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1、3593.1.5 发电机励磁和电压调节系统（GEX）一、系统功能发电机励磁和电压调节系统 GEX 的作用是保证发电机的励磁建立转子旋转磁场，发电机并网前用以调节同步所需的空载电压，发电机并网后用以调节与电网交换的无功功率.也就是实现励磁-给发电机励磁，调压-调节发电机端电压，监测-监测发电机和励磁机的磁场，限制-限制转子、定子电流以保证稳定与不发热，保证-保证安全、保证供电的质量。具体功能如下：1、数字式自动电压调节器（AVR）它对主发电机的励磁电流提供数字控制，并由此控制主发电机组的端电压在电压设定器（内部记忆）设置的设定值上，此电压控制为 AVR 的固有功能。另一磁场控制功能是将励磁电流维
2、持在一个由手动电压设定器（内部记忆）设置的设定值上（也称为手动运行） 。2、发电机磁场接地探测（61E1）由辅助滑环和安装在励磁机上的线圈驱动的刷子（可自动改变方向） ，提供一个有外电源的外部电路，来实现发电机的磁场接地探测。3、励磁机磁场接地探测（64E）利用桥式电路的原理，采用动圈式线圈继电器，对主励磁机的励磁线圈进行监测，有接地时，给出报警，并显示接地点的极性。本系统不属于与核安全相关系统。二、系统描述1、系统组成发电机励磁和电压调节系统主要由主励磁机（即无刷励磁机，包括二极管整流桥） 、副励磁机（即永磁发电机） 、数字式自动电压调节器（包括可控硅整流桥） 、辅助电压互感器、辅助电流互感
3、器等部件组成，系统如图 1 所示，励磁机布置如图 2 所示。发电机励磁和电压调节系统的工作原理是：（1） 汽机转子带动发电机大轴、副励磁机的永磁铁及主励磁机转子以 3000 转/分的转速旋转；发电机转子与励磁机之间不用滑环与碳刷；（2） 副励磁机（永磁发电机）有 8 对磁极，故在副励磁机的定子中产生三相 400Hz、274V、320A 的交流电，向数字式自动电压调节器供电，并经可控硅整流桥整流后供给主励磁机励磁；（3） 接在发电机端的辅助电压互感器 PT 和电流互感器 CT 将发电机的电压、电流信号引至数字式自动电压调节器，由数字式自动电压调节器控制三相桥式全控可控硅整流电路向主励磁机固定励磁
4、线圈的供电，建立主励磁机的固定磁场；（4） 主励磁机的固定磁场有 4 对磁极，故其旋转电枢产生三相 200Hz、417V、3820A 的交流电；（5） 旋转的二极管整流桥对主励磁机产生的交流电进行三相全波整流，为发电机转子提供直流励磁电流，建立转子旋转磁场；（6） 主发电机产生三相 50Hz、20kV、36111A 交流电；（7） 主发电机产生的电压和电流反馈给数字式自动电压调节器；（8） 数字式自动电压调节器以自动或手动控制使发电机端电压保持为 20kV。例如，当发电机无功输出增加，引起发电机电压下降时，数字式自动电压调节器（AVR）使可控硅控制角减少，可控硅输出增加，发电机励磁电流增大，发
5、电机电压回升，最后稳定在给定水平。当电力系统发生突然短路或突然增负荷时，发电机端电压突然下降和定子电流突然增加，数字式自动电压调节器（AVR）使可控硅控制角迅速减少，可控硅处于全开放状态，对发电机进行强行励磁。发电机甩负荷时，端电压突然升高，控制回路可使可控硅控制角迅速增大，可控硅处于逆变状态，对发电机进行强行减磁，有效地抑制发电机的电压升高。当发电机出现内部短路时，由继电保护动作，通过控制回路使可控硅处于逆变状态，主励磁机励磁电流迅速下降，随后灭磁装置动作，将可控硅输出回路切断并将主励磁机的励磁绕组短接在灭磁电阻上，励磁电流最后逐渐降至零。发电机端电压和无功功率调节的物理机理是：（1） 旋转
6、的转子磁场使固定的定子绕组产生交流感生电动势，其大小取决于转子转速、定子绕组的匝数和转子磁场的磁通。磁通的大小取决于转子电流；（2） 当发电机接上负载时，在感生电动势作用下，就有交流电流流过负载和定子绕组；360（3） 如果是纯电阻性的负载时，在负载内和定子绕组内流过的是有功电流，有功电流的方向与感生电势的方向相合。这个电流流过定子绕组时，定子绕组也会产生一个磁场，其磁通穿过转子磁极轴线，使转子磁场有点偏斜和减弱，使发电机端电压略有下降。但总的看来，影响不大。（4） 如果是纯电感性的负载时，在负载内和定子绕组内流过的是纯感性的无功电流，它落后于感生电势 90。 ，所产生的磁场磁通与转子磁场的磁
7、通方向相反，起去磁作用，使发电机端电压下降。为了维持端电压不变，必须增加发电机励磁电流，也就是增加发电机的无功功率。（5） 如果是纯电容性的负载时，在负载内和定子绕组内流过的是纯容性的无功电流，它超前于感生电势 90。 ，所产生的磁场磁通与转子磁场的磁通方向相同，起助磁作用，使发电机端电压升高。为了维持端电压不变，必须减少发电机励磁电流，也就是减少发电机的无功功率。（6） 实际上，发电机的负载不可能是纯电阻性的、纯电感性的或纯电容性的，而是综合性的。流过负载和定子绕组的电流与感生电势的相位关系也不是 90。 ，但上述对端电压的影响趋势的分析还是适用的，发电机端电压和无功功率调节的机理还是相同的
8、。2、设备说明（1）励磁机组无刷励磁机组包括为汽轮发电机组励磁系统所需的转动机械，并直接连接在汽轮发电机上。机组有一台具有永磁的转子和固定定子的 400 Hz 三相交流永磁发电机。从永磁发电机定子输出的 400 Hz三相交流电在数字式自动电压调节器的控制下进行整流，它的直流输出供给主励磁机磁场线圈。另有一台具有 200Hz 三相交流旋转电枢和静态直流磁场的主励磁机，它向旋转整流器（二极管整流桥）供电。从主励磁机电枢线圈输出的 200Hz 三相交流电供给旋转整流器进行整流。从旋转整流器输出的直流电，通过励磁机引线和汽轮发电机轴中心的膛孔以及转子联轴节处的外部接线，被送到汽轮发电机转子线圈，由此提
9、供励磁电流，并使汽轮发电机输出要求的兆伏安。励磁开关（41E）是一个空气灭弧断路器，其控制电源是 110VDC，它有一个合闸线圈，两个跳闸线圈，励磁开关与灭磁开关连锁动作。（2）数字式自动电压调节器（AVR）数字式自动电压调节器（AVR）是一个基于微机的自动控制系统，有四个控制柜。它供给并控制主励磁机的励磁电流，从而控制主发电机端电压。其基本工作原理是数字式自动电压调节器通过控制主励磁机旋转电枢的输出，来控制发电机出口端电压，它取电压参考值（操纵员通过电压设定器给定）和发电机电压（电压互感器测量并传送到 AVR）二者之间的误差来调整所需的可控硅整流桥导通角，以改变可控硅整流桥供给主励磁机固定绕
10、组的电流，来控制主励磁机旋转电枢输出电流的大小，从而控制了发电机励磁绕组电流的大小，达到调节发电机端电压的目的。数字式自动电压调节器的覆盖范围，包括从电压互感器二次侧电压的探测到给可控硅整流器（供电单元）输出控制用的导通脉冲的产生。它有两个系列，每个系列都能完全控制端电压。每个系列包括同步变压器，CPU，触发单元和可控硅单元等；两个系列的共用部分有辅助电流互感器，辅助电压互感器及 400 Hz 调试电源等。另外，还有发电机磁场接地监测，主励磁机磁场接地监测。（3）发电机磁场接地探测有两个辅助滑环，一个接在励磁机轴上，另一个接在励磁机交流侧中心点上。有两个回路：由110V 直流供电的探测流过滑环
11、电流的探测回路和由三个计时器（64T、64T1、64T2）组成的自动驱动刷子并改变其极性的自动探测回路。64T 每 24 小时一个循环，每 6 小时开启一次，每次开启时间 15分钟。64T 首先被激励，滑环开始工作，两滑环之间感应出电压，测量开始，同时探测回路接通，继电器 64E1 根据探测到的电流自动动作；15s 后 64T2 持续激励 15s，改变滑环的极性；再 15s 后 64T1被激励，自动测量结束。（4）励磁机磁场接地探测探测回路与主励磁机的励磁线圈并联连接，主要部件是 D-5 型直流动圈式线圈继电器（D-5）,另外还有非线性电阻（VR） ，线性电阻（R1、R2） ，辅助继电器（TA
12、,发出报警信号）和两个指示接触开关（ICS-1、ICS-2） 。接地故障时，励磁线圈与探测回路形成一个不平衡桥式回路，D-5 根据流过的电流，判断接地点的极性，使相应的 ICS-1 或 ICS-2 动作，并给出极性显示。同时 TA 动作，发出报警，TA 的辅助触点断开流过 D-5 的电流。VR 的作用是消除了桥式电路的死区。三、 系统运行1、 数字式自动电压调节器发电机励磁和电压调节系统 GEX 正常运行时，励磁开关闭合，灭磁开关断开，励磁回路接通，灭磁回路断开，数字式自动电压调节器的一个系列处于工作状态，另一个系列处于备用状态，自动调节发电机端电压，并对发电机和主励磁机的磁场进行接地监测。工
13、作系列出现故障时，自动切换至备用361系列。双 CPU 均故障时可启动后备手动运行：通过使设定值增加/减少的外部命令来改变设定值。数字式自动电压调节器故障不会自动投入工频手动励磁。数字式自动电压调节器的辅助电压互感器和辅助电流互感器将发电机的电压互感器和电流互感器信号转变为能被 AVR 接受的信号水平（10V） ，提供给 AVR 的每个系列；同步变压器产生同步信号，使导通脉冲与主回路电源同步；数字控制由 AVR 的核心，CPU/触发单元，来实现；有风扇冷却的可控硅整流器向无刷励磁机励磁线圈提供直流电，通过触发单元发出的导通脉冲信号对永磁机的输出电流实行控制和整流；AVR 有两种运行模式，用 A
14、VR 开关（类似于模拟式 AVR 中的“AVR 自动/手动”开关）选择。在“恒压”模式，AVR 控制发电机的输出电压在电压设定器设定的水平，一般在此模式下运行，电压设定范围为空载时 10%110%，带载时 95%105%。在“恒定励磁”模式，AVR 根据电压设定器的要求产生恒定的励磁磁场，试验时在此模式下运行，或当电压互感器熔丝熔断或模拟卡 2 系统故障时自动从恒压模式切换至此模式。操纵员通过电压设定器开关增加/降低“恒压”模式或“恒定励磁”模式时的设定值。电力系统稳定器开关使电力系统稳定器（PSS）投入，根据探测到的功率波动改变励磁电流，迅速将功率波动稳定下来，提高系统的动态稳定；低压时（0
15、.3 额定电压） ，发电机电压的增加/降低（超过10%）暂时闭锁 PSS。最小励磁限制器（MEL）调整励磁电流，防止发电机进相运行超过稳定性限制。过励磁限制器（OEL）限制励磁电流不超过 105%额定电压时的励磁电流值，使发电机运行在励磁线圈能承受的范围内，防止迟相运行超过限值。两种可供选择的额外功能：（1） V/F 限制器（VFL）限制电压与频率的比值不大于某定值，防止发电机、主变等的过激磁；（2） 线路压降的补偿可补偿主变高压侧由于感性电流的滞后性而引起的电压降。2、发电机磁场接地探测正常运行时，由三个计时器控制运行时间，每 24 小时一个循环，每 6 小时启动一次，每次启动15 分钟，正
16、、负极各测量 15 秒。有两个选择开关：43-64-1：正常运行时打到“AUTO”位置，探测回路由自动测量回路控制有规律地运行。打到“measurement(+)”或“measurement（-） ”位置时，手动启动探测回路。43-64-2：正常运行时在“NORMAL”位置，要校正继电器整定值时，打到“TEST”位置，调节校正电阻即可，当接地电阻小于定值（一般为 20k） ，继电器便动作。3、励磁机磁场接地探测正常运行时，TA 的辅助触点合上，由于正负极浮空，D-5 内没有电流流过，回路自动探测主励磁机的磁场。在额定条件下（250VDC、0.25mA） ，D-5 具有很高的灵敏度，远离正负极 30%以内接地电阻 100-500 k 的接地故障均能迅速探测到。一点接地故障发生后，在复位 TA 的自保持装置前应断开 D-5 所在的接地回路。
