励磁系统的基本概念

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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=BVl（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l 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B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，使系统稳定运行的能

2、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+jIx（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，在发电

3、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恒压运行外

4、，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。3.2

5、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。 目前

6、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 max，如果11 ld.X11 ld.X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。11 ld.X 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+APe （APe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

8、发生该种类型故障下的暂态稳定 极限功率。在正常运行下，Pel对应的转子功角称为暂态稳定极限角5maxO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）稳定的影响冲功角特性：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Eq 0USXSinEq0 发电机内电势Us 受端电网电压XE发电机与电网间的总电抗即（Xd+XT）8 内电势与Us间的夹角（即功率角）P808 n /2n从功角特性图可见

9、在Eq为常数（即无励磁调节）系统最大传输功率在8=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8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。4.2 励磁调节对暂态稳定的影响TXI | I.r2在大扰动下：如图p8 8 8 0 1 曲线1表示双回路供电时的功率特性，其幅值等于EUP 二 _q_M X其中 X广Xd+XT+Xe/2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Xe/2增加到Xe，使PJ降至为EUP

10、二 q_MXL其中 X, Xd+XT+Xe 曲线3表示故障中运行的功角特性曲线。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，功角仍为60,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上升及功角变大。当 达到J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 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abcd是否小于或等于减速面积dfed。当故障切除较慢时，将增大，贝V加速面积abcd亦将增大。 如果减速面积小于加速面积，则转子速度将

11、进一步加大，失去暂态稳定性。0cMM提高暂态稳定性有两种方法，减小加速面积或增大减速面积。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。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bc段上升至be段运行，加上快速切除故障，使功角由上图的_,减小 到c，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

12、直接从c上升 至曲线4的e点运行，跳过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dehg已和无 强励能力的曲线2上f的面积deff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 M降到 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=1.5XT1=XT2=0.1Xd=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EUP = q S Sins e X Eq dL有励磁调节，但只保持Eq不变S

13、in sE q有励磁调节且作用较强，能保持端电压Ut不变P = t_S Sins e XUt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Xds 总电抗等于 Xd+XT1+Xe+XT2Xds 保持Eq 不变时的总电抗等于Xd +XT1+Xe+XT2X 保持ut不变时的总电抗等于xT1+xe+xT2分别算出三种静态稳定功率极限：Pe max( Eq )11.5 + 0.1 + 0.8 + 0.1= 0.4( p.u )e max( Eq)10.3 + 0.1 + 0.8 + 0.1= 0.77( p.u)Pe max(Ut)10.1 + 0.8 + 0.1= 1( p.u)从计

14、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

15、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

16、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。也就是发电机与电网（设电网为 无穷大系统）之间AS与As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 = DAs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As成正比的正阻尼功率随时间的变化

17、规律为减 幅振荡，最后回到原工作点运行。第三种可能D If。到t3时刻 K1 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 K1 反向电流立即回零， K2 的正向电流也产生一个“猛跌”回到If （据实验观察，t3t4仅几个口s）。硅管电流ik1和ik2同时也是电感 Lb内的电流，由于t3t4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Au=-Ld_k。据了 解，如不采取适当措施，Au可达到阳极电压峰值的24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

18、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 X4.44f2wOkw（1）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，一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

19、 “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。电角度的绕 组，将分别产生各自的磁场。由矢量分析可知，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

20、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

21、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

22、。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t3t4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DD6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D1 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。

23、F130 IlliD1HD6厂n11F1口11,111rv r7Ri11GB02型ZnO过电压保护器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D1-D6GRC保护原理图8.3.2.2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，

24、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 时，通过分压电阻使触发器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的续流即下降到mA级，小于KP的维持电流，KP自行截止

25、，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R1的阻值来整定，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），ZnO直接跨接的荷 电率V0.6时，可用GB01直跨型过电压保护器（见下图），比较简单可靠。GB01直跨型过电压保护器图异步运行时转子绕组等值图b 当发生滑差过电压时，感应电势幅值Ehm如（1）式所示，由于及w均较大，故其值相当可观（据有 关资料显示，水轮发电机可达几万伏）。如LQ外电路开路（晶闸管整流桥反向不通，也相当开路），则 LQ的端电压就等于Ehm，势必击穿绝缘或晶闸管。如在LQ两端跨接ZnO电

26、阻，则其电压被限制。这时 励磁绕组的等值电路图如上右图（异步运行时转子绕组等值图）所示。图中Eh为滑差感应电势，有效值Eh = 4.44f2wKw，Rf是LQ的内电阻，Lf。是LQ的漏电感，Rv是外接的ZnO压敏电阻的等效静态电阻值（随电 流大小而变，电流大时阻值小）。则回路电流有效值Ih= Eh/Jx + （Rf + Rv）2。式中Xf。= 2f2LfCT，是 LQ 的漏电抗。在 f25 时，X （Rf+ Rv）2，故可忽略电阻，lh = Eh/Xfa = 4.44f2wKw/ 2 n f2Lf（j = 2.22 w Kw/nLf。由于分子、分母中转子滑差电频率f2消掉，w、Kw及Lf。均是

27、发电机的固有参数，/决定于定 子并网的电压及电机参数等，也基本为固定值，所以最后得出Ih近似为恒值，与滑差频率无关。即异步运 行时的转子励磁绕组LQ可近似视作一个恒流源（如f25，由于Eh及XfCT均减小，电阻相对变大不可忽 略，故Ih减小，更趋安全）。ZnO电阻RV吸收的能量W= f J山曲 ，式中：u ZnO两端电压暂态值（V）i ZnO内流通的电流暂态值（A）t 时间（变量，s）T 异步运行工况持续时间（s） _由于ZnO导通时伏安特性平坦，因u U （平均残压）=恒值，可提到积分外面：W = U f T idt = U IT（2）01 2式中I = f idt为电流平均值，IIhX 2

28、 X oh兀式（2）中U由ZnO选择的残压决定，一般为13千伏；I由发电机参数决定，一般为几千安，经验数 据可取I = （0.70.8 ） IfN （额定励磁电流）；T决定于发电机失磁保护的动作时间（从发生失磁开始到定子 出口开关跳闸的时间），一般为125ms；由此可算出W的大小。一般发电机的灭磁能容量均远大于滑差过 电压的能量。目前使用的发电机转子快速灭磁兼过电压保护装置中，灭磁及过电压保护所用的吸能限压 ZnO元件是公用的，所以只要灭磁能容量满足了，则过电压保护自然能满足，不必作过份仔细的计算。c不对称过电压能量的理论计算方法与上述相似，由于Ih的值基本与滑差频率无关，不对称运行的负序磁通

29、-比异步运行时的正序磁通小（最严重的缺相运行时为1/3），故不对称过电压的电流小于滑差过 电压，而不对称工况的持续时间亦决定于继电保护的动作时间。由于许多原始数据不确切，故要精确计算 W的数值有一定困难。但由经验估计的大致数值范围告诉我们，该过电压保护的吸能容量小于滑差过电 压，同样不会超过灭磁装置的吸能容量。如果过电压保护的吸能限压 ZnO 元件是与灭磁兼用的，则只要灭 磁能容量满足了，过电压能量也自然满足。d 以上两节的分析均是在发电机继电保护正常动作的情况下，用较短的时间切除异步运行及非全相工 况。但是在人员误操作或设备不健全的情况下，也可能出现超长时间的异步运行或非全相工况，如岩滩、

30、古田溪、富水等水电站，均出现过上述情况。由电网通过定子侧向转子回路过电压保护元件源源不断地输 入能量，最后 ZnO 的吸能超过了极限，将过热烧毁。但由于其限压作用，保住了发电机转子绕组不受损 害，属“丢卒保帅”。但一般在ZnO的吸能装置中是用串、并联方式将n片ZnO组成m个支路，每个支 路都串有特殊的熔断器，因为ZnO片电气损坏时呈短路状态，故而用特殊的熔断器将故障支路退出。所以 在异步运行及非全相保护中，有一条ZnO片支路是不允许串联特殊的熔断器（且该支路的残压比灭磁、过 压保护的其它 ZnO 片支路的残压高），以保证发电机在异步运行及非全相运行中转子不开路，避免产生更 高的过电压危及发电机。e 上述 b、 c、 d 节的分析均是对水轮发电机而言。汽轮发电机由于其转子整锻铁心中可产生强烈的涡 流阻尼作用，削弱了旋转磁场的感应电势，故其滑差过电压及不对称过电压幅值不高，根据经验该幅值 Uhm（3.54） UfN （额定励磁电压），对转子绝缘及励磁回路元件不致造成危害，故汽轮发电机允许较 长时间