励磁（供定子电源的装置）

简介

励磁就是向发电机或者同步电动机定子提供定子电源的装置。

发电机励磁系统定义

发电机由两大部分组成。

（1）转子 —— 转子绕组通以直流，用以产生发电机的磁场；

（2）定子—— 定子绕组被磁场之磁力线切割，在定子绕组中产生（发出）电流。对于交流发电机，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是旋转的，静止的定子绕组相对运动切割磁力线。

发展

最近30多年来，随着电力系统的互联和发电机单机容量的增大，电力电子技术日新月异发展，同步发电机的励磁系统已经发生了很大的变化。在电力系统发展初期，同步发电机的容量不大，励磁电流由与发

励磁

按照励磁绕组供电方式的不同，又可分为自励式和他励式两种。在自励直流励磁机励磁系统中，发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电。而在他励式直流励磁机励磁系统中，他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电，即通常所说的“三机励磁”。随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应增大，大容量机组的励磁功率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统。交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流状态的不同又可分为他励交流励磁机系统及自励交流励磁机励磁系统。

不论是直流励磁机励磁系统还是交流励磁机励磁系统，一般都是与主机同轴旋转。为了缩短主轴长度，降低造价，减小环节，又出现了用发电机自身作为励磁机电源的方法，即发电机自并励系统，又称为静止励磁系统，发电机端的励磁变压器作为励磁功率电源，通过整流桥向发电机转子供电。如图1。

励磁

静止自并励系统的主要特点有：励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用低，可靠性高，不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，减少基建投资，同时能改善发电机轴系稳定性；直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度；由发电机机端取得能量，机组甩负荷时相对同轴励磁机系统机组过电压低；配置PSs，可以提高系统的稳定性。虽然自并励磁系统与三机励磁系统或两机励磁系统比有这些特点，但自并励励磁系统机组近距离三相短路时有机端电压下降更低而引起发电机失磁的可能，然而由于大型机组采用单元接线，励磁系统有快速强励功能及配以快速的保护，能有效切除故障线路≈。正因为以上特点，在国内外机组中，越来越多地采用自并励的励磁方式。

励磁

自并励励磁系统在主回路上采用可控硅全桥控制，在国内外发电机组中得到越来越广泛的应用。国内外新建电厂及绝大部分改造机组都采用自并励形式。容量从几百kw到百万kw，机组类型包括水轮发电机组、抽水蓄能发电机组、火电机组，甚至新建的百万千瓦级核电机组都采用自并励系统。如三峡单机70万kw水轮发电机组、龙滩单机70万kw水轮发电机组、白山15万kw抽水蓄能机组。新建的100万kW火电机组、100万kw核电机组等都采用了自并励励磁的形式。目前还未有文献提出更新的励磁方式，这种现状及趋势在未来一段时间内不会改变。

当前，应用在大型水电、火电机组励磁系统中的励磁变压器就绝缘方式而言，主要有以下几种绝缘型式：以环氧树脂为绝缘材料的树脂浇注干式变压器；无碱玻璃纤维缠绕浸渍的干式变压器；MORA型干式变压器；NOMEx型干式变压器；新型合成脂油渍变压器。在上述几种变压器绝缘方式中，以树脂浇注式及缠绕干式两种绝缘方式在当前应用最为广泛，在三峡700Mw机组、龙滩700Mw机组励磁系统中都采用了氧树脂型绝缘材料的干式变压器。

励磁技术发展到现在可以说经历了三个阶段：即模拟励磁调节器，简单微机励磁调节器，全数字式励磁系统。以中国电器研究院有限公司(原广州电器科学研究院擎天电气控制公司)励磁产品为例。

公司从70年代开始晶闸管励磁系统研制出分立元件设计的调节器，首台励磁应用于广东韶关电厂。

其后10多年，到20世纪80年代研制出基于集成电路的模拟励磁调节器，限制保护功能有了进一步的完善，包括基于集成芯片的数字给定电位器等。到80年后期，该模拟励磁调节器技术成熟并得到

励磁

到80年代末，由于计算机技术在工业领域的应用，公司开始研制微机励磁装置，并于90年代初开发了第一代微机励磁调节器，采用STD总线工控机，首套励磁调节器LTW3000在新丰江电站投运。此后数年进行优化升级，型号从LTW3000，LTW6000再到LTW6200，由于硬件限制已发展到调节器的极限，尽管增加了调试软件及PSS功能等，但仍不能满足新的励磁技术的需要，产品逐渐失去竞争力，产品维持近十年的生命周期逐渐退出市场。

2003年，结合当时先进的工控技术及SOC片上技术等开发了ExC9000励磁系统，经过多年的完善及技术升级至现在，这套系统仍技术先进，是我们的主流产品之一。

国内外励磁调节器也经历了这一发展过程。如国外ABB励磁调节器经历了从Unitrol1000到Unitrol5000再到Unitrol6000的发展。调节器的发展是励磁系统主要发展标志。现行的励磁调节器大都采用多CPU架构，充分发挥各CPU的优势完成各自的功能。根据任务的实时性要求划分为不同的等级，采用不同的CPU完成不同的任务。各CPU间通过总线技术或通讯技术完成数据交换，使各CPU协同工作成为一体。调节器内部采用CAN、ARCNET、以太网等通讯技术实现励磁调节器及励磁系统的数字化。采用多通道热备用冗余技术，一般采用两通道或三通道调节器或根据需要灵活配置通道，增加可靠性等。

作用及分类

作用

1、维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。

2、合理分配并列运行机组之间的无功分配。

3、提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。

分类

按整流方式可分为旋转式励磁和静止式励磁两大类。其中旋转式励磁又包括直流交流和无刷励磁；静止式励磁包括电势源静止励磁机和复合电源静止励磁机。

一般我们把根据电磁感应原理使发电机定子形成旋转磁场的过程称为励磁.

励磁分类方法很多，比如按照发电机励磁的交流电源供给方式来分类：

第一类是由与发电机同轴的交流励磁机供电，称为交流励磁（他励）系统，此系统又可分为四种方式：

（1）交流励磁机（磁场旋转）加静止硅整流器（有刷）.

（2）交流励磁机（磁场旋转）加静止可控硅整流器（有刷）.

（3）交流励磁机（电枢旋转）加硅整流器（无刷）.

（4）交流励磁机（电枢旋转）加可控硅整流器（无刷）.

第二类是采用变压器供电，称为全静态励磁（自励）系统，当励磁变压器接在发电机的机端或接在单元式发电机组的厂用电母线上，称为自励励磁方式，把机端励磁变压器与发电机定子串联的励磁变流器结合起来向发电机转子供电的称为自复励励磁方式。这种结合方法也有四种：

（1）直流侧并联

（2）直流侧串联

（3）交流侧并联

（4）交流侧串联

装置

（1）概述

励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气调控装置。

励磁

励磁装置的使用，是当电力系统正常工作的情况下，维持同步发电机机端电压于一给定的水平上，同时，还具有强行增磁、减磁和灭磁功能。对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能。励磁装置可以单独提供，亦可作为发电设备配套供应。

中小型水利发电设备已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。

（2）种类和规格

励磁装置主要分为电磁型和半导体型两大类。电磁型励磁装置主要用于以直流或交流励磁机为励磁电源的励磁系统中，半导体型励磁装置既可以与励磁机一起组成静止（或旋转）整流器励磁系统，也可以与励磁变压器组成静止励磁系统。

任务

发电机励磁系统任务：

（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

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）；

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。

系统分类

发电机励磁系统的分类

（1）直流励磁机励磁系统多用于七十年代以前的中小型机组。

（2）具有与发电机同轴副励磁机的交流励磁机-静止整流器励磁系统（“三机”励磁系统）多用于六十年代以后100MW以上的大型火电机组。

（3）具有与发电机同轴副励磁机的交流励磁机-旋转整流器励磁系统（“无刷”励磁系统）

用于八十年代以后的大中小型机组（用量较少）。

（4）静止可控硅自并激励磁系统（“自并激”励磁系统）多用于七十年代以后的水电机组、以及九十年代以后

的大中小型火电机组，系优质励磁系统。

技术指标

励磁系统的主要技术指标

（1）当发电机的励磁电压和电流不超过额定励磁电压和电流的1.1倍时，励磁系统保证连续运行。

（2）励磁系统顶值电压倍数≮ 1.6~1.8 （2.0）

（3）励磁系统允许强励时间≮ 10s ⒇

（4）励磁系统电压响应比（电压上升速度）“自并激”系统≮ 3.5“三机”系统≮ 1.6~1.8 （2.0）

（5）电压调整范围70~110%

（6）电压调整精度≤± 0.5 % （0.25%）

（7）调差范围±10 % （15%）

（8）励磁系统强行切除率≤ 0.1 %蓝色数字为对一般励磁系统的要求，红色数字为对大型机组和优质励磁系统的要求。

常见故障

1、自复励式励磁故障

自复励方式的励磁系统虽然线路复杂、维护难度大、工作量大、对环境要求高，但是对静态电压的调节精度比较高，而且在发生短路的时，可以提供强励电流，具有很强的电流补偿作用。水电站采用双绕组电抗分流励磁系统，机组启动之后，发现发电机出口电压三相不平衡，并网之后增加机组无功负荷，发现发电机的励磁电流逐渐减小，最后使发电机处于欠励磁运行状态，进行检查之后发现，励磁线圈的主、副绕组相序出现了错误，导致机组无功负荷不断增加时励磁电流不断减小。为了解决这一问题，工作人员要改正主、副绕组的相序，不断提高检修与验收的质量。

2、励磁变高压熔断器爆裂故障

水电机组在进行发电机组温升试验后进行停机操作，控制室外出现爆炸，随后水电机组跳闸。在故障发生后，工作人员立即对机组励磁系统、调速系统进行检查，检查励磁变和主变回路，发现励磁变的B相高压熔断器出现了爆裂，电压互感器高压侧的三相熔断器也全部炸裂，对熔断器进行试验与检查后发现熔断器存在质量问题，熔断器的熔断电流只有额定熔断电流的一半。为了解决这一故障，需要将这种熔断器更换成大容量熔断器，保证熔断器的质量，还要对励磁系统进行全面系统的检查，以防止类似事件的再次发生。

3、失磁故障

水电站励磁系统发生失磁故障，保护动作以及录波记录显示故障发生时转子电压下降的突变量发生明显变化，从录波起动开始，经过56ms后转子电压下降到0.400ms，最后变为负值，在转子电压下降的同时电流和定子电压发生了剧烈摇摆，之后出现保护动作。工作人员对励磁功率电源的交流侧开关进行了检查，发现开关的辅助接点发生松动，松动造成开关处接触电阻偏大，导致励磁系统逆变灭磁后引发了失磁故障。为避免失磁故障发生，及时发现开关接点处的故障，可以在励磁功率电源的交流侧开关的辅助接点处安装一个故障监控录波器，对这一部位加强监控，同时要定期对这一辅助接点进行检查，及时进行紧固，不断提高辅助接点的可靠性，减少并预防失磁故障的发生。

故障处理

1、维护措施

（1）脉冲线绝缘防护。

可控硅击穿的直接原因是其脉冲线窜入高压。事后对其他可控硅脉冲线开展了绝缘检查，并在脉冲线上增加绝缘套管，以消灭高压窜入的可能性。

（2）定期除尘。

可控硅、脉冲变等元件积尘可能引起接头之间的放电、局部短路，同时，元器件引线的积尘（特别是金属性灰尘）也容易引起接头之间的放电、短路。另外，如果灰尘量过大容易造成风道堵塞，这样不利于功率柜散热。因此，必须定期对整流柜滤网进行更换并利用内窥镜来观察柜内的积尘情况，以便在对设备检修时进行全面清扫，保持柜内良好的通风环境。

（3）修改保护定值。事故过程中，励磁变过流保护动作整定时间为 5s，不能起到有效的保护作用。通过分析计算，增加励磁变限时速断保护，整定时间设为 0.1s，这样能有效迅速地切除故障，并限制事故的进一步发展。

2、运行措施

（1）日常巡检。

运行人员在日常巡检过程中应对励磁系统进行重点巡视，必须做到对重点部位仔细巡视，在汛期机组大发电期间，应注意观察励磁系统的温度，并将观测到的情况同监控系统的监测结果进行对比分析。同时，在机组检修结束后，应和检修人员一起对励磁功率柜的内部进行检查，保证励磁功率柜内部的卫生。

（2）合理安排机组运行方式。在机组故障消除后，对发生的事故机组要合理安排运行方式。由于励磁系统更换了重要设备，因此在调整机组无功、进相和迟相运行时，必须注意观察其变化情况，并与其他机组的状况进行对比分析。必须定期对机组运行方式进行调整，以确保故障机组在实施维护后可以正常运行。