發電機勵磁的作用與故障分析

國能大渡河瀑布溝水力發電總廠 花振國 劉 鶴

同步發電機通過勵磁的自動調節實現恒壓，勵磁的自動調節方式種類繁多，但按其自動調節原理分為三類：負反饋。優點是靜態調壓指標高、調壓特性曲線線性度好，缺點是動態特性差；擾動調節。優點是動態特性好，缺點是調壓特性曲線線性度差；復式調節。兼有上述兩種調節原理的優點。

1 自勵恒壓式勵磁系統的作用

在早期的電力系統運行中勵磁系統的任務比較單一，主要是調節電網的電壓和無功分布，常稱為調壓器。現代電網中自動勵磁調節系統需要完成更加復雜的任務。

1.1 維持發電機端電壓在一定水平

正常運行工作情況下，電力負荷總是在不斷變化。負荷容量以及功率因數不同，對電機的電樞反應是不同的，電機內容阻抗壓降也是不同的。要維持其端電壓在一定水平，必須根據負荷大與性質適時調節勵磁。

由圖1可得，Eq與UG關系為Eq=UG+jIGXd、EqcosδG=UG+jIQXd，式中：Eq為發電機空載電勢；UG為發電機受端電壓；IG為發電機負荷電流；IQ為發電機負荷電流；Xd為發電機d 軸感抗；cosδG為Eq與UG夾角。通常情況下δG非常小，可認為cosδG≈1，上式簡化為：Eq≈UG+jIGXd。通常情況下，電網電壓UG與阻抗Xd可認為不變，負荷電流的無功電流IQ是造成幅值差的主要原因，IQ越大差異也就越大。

圖1 同步發電機運行矢量圖

1.2 控制并聯運行發電機間無功功率的分配

同步發電機勵磁系統關于無功功率分配為：同步電機與無窮大系統母線并聯運行和并聯運行各發電機間無功功率的分配兩種情況[1]。同步電機與無窮大系統并聯如圖2。

圖2 同步發電機與無窮大系統并聯運行

由于發電機發出有功率和系統負荷相同，需保持恒定，因此勵磁電流變化不應影響有功輸出，則有：PG=UGIGcosφ=常數，式中：PG為發電機有功功率；φ 為功率因數，UG與IG之間夾角；PG與UG為定值，則有IG=cosφ=k1，IG的端點沿著BB'虛線上變化。Eqsinδ=IGxdcosφ ?Eqsinδ=K2，Eq的端點沿著AA'虛線上變化。由上面分析，與無窮大母線并聯運行的機組，調節它的勵磁電流可以改變發電機的無功功率的數值。

以兩臺同步發電機并聯運行分析無功分配問題，如圖3所示，發電機G1和G2的端電壓等于母線電壓UM1。當電壓為UM1時無功電流有關系為IQ=IQ1+IQ2；當電壓為UM2時，G1發出的無功電流IQ1比G2發出的無功電流IQ2大。若電網的無功負荷增加，發電機需要增加無功電流輸出，母線電壓調整為UM2，此時無功電流有關系為I'Q=I'Q1+I'Q2；當電壓為UM2時，G1發出的無功電流增量ΔIQ1比G2發出的無功電流ΔIQ2大，負荷改變前后在兩發電機之間無功電流的分配比例不一樣，分配比例取決于發電機的外特性，曲線越平分的越多。

圖3 并聯運行同步發電機間無功分配

上述解釋無功電流的分配規律，最終目的是運用規律實現無功的合理分配。一般情況下希望大容量機組分擔無功增量大一些，小容量機組分擔無功增量小一些。

1.3 提高電網靜態穩定性

當同步發電機（以隱極式為例）無自動勵磁調節時，發電機電勢Eq為定值，Eq處的功率為：靜態功率極限在功角δ=90°時PG=EqU/X∑sinδ，式中：X∑為系統總電抗，Eq與U 是定值，功角特性（又稱：內功率特性）是關于δ的正弦函數（圖4）。當δ=90°時PG取得最大值，稱為功率極限PGm=EqU/X∑。若保持Eq不變，Eq隨著虛線向功角δ增大方向Eq1移動，發電機端電壓要減小（圖5）。

圖4 隱極式發電機的功率特性

圖5 δ增加時發電機端電壓的變化

若有發電機裝有自動勵磁調節器，δ增加時UG下降，調節器增大勵磁使Eq1增大，直到發電機端電壓近似UG為常數（圖6）。UG為常數UG0時，曲線在δ＞90℃時一定范圍任在上升，在于90℃區域稱為人工穩定區，提高同步發電機的靜態穩定性。

圖6 自動調節勵磁對功率特性的影響

1.4 改善系統的暫態穩定性

暫態穩定性指電網經大擾動（如三相短路）后回復到新的或原來穩定運行點能力。如圖7所示，故障時和故障后由于勵磁系統的作用使 上升、Pmax 增大，功角特性曲線Ⅱ和Ⅲ幅值增加，使加速面積abce 減小、減速面積defg 增小，從而實現電網暫態穩定性改善。

圖7 發電機暫態功角特性（I 故障前、Ⅱ故障時、Ⅲ故障后）

2 發電機勵磁控制主要故障與處理方法

發電機勵磁控制主要故障、故障原因與處理方法分別如下。

無法起壓：剩磁過少導致運行過程中無法建立電壓，維修過程中接線錯誤[2-3]。處理方法：檢查勵磁回路接線，若直流電阻，應斷開勵磁回路。

失磁：勵磁回路中出現短或開路，如勵磁回路或裝置故障、勵磁開關誤斷開等[3]。處理方法：應隔離停機方法，加強發電機組的檢修及維護工作。

轉子兩點接地：絕緣（滑環、引線與轉子槽口）損壞、轉子銅線變壓或轉子端部積灰造成。一點接地要可以運行，若兩點接地必須切除[2-4]。處理方法：日常維護和巡檢，勵磁回路安裝絕緣監測裝置，勵磁回路絕緣電阻和發電機中的轉子接地檢測。

自并勵磁系統故障：發電勵磁互感器出現明顯的電流突變，電動力導致絕緣損壞[3,5]。處理方法：提升勵磁變壓器的質量，電流互感器（勵磁變壓器中）重新安裝和檢查、尤其高壓側。取消絕緣隔板，其潮濕導致絕緣下降。

綜上，勵磁系統作為火電廠同步發電機的重要設備，其故障是較為常見現象。其安全穩定決定了電機穩定運行重要因素。本文介紹同步發電的勵磁系統，詳細分析其電壓穩定、無功調整和靜暫態穩定原理，還總結勵磁系統常見故障的原因和處理辦法。