基于自并勵靜止勵磁系統起勵失敗原因的探索

范 杰

摘要：同步發電機的勵磁系統是一個非線性、強干擾而且模型十分復雜的系統，本文在綜合分析同步發電機起勵方式的基礎上，重點分析了自并勵靜止勵磁系統的起勵的全過程，對其起勵的失敗原因進行進一步的探索，并對其相應的處理方法進行了有益的研究。

關鍵詞：同步發電機起勵方式；自并勵靜止勵磁系統；起勵失敗原因分析

現代同步發電機勵磁系統中，接線方式雖然種類繁多，但就其勵磁能源的供電方式而言，基本上可將其分為兩大類：一是，能源取自主機軸端的旋轉交流勵磁系統，二是，變壓器供電的靜止勵磁系統。旋轉交流勵磁系統的典型運作方式是發電機的勵磁電流主要由同軸100Hz 主勵磁機以及500Hz 副勵磁機供給，其運作優點是工作穩定可靠、受外界影響較小、勵磁的響應比高，但是存在成本較大高、維護量大、交流主勵磁機勵磁的時間常數較大的缺陷。

一、同步發電機的三種起勵方式

同步發電機的起勵控制是勵磁調節器中的重要組成部分。同步發電機的起勵方式主要有3 種：UF 方式，α 方式以及恒IL 方式。其中，α 起勵方式只能在他勵的方式下才有效果，而UF 起勵方式和恒IL 起勵方式都可以在他勵或者自并勵2 種勵磁方式下產生效果。

(1) 恒UF 起勵方式，現代勵磁調節器通常有設定電壓起勵和跟蹤系統電壓起勵2 種起勵方式。設定電壓起勵是由運行人員手動設定電壓值，起勵后發電機的電壓穩定在設定的電壓水平上。跟蹤系統電壓起勵是電壓值自動跟蹤系統電壓，人工不能干預，起勵后的發電機電壓穩定在與系統電壓相同的電壓水平上，有效跟蹤范圍為(85 % ～ 115 %) 額定電壓。跟蹤系統電壓起勵方式是發電機正常發電運行默認的起勵方式，而設定電壓起勵方式通常用于勵磁系統的調試試驗。

(2) 恒IL 起勵方式，是一種用于試驗的起勵方式，其電壓設定值由程序自動設定，人工不能干預，起勵后的發電機電壓一般約為20 % 額定電壓。

(3) α起勵方式，只適用于他勵勵磁方式，可以做到從零電壓或殘壓開始，由人工調節逐漸增加勵磁，完成起勵建壓的任務。

二、自并勵靜止勵磁系統的起勵過程

自并勵靜止勵磁系統的起勵過程主要可以分為設置：起勵標志、起勵、清除起勵標志3 個不同階段。

（一）設置起勵標志

自并勵靜止勵磁系統要在同時滿足以下5 個條件的時候才能夠設置起勵標志：

(1) 發電機滿足尚未起勵，即發電機機端電壓和/或勵磁電流滿足小于一定數值的情況即可認為尚未起勵；

(2) 沒有外部滅磁的指令，即無逆變滅磁的標志；

(3) 發電機的轉速大于47 Hz 而且小于53 Hz ；

(4) 沒有起勵失敗的標志；

(5) 沒有起勵的標志。

（二）起勵

當起勵標志有效之后，勵磁調節器便會開始執行起勵的任務。勵磁調節器要控制回路正常工作所需要的整流橋的輸入電壓一般要為5 V。當機組轉速達到95 % 的額定轉速時，勵磁調節器就會收到開機指令，當在整流橋輸入的電壓大于或等于5 V 時，勵磁調節器將會使用殘壓起勵。對低壓機組的小型發電機來說，發電機可直接取出剩磁電壓來作為起勵的電源，在發電機起勵之前能夠產生足夠使晶閘管導通的脈沖信號，進而促使勵磁系統為轉子提供穩定的勵磁電流，使發電機電壓能夠正常地建立起來。這個過程叫就做殘壓起勵。然而，有的時候發電機轉子鐵芯剩磁低，形成的殘壓小，整流橋輸入電壓小于5 V，導致同步電壓太低，勵磁調節器無法形成觸發脈沖，也就無法導通勵磁回路、建立電壓。在這種情況下，需要外加起勵的引導電源。特別是對于自并勵勵磁系統而言，由于是采用機端勵磁的電源，僅靠發電機剩磁并無法構建電壓，這就要求外加起勵電源。

自并勵勵磁系統一般的動作條件是：機組達到設定的轉速后( 汽輪機為3 000 r/min，水輪機為95 % 額定轉速)，勵磁系統由等待狀態轉入空載建壓，如果勵磁調節器檢測殘壓低于額定的2 % 時或5 s 內建壓不成功，則由滅磁柜配置的智能檢測顯示裝置自動投入輔助起勵電源，發電機開始起勵，待檢測到機端電壓達到設定值( 一般是20 % 機端額定電壓)或初勵動作時間達到8 s 后，自動退出初勵，由勵磁調節器自動升壓到額定值。調節器的軟起勵，用于防止機端電壓的起勵超調。勵磁調節器接到開機令后開始起勵升壓，當機端電壓大于10 % 額定值后，調節器以可設定的速度增加給定值，使機端電壓逐步上升到額定值。整個起勵過程的控制和檢測都是由AVR 軟件實現的。

（三）清除起勵標志

起勵成功之后，把起勵標志清除，那么起勵過程也隨之結束。值得注意的是，起勵成功的標志指的是，發電機的端電壓和/ 或勵磁電流不小于一定數值，并且有效起勵的規定時間一般為不超過5 s。當滿足以下2個條件的時候可以清除起勵標志：(1) 具有起勵標志的時候；(2) 起勵成功、起勵失敗或者有滅磁的標志。

三、自并勵勵磁系統基本的動作條件

自并勵勵磁系統基本的動作條件是：機組達到標準設定的轉速之后(一般而言，汽輪機為3 000 r/min，水輪機為95 % 額定轉速)，勵磁系統就會由原先的等待狀態轉入到空載建壓，若勵磁調節器的檢測殘壓低于標準額定的2 % 時或者5 s 內勵磁系統建壓不成功，將會由滅磁柜配置的智能檢測顯示出裝置將自動投入到輔助起勵電源，發電機開始起勵，待檢測到機端電壓達到設定值(一般是20 % 機端額定電壓)或初勵動作時間達到8 s 后，自動退出初勵，由勵磁調節器自動升壓到額定值。調節器的軟起勵，用來防止機端電壓的起勵超調，導致起勵失敗。勵磁調節器接到開機指示令后將會開始起勵升壓，當機端電壓大于10 % 的額定值之后，調節器就按照設定的速度增加到給定值，從而使得機端電壓逐漸上升到額定值。在這個階段中，整個起勵的過程控制和檢測都是由AVR 軟件來得以實現的。

四、起勵失敗常見原因分析

起勵失敗的標志為，在起勵標志有效后的規定時間內，同步發電機沒有起勵成功，那么起勵宣告失敗。導致發電機起勵失敗的主要原因可能有：

(1) 殘壓起勵的發電機殘磁不足，可能由發電機停機的時間過長而導致的；

(2)起勵電源消失或控制回路斷線。

(3) 外加的起勵電源容量不足或者起勵磁場與剩磁的方向相反；

(4)失磁壓板、勵磁系統故障、緊急跳槽未復歸。

(5) 勵磁的功率單元主回路或者晶閘管觸發脈沖回路；

(6)勵磁PT 高壓或低壓熔斷器故障；

(7)同步變后無信號

(8) 勵磁調節器發生故障，起勵程序沒辦法繼續進行；

(9) 發電機有問題，如轉子內部開路、短路或者斷路；

(10) 滅磁開關損壞，轉子的絕緣太低，起勵主回路或者起勵控制的回路產生故障，由直流起勵引起的電源刀閘未合，起勵接觸器工作運行不正常，起始電壓過低等；

(11) 熱工閉鎖（如斷水保護）。

(12) 轉速未達到95 %的 額定轉速。

五、自并勵勵磁系統起勵失敗的排查

要明確當勵磁起勵失敗后，要根據故障的現象進行仔細排查和分析，在未查清楚失敗原因之前絕對不得再次起勵。

(1) 檢查直流起勵的電源的刀閘是否投入使用，電壓是否正常、穩定；

(2) 檢查起勵的電源保險是否已經熔斷；

(3) 檢查發電機的轉子及碳刷、引線絕緣是否良好，是否損壞

(4) 檢查勵磁調節器上是否存在其他的故障；

(5) 機組的轉速是否穩定在95%的額定轉速以上；

六、自并勵勵磁系統的評價

綜合以上的分析，可以得出自并勵勵磁系統運行可靠、穩定而且可縮短主機的長度，設備比較少，同時可以減輕運行時的噪聲，自并勵靜止勵磁系統起勵過程比較安全可靠。自并勵系統的缺點是：當發電機機端三相短路而且故障切除時間比較長時，顯得強勵能力不夠，起勵過程中機組的轉速比較難以穩定在95 % 的額定轉速以上，不利于電力系統的暫時穩定，發電機的后備保護系統因起勵電源的變動而顯得復雜。

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