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勵磁
供定子電源的裝置
基本信息
| 中文名 | 勵磁 |
| 外文名 | Excitation |
| 組成 | 定子，轉子 |
| 作用對象 | 發(fā)電機或者同步電動機定子 |
| 簡介 | 供定子電源的裝置 |
展開
簡介
發(fā)展
方式
最近30多年來，隨著電力系統(tǒng)的互聯(lián)和發(fā)電機單機容量的增大，電力電子技術日新月異發(fā)展，同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)已經發(fā)生了很大的變化。在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，同步發(fā)電機的容量不大，勵磁電流由與發(fā)
電機同軸的直流發(fā)電機供給，即所謂直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。由于它是靠機械整流子換向整流的，故勵磁容量受到限制。
勵磁
按照勵磁繞組供電方式的不同，又可分為自勵式和他勵式兩種。在自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)中，發(fā)電機轉子繞組由專用的直流勵磁機供電。而在他勵式直流勵磁機勵磁系統(tǒng)中，他勵直流勵磁機的勵磁繞組是由副勵磁機供電，即通常所說的“三機勵磁”。隨著發(fā)電機容量的提高，所需勵磁電流也相應增大，大容量機組的勵磁功率單元就采用了交流發(fā)電機和半導體整流元件組成的交流勵磁機勵磁系統(tǒng)。交流勵磁機勵磁系統(tǒng)根據(jù)勵磁機電源整流方式及整流狀態(tài)的不同又可分為他勵交流勵磁機系統(tǒng)及自勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng)。
不論是直流勵磁機勵磁系統(tǒng)還是交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，一般都是與主機同軸旋轉。為了縮短主軸長度，降低造價，減小環(huán)節(jié)，又出現(xiàn)了用發(fā)電機自身作為勵磁機電源的方法，即發(fā)電機自并勵系統(tǒng)，又稱為靜止勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機端的勵磁變壓器作為勵磁功率電源，通過整流橋向發(fā)電機轉子供電。如圖1。
勵磁
靜止自并勵系統(tǒng)的主要特點有：勵磁系統(tǒng)接線和設備比較簡單，無轉動部分，維護費用低，可靠性高，不需要同軸勵磁機，可縮短主軸長度，減少基建投資，同時能改善發(fā)電機軸系穩(wěn)定性；直接用晶閘管控制轉子電壓，可獲得很快的勵磁電壓響應速度；由發(fā)電機機端取得能量，機組甩負荷時相對同軸勵磁機系統(tǒng)機組過電壓低；配置PSs，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然自并勵磁系統(tǒng)與三機勵磁系統(tǒng)或兩機勵磁系統(tǒng)比有這些特點，但自并勵勵磁系統(tǒng)機組近距離三相短路時有機端電壓下降更低而引起發(fā)電機失磁的可能，然而由于大型機組采用單元接線，勵磁系統(tǒng)有快速強勵功能及配以快速的保護，能有效切除故障線路≈。正因為以上特點，在國內外機組中，越來越多地采用自并勵的勵磁方式。
勵磁
自并勵勵磁系統(tǒng)在主回路上采用可控硅全橋控制，在國內外發(fā)電機組中得到越來越廣泛的應用。國內外新建電廠及絕大部分改造機組都采用自并勵形式。容量從幾百kw到百萬kw，機組類型包括水輪發(fā)電機組、抽水蓄能發(fā)電機組、火電機組，甚至新建的百萬千瓦級核電機組都采用自并勵系統(tǒng)。如三峽單機70萬kw水輪發(fā)電機組、龍灘單機70萬kw水輪發(fā)電機組、白山15萬kw抽水蓄能機組。新建的100萬kW火電機組、100萬kw核電機組等都采用了自并勵勵磁的形式。目前還未有文獻提出更新的勵磁方式，這種現(xiàn)狀及趨勢在未來一段時間內不會改變。
變壓器
當前，應用在大型水電、火電機組勵磁系統(tǒng)中的勵磁變壓器就絕緣方式而言，主要有以下幾種絕緣型式：以環(huán)氧樹脂為絕緣材料的樹脂澆注干式變壓器；無堿玻璃纖維纏繞浸漬的干式變壓器；MORA型干式變壓器；NOMEx型干式變壓器；新型合成脂油漬變壓器。在上述幾種變壓器絕緣方式中，以樹脂澆注式及纏繞干式兩種絕緣方式在當前應用最為廣泛，在三峽700Mw機組、龍灘700Mw機組勵磁系統(tǒng)中都采用了氧樹脂型絕緣材料的干式變壓器。
調節(jié)器
勵磁技術發(fā)展到現(xiàn)在可以說經歷了三個階段：即模擬勵磁調節(jié)器，簡單微機勵磁調節(jié)器，全數(shù)字式勵磁系統(tǒng)。以中國電器研究院有限公司(原廣州電器科學研究院擎天電氣控制公司)勵磁產品為例。
公司從70年代開始晶閘管勵磁系統(tǒng)研制出分立元件設計的調節(jié)器，首臺勵磁應用于廣東韶關電廠。
其后10多年，到20世紀80年代研制出基于集成電路的模擬勵磁調節(jié)器，限制保護功能有了進一步的完善，包括基于集成芯片的數(shù)字給定電位器等。到80年后期，該模擬勵磁調節(jié)器技術成熟并得到
廣泛的應用。
勵磁
到80年代末，由于計算機技術在工業(yè)領域的應用，公司開始研制微機勵磁裝置，并于90年代初開發(fā)了第一代微機勵磁調節(jié)器，采用STD總線工控機，首套勵磁調節(jié)器LTW3000在新豐江電站投運。此后數(shù)年進行優(yōu)化升級，型號從LTW3000，LTW6000再到LTW6200，由于硬件限制已發(fā)展到調節(jié)器的極限，盡管增加了調試軟件及PSS功能等，但仍不能滿足新的勵磁技術的需要，產品逐漸失去競爭力，產品維持近十年的生命周期逐漸退出市場。
2003年，結合當時先進的工控技術及SOC片上技術等開發(fā)了ExC9000勵磁系統(tǒng)，經過多年的完善及技術升級至現(xiàn)在，這套系統(tǒng)仍技術先進，是我們的主流產品之一。
國內外勵磁調節(jié)器也經歷了這一發(fā)展過程。如國外ABB勵磁調節(jié)器經歷了從Unitrol1000到Unitrol5000再到Unitrol6000的發(fā)展。調節(jié)器的發(fā)展是勵磁系統(tǒng)主要發(fā)展標志?，F(xiàn)行的勵磁調節(jié)器大都采用多CPU架構，充分發(fā)揮各CPU的優(yōu)勢完成各自的功能。根據(jù)任務的實時性要求劃分為不同的等級，采用不同的CPU完成不同的任務。各CPU間通過總線技術或通訊技術完成數(shù)據(jù)交換，使各CPU協(xié)同工作成為一體。調節(jié)器內部采用CAN、ARCNET、以太網等通訊技術實現(xiàn)勵磁調節(jié)器及勵磁系統(tǒng)的數(shù)字化。采用多通道熱備用冗余技術，一般采用兩通道或三通道調節(jié)器或根據(jù)需要靈活配置通道，增加可靠性等。
作用及分類
作用
1、維持發(fā)電機端電壓在給定值，當發(fā)電機負荷發(fā)生變化時，通過調節(jié)磁場的強弱來恒定機端電壓。
2、合理分配并列運行機組之間的無功分配。
3、提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性及動態(tài)穩(wěn)定性。
分類
勵磁分類方法很多，比如按照發(fā)電機勵磁的交流電源供給方式來分類：
第一類是由與發(fā)電機同軸的交流勵磁機供電，稱為交流勵磁（他勵）系統(tǒng)，此系統(tǒng)又可分為四種方式：
（1）交流勵磁機（磁場旋轉）加靜止硅整流器（有刷）.
（4）交流勵磁機（電樞旋轉）加可控硅整流器（無刷）.
第二類是采用變壓器供電，稱為全靜態(tài)勵磁（自勵）系統(tǒng)，當勵磁變壓器接在發(fā)電機的機端或接在單元式發(fā)電機組的廠用電母線上，稱為自勵勵磁方式，把機端勵磁變壓器與發(fā)電機定子串聯(lián)的勵磁變流器結合起來向發(fā)電機轉子供電的稱為自復勵勵磁方式。這種結合方法也有四種：
（1）直流側并聯(lián)
（2）直流側串聯(lián)
（3）交流側并聯(lián)
（4）交流側串聯(lián)
裝置
（1）概述
勵磁裝置是指同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)中除勵磁電源以外的對勵磁電流能起控制和調節(jié)作用的電氣調控裝置。
勵磁系統(tǒng)是電站設備中不可缺少的部分。勵磁系統(tǒng)包括勵磁電源和勵磁裝置，其中勵磁電源的主體是勵磁機或勵磁變壓器；勵磁裝置則根據(jù)不同的規(guī)格、型號和使用要求，分別由調節(jié)屏、控制屏、滅磁屏和整流屏幾部分組合而成。
勵磁
勵磁裝置的使用，是當電力系統(tǒng)正常工作的情況下，維持同步發(fā)電機機端電壓于一給定的水平上，同時，還具有強行增磁、減磁和滅磁功能。對于采用勵磁變壓器作為勵磁電源的還具有整流功能。勵磁裝置可以單獨提供，亦可作為發(fā)電設備配套供應。
中小型水利發(fā)電設備已實施出口產品質量許可制度，未取得出口質量許可證的產品不準出口。
（2）種類和規(guī)格
勵磁裝置主要分為電磁型和半導體型兩大類。電磁型勵磁裝置主要用于以直流或交流勵磁機為勵磁電源的勵磁系統(tǒng)中，半導體型勵磁裝置既可以與勵磁機一起組成靜止（或旋轉）整流器勵磁系統(tǒng)，也可以與勵磁變壓器組成靜止勵磁系統(tǒng)。
任務
發(fā)電機勵磁系統(tǒng)任務：
（1）發(fā)電機并網前，調節(jié)發(fā)電機輸出的端電壓；
（3）提高同步發(fā)電機并列運行的靜、動態(tài)穩(wěn)定
靜態(tài)穩(wěn)定：采用靈敏快速的勵磁調節(jié)系統(tǒng)，可以提高發(fā)電機在小干擾下的穩(wěn)定性（靜態(tài)穩(wěn)定）；
動態(tài)穩(wěn)定：采用響應快速、頂值電壓較高的勵磁調節(jié)系統(tǒng)，可以提高發(fā)電機在的大擾動下的穩(wěn)定性（動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定）；
（4）發(fā)電機事故時，對轉子繞組迅速滅磁，以保護發(fā)電機的安全。
系統(tǒng)分類
發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類
（1）直流勵磁機勵磁系統(tǒng)多用于七十年代以前的中小型機組。
用于八十年代以后的大中小型機組（用量較少）。
（4）靜止可控硅自并激勵磁系統(tǒng)（“自并激”勵磁系統(tǒng)）多用于七十年代以后的水電機組、以及九十年代以后
的大中小型火電機組，系優(yōu)質勵磁系統(tǒng)。
技術指標
勵磁系統(tǒng)的主要技術指標
（1）當發(fā)電機的勵磁電壓和電流不超過額定勵磁電壓和電流的1.1倍時，勵磁系統(tǒng)保證連續(xù)運行。
（2）勵磁系統(tǒng)頂值電壓倍數(shù)≮ 1.6~1.8 （2.0）
（3）勵磁系統(tǒng)允許強勵時間≮ 10s ⒇
（4）勵磁系統(tǒng)電壓響應比（電壓上升速度）“自并激”系統(tǒng)≮ 3.5“三機”系統(tǒng)≮ 1.6~1.8 （2.0）
（5）電壓調整范圍70~110%
（6）電壓調整精度≤± 0.5 % （0.25%）
（7）調差范圍±10 % （15%）
（8）勵磁系統(tǒng)強行切除率≤ 0.1 %藍色數(shù)字為對一般勵磁系統(tǒng)的要求，紅色數(shù)字為對大型機組和優(yōu)質勵磁系統(tǒng)的要求。
常見故障
1、自復勵式勵磁故障
自復勵方式的勵磁系統(tǒng)雖然線路復雜、維護難度大、工作量大、對環(huán)境要求高，但是對靜態(tài)電壓的調節(jié)精度比較高，而且在發(fā)生短路的時，可以提供強勵電流，具有很強的電流補償作用。水電站采用雙繞組電抗分流勵磁系統(tǒng)，機組啟動之后，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機出口電壓三相不平衡，并網之后增加機組無功負荷，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的勵磁電流逐漸減小，最后使發(fā)電機處于欠勵磁運行狀態(tài)，進行檢查之后發(fā)現(xiàn)，勵磁線圈的主、副繞組相序出現(xiàn)了錯誤，導致機組無功負荷不斷增加時勵磁電流不斷減小。為了解決這一問題，工作人員要改正主、副繞組的相序，不斷提高檢修與驗收的質量。
2、勵磁變高壓熔斷器爆裂故障
水電機組在進行發(fā)電機組溫升試驗后進行停機操作，控制室外出現(xiàn)爆炸，隨后水電機組跳閘。在故障發(fā)生后，工作人員立即對機組勵磁系統(tǒng)、調速系統(tǒng)進行檢查，檢查勵磁變和主變回路，發(fā)現(xiàn)勵磁變的B相高壓熔斷器出現(xiàn)了爆裂，電壓互感器高壓側的三相熔斷器也全部炸裂，對熔斷器進行試驗與檢查后發(fā)現(xiàn)熔斷器存在質量問題，熔斷器的熔斷電流只有額定熔斷電流的一半。為了解決這一故障，需要將這種熔斷器更換成大容量熔斷器，保證熔斷器的質量，還要對勵磁系統(tǒng)進行全面系統(tǒng)的檢查，以防止類似事件的再次發(fā)生。
3、失磁故障
水電站勵磁系統(tǒng)發(fā)生失磁故障，保護動作以及錄波記錄顯示故障發(fā)生時轉子電壓下降的突變量發(fā)生明顯變化，從錄波起動開始，經過56ms后轉子電壓下降到0.400ms，最后變?yōu)樨撝?，在轉子電壓下降的同時電流和定子電壓發(fā)生了劇烈搖擺，之后出現(xiàn)保護動作。工作人員對勵磁功率電源的交流側開關進行了檢查，發(fā)現(xiàn)開關的輔助接點發(fā)生松動，松動造成開關處接觸電阻偏大，導致勵磁系統(tǒng)逆變滅磁后引發(fā)了失磁故障。為避免失磁故障發(fā)生，及時發(fā)現(xiàn)開關接點處的故障，可以在勵磁功率電源的交流側開關的輔助接點處安裝一個故障監(jiān)控錄波器，對這一部位加強監(jiān)控，同時要定期對這一輔助接點進行檢查，及時進行緊固，不斷提高輔助接點的可靠性，減少并預防失磁故障的發(fā)生。
故障處理
1、維護措施
（1）脈沖線絕緣防護。
可控硅擊穿的直接原因是其脈沖線竄入高壓。事后對其他可控硅脈沖線開展了絕緣檢查，并在脈沖線上增加絕緣套管，以消滅高壓竄入的可能性。
（2）定期除塵。
可控硅、脈沖變等元件積塵可能引起接頭之間的放電、局部短路，同時，元器件引線的積塵（特別是金屬性灰塵）也容易引起接頭之間的放電、短路。另外，如果灰塵量過大容易造成風道堵塞，這樣不利于功率柜散熱。因此，必須定期對整流柜濾網進行更換并利用內窺鏡來觀察柜內的積塵情況，以便在對設備檢修時進行全面清掃，保持柜內良好的通風環(huán)境。
（3）修改保護定值。事故過程中，勵磁變過流保護動作整定時間為 5s，不能起到有效的保護作用。通過分析計算，增加勵磁變限時速斷保護，整定時間設為 0.1s，這樣能有效迅速地切除故障，并限制事故的進一步發(fā)展。
2、運行措施
（1）日常巡檢。
運行人員在日常巡檢過程中應對勵磁系統(tǒng)進行重點巡視，必須做到對重點部位仔細巡視，在汛期機組大發(fā)電期間，應注意觀察勵磁系統(tǒng)的溫度，并將觀測到的情況同監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測結果進行對比分析。同時，在機組檢修結束后，應和檢修人員一起對勵磁功率柜的內部進行檢查，保證勵磁功率柜內部的衛(wèi)生。
（2）合理安排機組運行方式。在機組故障消除后，對發(fā)生的事故機組要合理安排運行方式。由于勵磁系統(tǒng)更換了重要設備，因此在調整機組無功、進相和遲相運行時，必須注意觀察其變化情況，并與其他機組的狀況進行對比分析。必須定期對機組運行方式進行調整，以確保故障機組在實施維護后可以正常運行。
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作者
