葛洲坝电厂励磁系统

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1、葛洲坝电厂励磁系统介绍 一、基础知识 1、励磁系统的定义 同步发电机是电力系统的主要设备，它是将旋转形式的机械功率转换成电磁功率的设备。为完成这一 转换，它本身需要一个直流磁场。产生这个磁场的直流电流称为发电机的励磁电流，专门为同步发电机提 供励磁电流的设备，即励磁电压的建立、调整和使其电压消失的设备，统称为励磁系统。 励磁系统设备一般由两部分组成，励磁功率设备和励磁控制设备。 功率设备：向励磁系统提供电源（包括功率柜、灭磁及过电压保护装置） 控制设备：自动控制励磁系统的参数。主要是励磁调节器。 2、励磁系统的分类 励磁系统的分类有两种分类方式。其一是按照有无旋转励磁机来分，其二是按照功率电源

2、的取向来分。 按照有无旋转励磁机的分类方式有如下类型： 按照功率电源的取向分类时有如下类型： 3、励磁系统的任务 （1） 、电压控制 同步发电机励磁自动控制系统通过不断调节励磁电流来维持机端电压为给定水平。 （2） 、控制无功功率的分配 与无限大系统并联运行的机组调节励磁电流可以改变发电机的无功功率。但在实际运行 中，与发电机并联运行的并不是无穷大系统。改变一台发电机的励磁电流，不但影响它自己的电 压与无功， 也将影响与它并联的机组的无功功率。因此， 励磁自动控制系统还担负并联运行机组 间的无功合理分配。 旋转励磁方式 静止励磁方式 二极管整流励磁方式 可控硅整流励磁方式 混合式整流励磁方式

3、自励方式 他励方式 自并励 自复励 交流侧串联自复励 直流侧串联自复励 励磁机供电方式（包括直流励磁机和交流励磁机） 二极管整流方式 可控硅整流方式 厂用交流电源供电方式 （3） 、提高同步发电机并联运行的稳定性 a、励磁对静态稳定的影响 单机向无穷大系统送电的极限功率为： Pm=EqU/X 实际运行时，为可靠起见，运行点总是低于功率极限。事实上，当发电机输出有功功率 P增加，功角 增加时，对于具有按电压偏差调节励磁的发电机来说，要维持发电机机端电 压的稳定，必须增加励磁电流使Eq 值升高。于是，运行点将移到另一条幅值 较大的内功率特性曲线上。同理，当角再增加时， 运行曲线也更高。这样就得到幅

4、值 连续增高的一簇内功率特性曲线，如1-2图所示。由于励磁调节器的作用，使得功角极限e 大于 90有效提高了系统的静态稳定极限。 b 、励磁对暂态稳定的影响 P O o 90 o 180 o P ab m P 0 图1-1 同步发电机的功率特性 e P 图1-2 发电机几条代表性功率特性曲线 P0 B e 0 0 P 如图（ 3）所示，当突然受到某种扰动后，系统运行点由特性曲线上的a 点突变到曲线上的 b 点，由于动力惯性，转子加速，若加速面积小于减速面积，发电机保持稳定，反之，发电机则 失去稳定， 这时， 发电机如能强行增加励磁，使受到扰动后的发电机组的运行曲线回到功角曲线 上运行，既增大了

5、减速面积，又减小了加速面积，改善了电力系统稳定性。 （4） 、改善电力系 统的运行条件 （1）短路切除后可以加速系统电压恢复过程，改善异步电动机的自启动条件， （2）为发电机异步运行和自同期并列创造条件 （3）提高保护装置工作的正确性 （5） 、水轮发电机 组要求能够实行 强行减磁 5、PSS原理简介 在电力系统中，发电机经输电线路并列运行时，在诸如负荷变化等小的扰动作用下，等值发电机 之间就会发生相对摇摆，输电线路上的功率也发生相应的振荡。一般情况下，由于阻尼的作用， 振荡 23 次后即平息。如果系统系统阻尼不足，则振荡将持续甚至放大。这种振荡频率一般为 0.22.5Hz 之间，故称为低频振

6、荡。 改善电力系统网架结构对防止低频振荡是很重要的，但系统是在不断发展，不断变化的， 随时可能发生新的弱联系。因此，单纯依靠加强系统结构来防止弱阻尼，不仅是不经济的，也几 乎是不可能的，必须同时在控制系统采取措施，增加阻尼，防止振荡。 采用电力系统稳定器（PSS）是增加系统阻尼，防止低频振荡的有效措施。自 20 世纪 70 年代末， 国外大部分电力系统发生低频振荡时，均采用PSS。 PSS 是采取转速偏差（） ，频率偏差（f ） ，功率加速偏差（Pa） ，电功率偏差 （ Pe）中的一个或几个信号（一般为二个），作为自动励磁调节器（AER ）的附加输入，产生 阻尼转矩，提高电力系统动态稳定。 二

7、、葛洲坝电厂励磁系统介绍 1、葛洲坝电厂励磁方式 它励：备励系统 P0 0 b a 图1-3发电机暂态稳定等面积法则 自并励： 20F21F 励磁系统 交流侧串联自复励：1F19F 励磁系统 葛洲坝电厂 1F19F 采用可控硅静止 式 交流侧 串联自 复励方 式，其一次电源接线原理图如 图 2- 1，阳 极电压 向量图 如图 2-2。 20F21F 采用可控硅静止式自并励 方式，其一次电源接线与 自 复励 相比，除没有 CB外，其余部分都一样。 电压向量图忽略了变压器电阻的影响。 由向量图可知： UY=UZB+UCB=UZB+jICBXCB 式中： XCB为 CB 的电抗 自并励方式与其他励磁

8、方式相比，设备和接线都比较简单，可靠性高，降低了造价，励磁调节速度很 快，优点十分突出。但在发电机近机端短路时，由于机端电压很低，自并励系统强励能力差，由于短路电 流的迅速衰减， 带时限的继电保护有可能使拒动。交流侧串联自复励方式可以从励磁变和串联变同时获得 电源，解决了发电机近机端短路时的强励问题，但由于增加了串联变，设备和接线都变得复杂了。 在实际运行中，交流侧串联自复励系统存在的缺点 （1） 、串联变运行噪声很大 （2） 、串联变的电抗使整流柜的可控硅换相角和可控硅的关断尖峰电压增大 F CB ZB UZB UY Ud UCB Ut 图2-1 自复励系统一次电源接线原理图 SCR It

9、Ut UZB UCB UY 图2-2自复励系统电压向量图 ICB （3） 、由于整流柜阳极电压与发电机电压不同相位，且相位差在不同的运行状况下也不相同，故 励磁调节器只能在整流柜阳极采取同步电压信号，而整流柜阳极的交流波形很差，可能使 同步采样出现错误。 葛洲坝二江电厂励磁系统主要整定参数一览表 2、葛洲坝电厂励磁功率柜原理 葛洲坝电厂励磁功率柜全部采用三相全控整流桥电路其接线原理图如 图 2-3。6 个可控硅按 +A-C、+B-C、+B-A 、+C-A 、+C-B、 +A-B 、+A-C 的 顺序轮流配对导通，每个可控硅导通120。它既可以工作在整流状态， 也可以工作在逆变状态。 电感负载时

10、，其整流输出电压Ud 与阳极电压Uy 和控制角的关系式为：Ud=1.35UyCOS， 整流输出电流的平均值Id 与交流电流Iy 的关系式为：Iy=0.816Id 。 机组编号 /参数名称 1 2F3F47F 发电机型号TS1760/200-110SF143-96/15600SF125-96/15600 额定功率因数0.8750.8750.875 额定机端电压13.8KV13.8KV13.8KV 额定定子电流8125A6840A5980A 额定励磁电流2077A1790A1653A 额定励磁电压497V498V 空载励磁电流1289A916A 空载励磁电压210V 183.2V 强励励磁电流1.

11、5If 励磁方式静止可控硅交流侧串 联自复励 静止可控硅交流侧自 并励 静止可控硅交流侧串 联自复励 T do 5.59 秒5.53 秒 转子直流电阻 （75）0.2020.248 发电机短路比1.33 1.1 A YGK +A +B+C -A -B-C CCC C CC R R R RRR KRDKRD KRD KRD KRDKRD ZDK 图2-3 三相全控整流桥原理接线图 在运行中， 可控硅脉冲掉相是励磁功率柜最常见的故障。当功率柜有一只可控硅不导通 时 ，这个功率柜的输出电流比与其并联运行的功率柜要小1/3 左右。有一只可控硅不导通 时可控硅全控整流桥的输出电压波形为连续少两个波头。

12、在实际运行中， 由于整流柜阳极电抗的存在，使得换相过程不能瞬间完成，要持续一段 时间。 使得功率柜的输出电压波形与图2-4 所画的理想波形有一些差别，出现了换相电压缺 口和可控硅关断尖峰电压，功率柜的阳极电压波形也不是标准的交流波。 逆变失败与最小逆变角的限制 （1） 、逆变失败的原因主要有： a、触发电路工作不可靠 b、可控硅发生故障，在应阻断时失去阻断能力，或应导通时不能导通。 c、在逆变时，交流电源发生缺相或突然消失。 d、换相的裕量角不足，引起换相失败。 （2）最小逆变角min 的确定 min =+ 式中： 为可控硅关断时间tq 折合的电角度 为换相重叠角 为安全裕度 一般 约 45，

13、随直流平均电流和换相电抗的增大而增大，考虑安全 裕度，min 一般取 3035。设计电路时，要保证 min 葛洲坝电厂励磁功率柜逆变时=120，即逆变角 =180- =60 葛洲坝电厂发电机转子过电压保护及灭磁回路 图2-4 =60时可控硅全控整流桥的输出电压波形 Ud t FMB62 型转子过压保护及灭磁原理图 图 2-6 FMB32 型转子过压保护及灭磁原理图 葛洲坝二江电厂1F6F 采用 FMB32 型灭磁及转子过压保护，该装置由合肥凯立公司生产， 其接线原理图如图2-6。 正常励磁时，发电机的励磁电压一般在500V 以下，所有的ZnO 非线性电阻的漏电流都 很小，相当于开路状态。当有高

14、电压进入励磁回路时，非线性电阻动作，吸收过电压能量。 其中， FR4 与 FR5、电容 C、电阻 R2 一起构成尖峰电压吸收器，吸收可控硅换相时的关断 尖峰电压， 电容吸收电压的速度很快，可吸收频率很高的尖峰电压，R2 构成 C 的放电回路， FR5 作为 C 的保护。 FR3、R5、R1、D2、KPT、CF 组成发电机非全相及大滑差运行时的过压保护，当发电机非 全相运行或失步时，定子中的负序电流会在转子中感应出100Hz 的过电压，此时FR3 投入 运行，将转子绕组两端的电压限制在安全范围以内。FR2 为常规过压保护。FR1、D1、Rz、 ZTC 和 FMK 一起组成了发电机的灭磁系统。 S

15、CR ZKFMK BZK D2 CF RZ FR2 ZRC ZTC F3 R1 F5 QLZ QLC 68DK V F 备励来 220V + - A FMK RV3 SCR ZKFMK BZK D1D2 KPT CF FR FR2 Rz ZTC FR3 FR4 FR5 CR1 R2 R5 QLZ QLC 68DK V F 备励来 220V + - A F SCR D FR1 FMK ZTC RZ Ud U Ik k RU I I L R 图 2-8 转子过压保护及灭磁原理图 图 2-8 中： Ud 为功率柜整流输出电压，Uk 为 FMK 分闸时建立的弧电压，UR 为 ZnO 电阻 两端的电压，

16、 Ik 为弧电流， IL 为 FMK 分闸时的转子电流，IR 为流过 ZnO 电阻的电流 （1） 、发电机正常停机时，逆变灭磁，灭磁时间稍长。 （2） 、当发电机故障时，跳FMK ，将转子中的能量转移到ZnO 非线性电阻 FR1 中消耗掉，这种灭磁系统称为移能性灭磁系统。 移能灭磁成功的条件 从图 2-7 中可以得到关系式（1）和（ 2） ，式（ 3）是 ZnO 电阻的 V-A 特性，这里 一 般取 2540，C 为常数，与ZnO 电阻的串、并联数有关。 UR=Uk-Ud （1） IK = IL -IR （2） IR=CUR （3） 由式（ 2）可知，当IR=IL 时， Ik=0 ，即流过FMK 断口的电流为0，表明 FMK 熄弧， 换流成功，转子能量转移到FR 中消耗掉。 由式（ 1） 、 （ 2） 、 （ 3）可得： Ik=IL-C （Uk-Ud ）=0 （ 4） 由式（ 4）可以看到，要想移能成功，即Ik=0，则要求Uk 满足：