励磁系统性能指标及可靠性研究

苏超 李刚刚 贺超逸

摘要：在交流同步发电机的演变过程中，励磁系统己逐渐成为其核心。当今，在运行和新设计的中大型同步发电机中常用的励磁方式主要有他励式和自并励静止励磁方式，他励式又分为同轴直流励磁和同轴交流励磁方式。而直流励磁方式一般用于中小型机组，多见于七十年代以前，因此结合目前大型汽轮发电机主要的两种励磁方式，即无刷励磁和自并励静止励磁的结构及其主要性能进行研究。

关键词：励磁;系统性能;可靠性

我国发电机在历经数年的发展后，如今发电机容量已从最初的6MW发展到目前开发研制的1800MW，实际应用的励磁方式也有多种，从早期只有同轴直流励磁的方式到目前开发的1800MW核电发电机配套的无刷励磁的励磁方式。不同的励磁方式各具优势：其中，同轴交流励磁方式中的无刷励磁方式稳定性好，能有效改善发电机运行中可能出现的机端短路所造成的危害，从而提高系统的静稳、动稳及暂稳特性，但其运行中需要旋转，且部件较多，使得转子轴系变长，对发电机组的振动平衡产生影响，且发电机磁场的灭磁功能相对较差。自并励静止励磁系统（含集电环装置）的结构简单，机组的轴系长度短，降低了基础设施和主机检修维护的成本，励磁电压从发电机机端获取，响应时长短，由可控硅元件直接控制转子电压。在发电机组出现甩负荷问题时，机组的过电压要比同轴的励磁系统低。但如果发电机出口端短路故障，故障清除時间较长，自并励静止励磁系统表现出不足的强励能力，维持电力系统稳定性方面不如旋转整流无刷励磁方式。

1无刷励磁系统可靠性分析

在无刷旋转整流励磁系统中，无刷励磁发电机的励磁电源不依赖于发电机的极端电压，而是由旋转整流装置和无刷交流励磁构成。电流通过电枢、整流盘、转子线圈，实现了对发电机的励磁。因此无刷励磁发电机的励磁电源不依赖于发电机的机端电压，不受电力系统扰动的影响。

无刷励磁机的强励顶值及高起始响应特性在电力系统发生扰动时进行励磁调节，有效地提高电力系统的稳定性，该特性在单机大容量发电机动态和暂态稳定中，尤为突出。有研究表明：尽管在提高发电机与系统并列运行的动态和暂态稳定性方面可以有多种措施，如长线串联补偿电容或继电保护快速切除短路或自动重合闸装置等，但采用快速自动调节励磁和强行励磁方法是最经济和最有效的。

且无刷励磁机的整流盘设计选用合理，有大余量的电流和电压，发电机的运行可靠性大大增加。励磁绕组、电枢、整流组件之间无任何接触部件，正因为如此，使得转子电流免受来自这些部件技术条件的约束，所以比较适合较大容量发电机组。励磁电流通入发电机转子，使得电流强度难以测量，需通过电压相关参数计算得出，所以计算出的电流可能会存在一定的偏差。

2自并励静止励磁系统可靠性分析

自并励静止励磁系统的励磁电源来自发电机机端电压，属于高起始励磁系统，反应时长短。从励磁电源到发电机励磁绕组之间没有大的惯性环节，能更好的抑制发电机突甩负荷后定子过电压水平。转子励磁电压和励磁电流易于获得，并获得较精确的数值。自并励励磁系统没有旋转部件，机组轴系简化，安全性与运行可靠性提高。但自并励整流系统必须依靠外部提供的起励电源，当外部系统出现扰动时对自并励静止励磁系统影响较大，机端自并励整流系统强励时则受到发电机端电压下降的影响，可能会造成励磁系统过电流。因此不适宜在单机单网、自备电厂中使用。静态自并励励磁系统的三相短路故障切除时间较长，强行励磁能力不足，不利于电力系统的暂态稳定性，需要对后备保护进行改动。另外它还有一个较大的薄弱环节一一滑环。滑环属于滑动接触元件，转子电流会因为发电机容量的增大而增大，所以存在滑环通流极限的限制，也给滑环的正常运行和维护带来了困难。

3大型同步汽轮发电机励磁系统其它特性分析

3.1经济性

无刷励磁机本身，轴系长，包含电枢线圈、整流盘、二极管等多个部件，造价较高，电厂厂房等成本也会相应增加。而集电环可以适当缩短厂房跨距，不需要励磁机基础，节约投资。

3.2维护检修

无刷励磁系统没有电刷，从而规避了因为电刷接触不良而发热的问题，也不会出现电火花，烧坏设备。发电机端部没有磨损、清洁度高，维护工作量小，适用于防爆场合。无刷励磁系统的旋转整流装置中一旦有故障产生，必须停机后检修，维修成本高，并且还有可能影响机组的正常运行。而机端自并励整流系统厂家在设计时有的会具备单柜退出更换功率元件的功能，便于不停机维护。集电环装置缺点主要是由于电刷的存在，使得接触电阻增大，如果励磁电流不断增大，电刷和滑环有可能会因为接触不良导致持续发热，严重时可能会产生环火，烧坏滑环及刷架，如果电刷质量较差，会严重影响到正常运行，产生较高的故障率。此外，磨损产生的碳粉末不仅影响环境卫生，还污染轴承座，损害绝缘，产生安全隐患。由于电刷存在磨损，运行人员要经常巡视、更换电刷，大大增加了日常维护的工作量。但集电环装置没有旋转设备，检修方便，工作量小。

3.3轴电压

因自并励静止系统存在300HZ锯齿波形和油膜对地分布电容，从而形成轴对地电压。经实测，当轴对地的峰值电压可达35V以上，如不采取措施，可能因击穿油膜而损坏轴承和轴瓦，设置在整流装置的电阻，电容形成轴电压抑制器控制。无刷励磁系统产生的轴电压非常小，影响可以忽略不计。

3.4灭磁方面

当发生电气短路或接地故障的情况下，为减小故障带来的损失，发变组应尽快将故障清除。由于自并励静止励磁系统具有灭磁开关，可以对发电机转子励磁线路进行直接灭磁，因而灭磁时间短。而无刷励磁系统，不可能设置发电机磁场灭磁开关，因而不能对发电机转子励磁回路直接灭磁，只能自然衰减灭磁，灭磁时间长，故障电流衰减慢，延长发电机内部故障的时间。如果没有发电机出口断路器，主变压器的内部故障，由于发电机的故障电流的慢衰减，可以持续更长的时间。

参考文献

[1]穆德实，孙辅晨.大型发电机励磁系统选型及最佳调节规律选择[J].大电机技术，2000，04：50-56.

[2]李顺，刘念，黄大可，潘荣超.大型发电机励磁系统新技术研究[J].东方电机，2013，05：45-49.

[3]王超.大型汽轮发电机励磁系统新规程的解析[J].电站系统工程，2014，02：76-77.