kw LQ的绕组系数。由于LQ的匝数w较多，故Ehm较大，据有关资料介绍，水轮发电机可达几万伏。c定子三相负载不对称（或非全相）运行时产生不对称过电压发电机定子三相负载不对称或一相断路（非全相）运行时，定子三相电流不对称。根据电机学中“对称分量法”的分析，一组不对称的三相电流，可以分解成三组对称的三相电流，分别为“正序分量”、“负序分量”及“零序分量”。这三组对称的电流流过发电机定子三相在空间相隔120 0电角度的绕组，将分别产生各自的磁场。由矢

41、量分析可知，零序电流产生的合成磁场为零。而正序及负序电流产生的合成磁场分别在空间作正向及反向的同步转速旋转，称作正序及负序磁通。而转子绕组LQ是以正向同步转速旋转的，它与正序磁通相对静止而与负序磁通以两倍同步转速相对运动。该过电压的幅值可用上式计算，不过式中的 f2 =100Hz ,为定子不对称电流产生的负序磁通。d发电机运行中如发生突然短路、失步、非全相或非同期合闸等故障，则在转子绕组中会产生很高的感应过电压，危及晶闸管励磁系统整流电路的安全运行。8.3.2抑制过电压的措施：抑制过电压的保护分为交流侧、直流侧和元件保护三种方式。可供选用的过电压保护措施有九种，它们 是：避雷器、接地电容、抑制

42、电容、阻容保护、整流式阻容保护、硒堆保护、压敏电阻、元件阻容保护和晶 闸管跨接器。实际应用的过电压保护措施，应视具体情况而定，通常选择其中几项，以构成合理的保护。选 用时应以简单可靠、吸收暂态能量大、抑制过电压的能力强，而且使用寿命长、功耗低等为原则。8.3.2.1抑制交流侧过电压的措施（只考虑与励磁系统有关的）对晶闸管换相过电压，由于其产生的频率高达300Hz，又是长期连续的，用 ZnO压敏电阻来吸收效果不好。因为ZnO要求长期的荷电率限制在 0.6以下，即意味着不能频繁而连续地导通吸能，否则容易老化，漏 电流上升，寿命缩短，所以一般不采用。目前采用整流阻断式阻容吸收过压保护器，专门用于吸收

43、晶闸管 的换相过电压，在四川宝珠寺200MW 水轮发电机上反复试验，限压性能良好。经过100多台发电机使用的结果证明，这种保护方式可将换相过电压限制到阳极电压峰值的1.5倍以下。根据以上关于换相过电压产生的原因分析，可见其产生的“源头”在励磁变的漏感及线路电感，所以“从头拦截”比较好，我们把整流阻断式阻容吸收过压保护器（简称GRC ）放在整流桥的交流侧，如下图所示。如有多台整流柜并联运行，建议在总交流进线处集中设一组GRC即可。因换相过电压的产生只决定于并联桥臂中最后截止的那只晶闸管，与并联桥臂的多少无关。在晶闸管换相t3、t4阶段，LB次级绕组任意二相电流突变产生过电压时，都可以经过二极管D

44、i、D6对电容C充电，从而得到缓冲，降低了 di/dt ,限制了过电压。t4时刻后，C上的电荷向电阻 R释放，等待下一个周期再次吸收。二极管Di *D6的作用一是可使三相共用一组R、C,节省体积大、价格高的高压电容；二是防止C上的电荷向励磁回路释放，避免在晶闸管换相重迭瞬间二相短路时C突然放电产生极大的 di/dt，损坏晶闸管；三是可以避免电容 C和回路电感产生振荡。IIIIIIR1rs|1PTIhlzPTPTRi|I1CiiGRC保护原理图GB02 型ZnO过电压保护器时，通过分压电阻Ri使触发器CF动作，输出触发脉冲使KP触发导通，RV立即接入转子回路导通吸能限压；过电压消失后,RV的续流

45、即下降到 mA级，小于KP的维持电流，KP自行截止，跨接器复归关断。反向过电压由二极管D导通限压，同样自动恢复截止。正向过压保护动作电压值可以通过改变Ri的阻值来整8.322抑制直流侧过电压的措施：a由于直流侧过电压均不是长期连续而只是偶然发生的，非常适合用ZnO压敏电阻来保护。主要是 ZnO有优良的非线性伏安特性（见下左图），一方面在大电流冲击下残压不高，保护特性好；二是在过电压消失 后，ZnO的续流迅速大幅度下降到mA级，可使过电压保护跨接器中的晶闸管管自行关断。而进口的跨接器用SiC作吸能元件，其漏电流大，过电压保护动作后不能自行关断，必须停机复归，或用“熄灭线”、“暂 态逆变”等复杂的操作来复归，可靠性降低。故很多进口的SiC跨接器均改成 ZnO跨接器（如葛洲坝、龙羊峡等电站），方能在国内顺利使用。上右图是GB02型ZnO过电压保护跨接器，现已普遍推广使用到千余三种电阻的伏安特性曲线图图中：1线性电阻2.SiC电阻3.ZnO电阻台发电机，其工作原理如下：正常运行时 KP不通，正向励磁电压被 KP阻隔，反向虽然有二极管D导通，但励磁电压反向峰值很低，所以ZnO电阻RV承受电压不高，荷电率很低，可保证其长期工作寿命，不易老化。正向过电压袭来定，调整方便。如励磁电压峰值不高（如用直流励磁机或交流励磁机不可控整流励磁）， 电率V 0.6时，可用G