相復勵勵磁系統功率源斷線故障現象及原因分析

鞏 潔，魏雨谷

相復勵勵磁系統功率源斷線故障現象及原因分析

鞏 潔，魏雨谷

（中船重工電機科技股份有限公司，太原 030027）

勵磁電流的輸出是通過主機、勵磁機、勵磁器件和自動電壓調節器AVR共同作用來提供，AVR功率源的穩定對整個系統穩定性的至關重要。本文結合相復勵勵磁系統功率源斷線后引發的一系列故障現象，分析了各個故障現象產生的原因，并實現了故障復現。

發電機 相復勵勵磁系統 自動電壓調節器

1 故障現象概述

由我公司承制的某型相復勵勵磁系統發電機在聯調試驗中，帶100%負載運行時突然發生電壓下跌導致主開關跳閘，重新起機后空載電壓由原先的396 V升高至405 V，通過外附電位器調節電壓不起作用。通過故障發生的電壓波形可以看出，發電機電壓由385 V下跌到200 V左右（且是個瞬間過程），約3 s后電壓升高至405V。主開關異常跳閘后，我們現場檢查了發電機內部可視部分及各器件接線情況，均無異常；更換自動電壓調節器（以下簡稱AVR）、電抗器、整流變壓器等器件，故障現象仍存在。最后檢查發電機主匯流排處的線路時，發現V相匯流排電源信號線端子斷開（見圖1中圈I處），重新接好V相引線后，發電機空載電壓恢復正常且可調節，帶載運行也一切正常，上述問題得到解決。此次故障原因為發電機V相匯流排電源信號線端子斷開所致。

2 故障現象原因分析及試驗模擬

2.1 相復勵系統及AVR工作原理

該發電機采用相復勵勵磁系統（見圖1），該系統從發電機輸出端獲取一定的功率，同時取三相電壓和電流信號以及它們之間的相位信號，按一定的方式耦合經整流及調控后為勵磁機提供一合適的勵磁電流，從而實現發電機的恒壓輸出，主要包括相復勵裝置和AVR兩部分。相復勵裝置從發電機輸出端取三相電壓經電抗器L1移相產生勵磁電流的空載分量（I），并將該電流分量送入整流變壓器T6的原邊；從發電機輸出端通過電流互感器T1、T2、T3取發電機電流信號，該電流即為勵磁電流的負載分量（I），將其輸入T6副邊的線圈中，T6將空載分量和負載分量電磁耦合后經帶功率組件的AVR整流后即為發電機所需的勵磁電流。同時，AVR從發電機出線端V、W相取電壓信號經變壓器降壓后與電位器上電壓矢量迭加輸入整流橋交流側進行整流，整流后的電壓一方面作為AVR的取樣信號，另一方面為整個線路板提供工作電源和基準電壓信號。

理論上只要勵磁裝置各器件參數設計合理即可實現發電機的恒壓輸出，但實際上勵磁裝置只是提供一個適當的勵磁電流，更精確的調整需要靠帶功率組件的AVR來實現。AVR的調整是通過一個分流回路將勵磁裝置產生的勵磁電流來分掉一小部分，而分掉這部分電流的大小取決于發電機輸出電壓的高低。若輸出電壓高于整定值，則AVR分流就增大，使發電機端電壓下降；反之則分流減小使端電壓升高。為保證AVR能夠起到分流控制作用，就需要在AVR不起作用時，在整個負載范圍內勵磁裝置提供的勵磁電流必須大于發電機所需的勵磁電流，也就是在AVR不起作用時，整個負載范圍內發電機的端電壓必須高于其整定值，這樣才能有一小部分勵磁電流供AVR來分掉。

圖1 相復勵勵磁系統原理圖

2.2 電壓突然下跌原因分析

根據“2.1相復勵系統及AVR工作原理”可知，當AVR功率電源斷開后，AVR不能分流，發電機工作所需的勵磁電流由勵磁裝置提供，而勵磁裝置在AVR不起作用時提供的勵磁電流大于發電機所需的勵磁電流，所以發電機電壓應該升高。而此次故障現象卻是發電機電壓短暫下跌后再升高，要分析清楚這一短暫過程整套勵磁系統的工作狀態，首先需了解相復勵勵磁裝置的自勵過程（不帶AVR）。

2.2.1相復勵勵磁裝置自勵過程

根據《電機學》及相關勵磁系統文獻可知，自勵恒壓同步發電機的自勵過程是一種瞬態相應過程，自勵系統是一種直接反饋系統，對同步發電機來說，即其輸出信號由輸出端經整流裝置后，返回到輸入端的一種系統；就性質而言，自勵也是一種正反饋作用，其輸出量返回到輸入端會加強系統的輸入量，所以同步發電機的自勵都是依靠正反饋作用激發自勵，建立電壓的過程，在某些電磁量之間，必須滿足物理上的約束和具有一定的數學關系。

2.2.2自勵系統的簡易數學模型

根據電機磁路特性，發電機空載特性曲線可表示為：

若忽略勵磁裝置的壓降，空載電壓按正弦規律變化，則自勵過程的方程式為：

顯然式（2）所表達的自勵過程的非線性的，難以求解，作一些假定，可近似的求解為：

式（3）中的0與i又滿足式（1）所表示的空載特性，因此自勵過程的運動方程式可近似表示為：

從式（4）可以看出，發電機的自勵過程是一個由多種元素構成的復雜方程式，發電機在正常運行時，任一變量的變化都會使整個勵磁系統不穩定，輕者電壓下跌、不穩定；重者發電機自勵不正常，不能建立起空載電壓。而此次功率源斷線后表面是AVR失去功率源不能正常工作，但瞬間斷線過程產生的電磁反映也使發電機的勵磁裝置工作穩定性被打破，所以出現了電壓瞬間跌落的故障現象。

2.3 斷線穩定后電壓不可調及上升原因分析

根據“2.1相復勵系統及AVR工作原理”可知，當V相斷開后，AVR失去功率電源不能工作，重新起機后再通過外附電位器調節電壓時，出現了電壓不可調故障；而此時發電機的勵磁電流由勵磁裝置提供，而勵磁裝置提供的勵磁電流大于發電機所需的勵磁電流，所以發電機電壓會升高。

2.4 電壓突然下跌原因試驗模擬

在與故障現象同型號的相復勵系統發電機V相匯流排電源信號線間接入開關，進行帶100%負載試驗。在試驗過程中突然斷開開關，用示波器對電壓波形進行記錄，通過圖2可以看出，在開關斷開瞬間，發電機電壓突然下跌，由396.5 V跌至350.7V，與聯調現場故障現象基本一致（電壓下跌值的大小與具體發電機的特性有關）。

同時，在不同負載下，對V相斷線前后的勵磁電流進行了測量，具體數值見表1。

圖2 試驗模擬故障波形

表1

狀態電壓(V)電流(A)勵磁電流(A) 空載正常接線390.501.13 斷開V相397.501.29 330 kW正常接線390.1578.22.45 斷開V相408.2583.62.92 625 kW正常接線390.21157.24.04 斷開V相408.81163.54.50 937 kW正常接線389.81735.25.60 斷開V相403.51736.45.88 1250 kW正常接線389.72313.57.28 斷開V相408.82314.37.76

從表1可以看出，在同樣的負載工況下， V相斷線后，發電機電壓和勵磁電流均大于正常接線的電壓和電流值，和故障產品的現象一致。

3 結論

相復勵勵磁系統勵磁裝置多、AVR控制回路復雜，任一器件的故障都會造成發電機不能正常工作，只有充分掌握相復勵勵磁系統工作原理，才能在處理具體的故障現象準確定位，避免問題的進一步擴大。

[1] 許實章. 電機學[M]. 北京: 機械工業出版社, 1985.

[2] 陳世坤. 電機設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 1982.

[3] 姚守猷, 張世棟. 自勵恒壓同步發電機的勵磁系統[M]. 北京: 機械工業出版社,2005.

Analysis of the Failure Phenomenon and Cause of Power Source Disconnection in THYRIPART Excitation System

Gong Jie,Wei Yugu

(Electrical Machinery Science﹠Technology Co.,Ltd, CSIC, Taiyuan 030027, China)

TM31

A

1003-4862（2019）10-0025-03

2019-04-03

鞏潔（1986-），女，工程師，從事電機設計及試驗。E-mail：420261983@qq.com