淺析同步發電機的勵磁系統

劉元斌 李輝

摘要：國民經濟的迅猛發展使得當前人們對電力系統運行狀態的關注度較高，需要功能完善的同步發電機勵磁系統為電力系統運行進行控制與保護。本文基于蘭州石化勵磁系統，對同步發電機的勵磁系統所發揮的作用進行概述，并提出了關于勵磁系統非正常運行時的調節方法，希望為相關企業的系統運維提供借鑒。

關鍵詞：同步發電機;勵磁系統;勵磁調節

引言：隨著社會生產與生活對電能需求量的增大，我國的發電行業正積極進行發電系統的優化與改造，數據表示，2019年我國社會用電總量為72255億千瓦時，發電總量為7503.4TWh，其中同步發電機的勵磁系統在發電過程中的控制作用不容小覷，隨著發電量的不斷增大，需要系統平穩運行才能更好的發揮其作用。

1設備概況

勵磁系統指的是同步發電機勵磁電流所控制、保護的電源和其他相關設備的總和，對安全生產與經濟效益的提升都至關重要，中國石油蘭州石化煉油廠300萬噸/年重油催化裝置（以下稱300萬重催）1#發電機的勵磁系統，即在國家發展新常態背景下進行了全面的升級與改造。

其原有勵磁系統是從2003年開始投用的上海發電設備成套設計研究院（以下簡稱上海成套院）所生產的DERS-4B型號國產勵磁系統，隨著生產壓力的逐漸加大，該勵磁系統內部電子元器件老化嚴重運行狀態不穩定，保護裝置性能失靈，給企業生產帶來了極大的負面影響。當前蘭州石化采用的是ABB上海發電機成套設計院所研發的勵磁系統（主電路圖如下所示），其勵磁調節裝置具有高質量、高可靠性、調試時間短、維護時間短的應用優勢，適用于國內300MW及以下等級機組的三機勵磁方式。

2同步發電機的勵磁系統的作用

2.1控制機端電壓分配無功功率

當生產作業中的發電機系統正常運行時，勵磁系統應對機端電壓進行給定水平的維持，如果系統發生運行不穩定的現象，此時勵磁系統能夠利用勵磁電流的調節作用促使機端電壓始終保持在額定值，避免機端電壓超過負荷，給發電機造成不良影響。發電機運行過程中會形成有功功率與無功功率，當其正常運行時其有功功率會由原動機所決定和分配，而無功功率此時會被勵磁電流所影響，對并聯運行過程的發電機組無功功率進行合理的分配，避免機端電壓受到影響。

2.2確保發電機運行穩定

一般發電機組都會采用并聯運行的方式進行工作，此種方式下機組的正常有序運行會受到多重因素的影響，從而降低發電的穩定性，給企業用電帶來負面影響。靜態穩定法主要指的是當電力系統運行狀況受到影響時，發電機機組不會因失穩現象而產生非周期失步的情況，同時能夠逐漸自動恢復到穩定運行的狀態，在勵磁系統的調解下，這種靜態穩定的能力將被大幅提升，必要時還能夠通過提高強勵倍數而改善系統的暫態穩定性能，從而為發電機運行穩定提供保障。

2.3增強繼電保護性能

勵磁系統能夠有效增強發電機系統的繼電保護性能，當電力系統處于低負荷運行狀態時，發電機自身的勵磁電流相對較小，一旦發生短路現象，將導致繼電保護裝置無法接收到故障信息，不能對系統進行安全保護。在勵磁調控系統的支撐下，能夠對發電機進行強勵的調節，以此來推動電力系統正常穩定運行，促使短路電流有效增強，從而提高繼電保護裝置所發揮的作用。

2.4優化電力系統運行條件

由于發電機的運行環境相對比較惡劣，在一定情況下會影響電力系統的運行條件，使其無法實現標準化的運行狀態。通過發電機勵磁系統的調節，能夠有效改善電力系統的運行狀態，一般可通過增加勵磁強行勵磁以及強行減磁的方式為其正常運行創造條件，以此實現發電機的失磁異步運行、電機自啟動并避免過電壓情況的產生，從而達到改善電力系統運行狀態的目的[1]。

3 300萬重催1#機非正常運行方式下的勵磁調節

3.1發電機進相運行時的勵磁調節

發電機進相運行時，其電流I超前于端電壓U，有功功率P﹥0，而無功功率Q﹤0（即從向系統提供無功功率變為了吸收系統的無功功率）。進相運行將導致：①發電機失穩運行甚至系統震蕩事故;②發電機端部漏磁通的發熱;③發電機出口電壓降低，甚至導致煉油廠區中1變電站系統電壓的降低。可見，控制發電機的進相運行，不僅對300萬催化裝置，對整個煉油廠區都尤為重要。當300萬1#機發生進相運行時，可按下列順序處理：①通過1#主機室的勵磁控制柜對勵磁系統進行增勵操作，將發電機調整至遲相運行;②檢查有功、無功的變化情況，判斷是否是向系統提供無功而非向系統吸收無功;③如在自行運行方式下，將發電機不能調整至遲相運行，應轉為手動運行方式下進行上述調整。

3.2發電機過負荷運行時的勵磁調節

發電機的過負荷運行是指發電機的定子電流和轉子電流超過了額定值的運行。可能引起短時過負荷的原因是系統發生短路故障、發電機失磁運行、強行勵磁裝置動作以及成群電機啟動等。過負荷運行的危害是，發電機繞組的溫度會超過允許值，若過負荷數值較大，時間也較長的話，將引起發電機繞組絕緣加速老化，甚至因溫度過高而造成發電機機械損壞;300萬重催1#機如果損壞，造成機經濟損失將是巨大的。1#機過負荷運行時，可將勵磁系統進行如下調節：通過1#主機室的勵磁控制柜減少勵磁，降低無功負荷，從而減少定子電流，在此過程中要注意發電機電壓不能低于規定值。

3.3發電機失磁時的勵磁調節

發電機如果發生失磁，以我廠300萬重催1#主機室為例，現場的表計將可能發生的現象有：①轉子電流表的示值降為零或降到接近于零;②定子電流表指針擺動并且指示增大;③有功功率表指示較小且指針擺動;④無功功率表指示負值，功率因數表指示進相，發電機母線電壓表示值下降并擺動;⑤發電機轉子各部分溫度升高。300萬重催1#機若發生上述現象時，應盡快增加勵磁，若經過多次增加勵磁后，發電機轉子勵磁仍然不能恢復，運行人員應立即手動將機組解列，避免引起整個廠區電網電壓的崩潰。

3.4發電機失步時的勵磁調節

發電機發生震蕩或失步時，其電磁功率減小，在轉子上出現轉矩不平衡，過剩的機械轉矩驅使發電機加速，轉子超出同步轉速運行，即出現了失步，最終導致異步運行。300萬重催1#主機發生失步時，定子電流指示超出正常值，且往復劇烈擺動;定子電壓表低于正常值，且往復擺動;有功負荷及無功負荷大幅度劇烈擺動;轉子電壓和電流表指針在正常值附近擺動。運行人員應立即增加發電機勵磁電流，提高發電機電勢，以增加發電機的穩定性。如果是由于發電機功率因數過高引起，則應降低有功功率，同時增加勵磁電流。

結論：綜上所述，同步發電機勵磁系統對電力系統運行穩定安全有著積極的推動作用，隨著國家對供電方面重視程度的提高，當前電力系統正逐漸升級，對勵磁系統進行升級與改造是企業改善電力系統運行環境的重要方法，并需要企業切實按照相關運行規范嚴格進行勵磁操作，以此來為電力系統正常運行提供保障。

參考文獻：

[1]王道云. 同步發電機勵磁控制系統智能優化研究[D].山東大學，2019.

[2]范曉明.同步發電機勵磁控制系統的應用研究[J].電工技術，2018（20）：70-71.