发电机励磁系统学习
前言部分
中学物理学告诉我们：导体在磁场中运动、并切割磁场的磁力线时，导体中将会产生电流—— 这就是最基本的发电机原理。
这说明，要发电必须同时满足两个条件：
1.） 要有产生磁力线的磁场；
2.） 运动的导体必须切割磁力线。
励磁系统就是产生发电机磁场的控制系统。
发电机由两大部分组成。
1.） 转子 —— 转子绕组通以直流电流，用以产生发电机的磁场；
2.）定子 —— 定子绕组被旋转的磁场之磁力线切割，在定子绕组中产生（发出）电流。
发电机转子被原动机（水轮机、汽轮机、柴油机等）拖动转动，因而转子绕组产生的磁场也是旋转的，与静止的定子及定子绕组产生相对运动。
产生可以任意控制其大小的直流电流（称为“励磁电流” ）—— 向发电机转子绕组输送，这就是励磁系统的最基本功用。
发电机励磁系统基本原理：
供给发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统。
它分为励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分。
励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。
励磁系统的作用
励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。其主要作用有：
1. 发电机并网前，调节发电机输出的端电压；
2. 发电机并网后，调节发电机承担的无功功率；
3. 提高同步发电机并列运行的静、动态稳定
3.1 静态稳定: 采用灵敏快速的励磁调节系统，可以提高发电机在小干扰下的稳定性（静态稳定）；
3.2 动态稳定：采用响应快速、顶值电压较高的励磁调节系统，可以提高发电机在的大扰动下的稳定性（动态稳定、暂态稳定）；
4. 发电机事故时，对转子绕组迅速灭磁，以保护发电机的安全。
励磁系统的分类：
现在运用最多的为自并励系，其优点：
没有旋转部件。运行可靠性高，调整、维护简单，检修方便。
自并励方式取消了励磁机，缩短了的汽轮机发电机轴系长度可提高机组轴系的稳定性、提高机组安全运行的水平。
因励磁调节直接在转子回路中，没有主励磁机时滞环节，属快速响应励磁系统，技术指标高，响应快，性能参数好。
自并励系统的缺点
整流装置电源电压取自发电机端，系统故障时，随着机端电压下降，影响励磁系统的强励能力。
有碳刷增加了维护量。
发电机近端短路时，因机端电压突然降低很多时可能不满足强励要求，强励减弱时，短路电流迅速衰减，而造成出口带时限继电器拒动，使故障扩大，须加有记忆功能继电器。
起励时，发电机剩磁不足以提供可控硅的导通电压，发电机不能自励，需要另外设置起励电源。
发电机静态励磁系统原理图
应用最广的UNITROL 5000励磁系统，以本人单位为例：
瑞士ABB公司产品，型号:UNITROL 5000，自并励静止励磁系统
发电机静止励磁系统通过可控硅整流桥控制励磁电流，达到调节同步发电机电压和无功功率的目的。
其主要分为四个部分：
1、励磁变压器；
2、励磁调节器（AVR）；
3、可控硅整流器；
4、起励和灭磁单元。
励磁变压器
励磁变压器为广东顺特电气有限公司生产的三台单相环氧浇注干式变压器；总容量为3X3300KVA；变比为27kV/1060V 。
采用自然风冷（带冷却风机）的冷却方式，当励磁变温度高至100℃时，冷却风扇自启；温度低至80℃时，风扇自动停止。励磁变温度高至130℃时，发超温报警。
高压侧每相提供3组套管CT，两组用于保护，一组用于测量。低压侧每相也提供3组CT，两组用于保护，一组用于测量。
励磁调节柜（ABB公司）
调节柜内各电源小空开
自动电压调节器AVR
自动电压调节器AVR的主要功能是精确地控制和调节发电机的机端电压和无功功率，它对励磁电压快速作出反应，响应时间为几个毫秒。
AVR选用带有手动紧急备用通道的双通道系统，这是目前UNITROL 5000系统励磁系统的最高配置。
AVR的基本原理
主要由测量比较、综合放大和移相触发三个基本单元构成。
测量比较单元用来测量经过变换的与发电机端电压成比例的直流电压，并与相应的电压整定值进行比较，得到偏差；
电压偏差信号输入到综合放大单元，综合放大单元对测量等信号起综合放大作用；
移相触发单元则根据输入的控制信号的变化，改变输出到可控硅的触发脉冲，改变导通角，从而控制可控硅的输出电压，以调节发电机的励磁电流。
控制板(COB)
负责所有的调节和控制功能，还包括可控硅的脉冲产生。每一块COB 包括以下功能：
自动电压调节器(自动控制)
励磁电流调节器(手动控制)
具有时间可调的软启动功能
自动运行通道和自动备用通道之间的自动跟踪
自动和手动通道的双向自动跟踪
恒无功或恒功率因素的控制
PSS电力系统稳定器。
测量单元板(MUB)
用于测量发电机定子侧信号。它直接测量发电机的三相电压和电流，并通过这些量计算出其它信号：如P（有功）、Q（无功）、f（频率）等，同时提供了强电参数和测量信号之间的电气隔离。
扩展门极控制板(EGC)
作为双通道配置的后备通道使用。
EGC 连同COB、MUB一起安装在同一个金属箱中，但在结构上是独立的。
EGC具有下列功能：
1、励磁电流调节
2、通道跟踪，以便在COB故障 时实现平稳切换
3、备用瞬时过电流保护继电器
4、备用反时限过电流继电器
5、直流侧短路保护
快速输入输出界面卡(FIO)
COB板与被处理信号接口
16 路开关量输入
18 路开关量输出
4 路模拟量输出
3 路模拟量输入
跨接器电流信号输入
3 路带放大器功能的电流电压信号输入
主回路信号接口板(PSI)
控制模块(COB)和励磁系统实际测量值之间的带电气隔离的一个接口，包括励磁电流和电压的测量，可控硅整流桥输入电流和电压的3相测量。
就地控制屏（LCP）
LCP可以用于UNITROL 5000励磁系统的就地操作。
它还能显示重要的过程信号。
它是可编程的，通过ARCNET总线与系统相连接。
可控硅整流器
采用三相全波桥式整流，共有4个功率柜组成。
可控硅整流桥通过一个门极驱动板（GDI）去驱动可控硅，进行整流。
整流装置的每个功率元件都装有快速熔断器保护，以便及时切除短路故障，并发出信号。
当一个功率柜退出运行时能满足发电机强励和1.1倍额定电流运行的要求。
当两个功率柜退出运行时，能提供发电机额定工况所需的励磁容量,不能进行强励。
如果三台功率柜故障则自动切断励磁
运行中严禁打开功率柜的门，否则，该功率柜将自动退出运行。
标准整流器 (n = 4) 具有4个并联的可控硅整流桥，其中至少有一个冗余的（n-1）配置。（n-1）的含义是当一个可控硅故障时，系统仍能满足最大励磁功率。
冷却方式：带冗余风机的强迫冷却。当两台冷却风机都退出运行时，该整流柜退出运行。另外整流器还有温度保护，90℃跳闸。
整流桥接口板（ CIN）、门级驱动器（GDI)
主要功能是向门极驱动板/脉冲触发板GDI发送用于触发三相全控桥的序列脉冲。
用于监控整流桥的所有电子部件。其主要作用是监控风机、温度和熔丝。
在每台整流桥的正、负输出连接处都配有电流传感器。根据这些输入值，CIN可自动调节各可控硅的电流，从而实现并联桥的均流。
整流桥的实际状态显示在柜门的整流桥显示面板CDP上。
GDI: 门极驱动器/脉冲触发板 将脉冲放大到晶闸管触发所必须的水平。
起励单元
正常情况下，发电机的残压用于起励是足够的。发电机转子有剩磁存在，一般情况下UNITROL 5000可以实现残压起励。
当励磁投入后，可控硅桥立即被触发，只要可控硅输入端有10-20V的电源电压，门极控制单元就能有效地控制可控硅整流桥。如果残压低于10V不足以建立发电机电压时，经过一定时间的延迟，起励装置就会投入：起励回路自动闭合，向磁场绕组通流，定子建压开始。
当电压达到额定值的10%时，可控硅桥已经能正常工作，起励开关自动断开。软起励过程开始将发电机电压升到额定电压27KV，整个起励过程的控制和监测都是由AVR软件实现的。
在整流桥的输出电压高于直流系统电压时，起励回路中的二极管会阻止反向电流流入直流系统。
起励电流大约为空载励磁电流的10%至20%，其大小取决于串入的限流电阻 R03 。
软起励用于防止机端电压的起励超调。如果超调的话可能引起电压过高造成过激磁。
灭磁单元
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。灭磁开关型号为GERapid8007 2X2额定电流8000A，开断电流120KA。
励磁系统具有短时过载能力，对静态自并励系统，按80%机端电压计算，强励倍数不小于2，允许强励时间≥10秒。
灭磁作用：当发电机内部、引出线、高厂变等发生故障时，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，即把励磁绕组的电流建立的磁场迅速降低到最小。
灭磁要求：1.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）2.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）。
灭磁方式：逆变灭磁。
灭磁回路：主要由磁场开关、灭磁电阻、晶闸管跨接器及其相关的触发元件组成。灭磁电阻用于实现发电机的快速灭磁。a、非线性电阻Ｒ02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。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。逆变灭磁在灭磁开关分闸时间内完成的，一般是在毫秒内完成。磁场开关跳开后通过非线性电阻实现灭磁，灭磁时间较短2-3S左右。
跨接器及触发板
触发单元是静态灭磁装置（跨接器）的一部分，具有多个独立的放电可控硅触发回路。
发电机的受控灭磁回路是双冗余的，与灭磁开关的跳闸线圈同时接通。
设有一个电压监测回路，在励磁电压超过设定值时它会自动触发可控硅。因此跨接器作为独立的过电压保护装置，可保护可控硅和磁场绕组免受危险过电压尖峰的冲击。
转子接地保护
转子一点接地对汽轮发电机组的影响不大，一般允许继续运行一段时间。发电机组发生一点接地后，转子各部分对地电位发生变化，比较容易诱发两点接地，汽轮发电机一旦发生两点接地，其后果相当严重，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，从而引起振动。励磁回路两点接地，还可使轴系和汽机磁化。
励磁回路两点接地，即使保护正确动作，从防止汽缸和大轴磁化方面来看，为时已晚。励磁回路发生两点接地故障引起的后果非常复杂，处理很麻烦。
近年来，大型汽轮发电机装设一点接地保护已属定论，国内外均无异议。但在一点接地保护动作于信号还是动作于跳闸的问题上，存在着不同的看法。主张动作于信号者，则考虑装设两点接地保护；主张动作于停机者，则认为不必再装设两点接地保护，这有利于避免发生汽机磁化。另外，由于目前尚缺少选择性好、灵敏度高、经常投运且运行经验成熟的励磁回路两点接地保护装置，所以也有不装设两点接地保护的意见，进口大型机组，很多不装两点接地保护。
ABB公司的UNITROL 5000型励磁系统中带有电桥式转子接地保护装置，他们对转子接地保护的设计思想是：当励磁回路绝缘电阻下降到一定值时报警，当绝缘电阻继续下降至一定值时，保护即动作切除发电机组，以防止发生两点接导致灾难性事故。
通电前的检查
励磁系统投入之前，必须保证所需要的全部电源已经送电，必须保证能安全启动。必须进行下述的检查：
系统的维护工作已经完成；
控制和电源柜已准备好待运行；
灭磁开关的控制电源及调节器电源已送电；
没有报警和故障信息产生；
励磁系统切换到远方控制方式；
励磁系统切换到自动运行方式；
发电机达到额定转速。
运行期间的定期检查
在控制室中：
无限制器动作；
工作调节器的设定点没有达到极限设定值；
通道之间是平衡的，并且通道切换已准备就绪；
励磁电流、发电机电压和无功功率是稳定的。
在励磁柜中：
无报警动作；
无非正常的噪音。
转发是最大鼓励！感谢您的支持!