勵磁原理及其在國內電廠的應用

岳永潤

（海南核電有限公司，海南昌江 572700）

1 發電機勵磁系統的發展及現狀

1.1 勵磁主回路的發展動態

二十世紀六十年代以前，由于簡單、可靠以及運行只與發電機原動機有關，外部電網的干擾故障不會影響勵磁機的正常運行，發電機大多采用同軸直流勵磁機的勵磁方式。但是其維修工作量巨大，檢修勵磁機的時候必須停機的缺點限制了直流勵磁機的發展。后來，隨著勵磁系統的發展，硅整流元件在勵磁系統的大量引用，整流器和同軸交流勵磁機逐漸進入人們的視界并逐步取代直流勵磁機。但是由于可控硅元件電流電壓定額的局限性，在出現初期并沒有大規模采用他勵式可控硅靜止勵磁系統，該方式只有被應用于三機交流整流勵磁系統主勵磁機。七十年代中期，無刷勵磁裝置研制成功，諧波勵磁系統以及雙繞組電抗分流勵磁調節系統在我國中小型發電機的領域相繼投入使用（由于諧波繞組和主繞組絕緣困難，制造工藝復雜，只適用于中小電機）。

在很長的一段時間內，發電機自并勵方案并不被人們所接受：其故障時沒有足夠的短路電流，不能保障繼電保護的正確動作，而且無強勵能力等缺點也一直被人們所詬病。但是自并勵方案動作響應快，只要適當提高強勵倍數，缺點是可以克服的。隨著技術的完善，自并勵的勵磁方式已經應用在我國大部分電廠。除了自并勵勵磁系統以外，無刷勵磁系統因為沒有電刷，可以免維護、避免電刷可能產生的火花造成爆炸等危險，有利于延長使用壽命等，應用在很多無人電站。

2 發電機勵磁系統功能

2.1 勵磁調節系統的作用及原理

2.1.1 發電機勵磁控制系統的作用

發電機是通過磁場將機械能轉化為電能的，而實現的方式之一便是勵磁調節系統。電廠發電機運行時，核能、熱能、水、風等形式產生的機械能使汽輪機旋轉，從而帶動發電機轉子旋轉。旋轉的轉子通過勵磁系統建立轉子旋轉磁場，在定子內產生感生電流，從而將機械能轉化為電能，達到發電的目的。在這個過程中，勵磁調節系統是發電機調節并穩定在額定電壓的核心：在電廠與電網并網前，勵磁系統通過自身功能調節發電機同步所需的空載電壓，并網后勵磁系統則實現調節與電網交換的無功功率。所以，維持發電機額定電壓是勵磁控制系統最主要的任務。

（1）通過勵磁系統來保證電網的運行安全。城市電網的電力運行設備都有額定電壓和最高電壓，只有保證電廠發電機的額定電壓才可能實現電廠及城市電網的電力運行設備安全運行。電網運行過程中常常會受到各種故障或擾動，勵磁系統必須在靜態下或在大擾動后的穩態下依然保證發電機電壓在給定的容許水平上，從而實現其安全功能。

（2）保證發電機運行的經濟性。發電機在額定電壓運行時具有最優經濟性。如果勵磁系統故障導致發電機額定電壓下降，不僅會使定子電流增加、損耗增加，還有可能成為電廠安全運行的巨大隱患。

（3）勵磁控制系統通過對發電機額定電壓的調節控制，能夠顯著改善電網電力系統的靜態穩定、動態穩定和暫態穩定，并且是最為簡單、經濟有效的方式。

2.1.2 發電機勵磁和電壓調節系統的工作原理

（1）主發電機產生的電流和電壓反饋給數字式自動電壓調節器。

（2）發電機機端自并勵靜止勵磁系統通過勵磁變壓器從發電機自身獲得勵磁電源，經整流后再供應其自身勵磁。

（3）數字式自動電壓調節器以手動或自動控制使發電機端電壓保持為20 kV。

2.2 勵磁系統分類

（1）直流勵磁機系統。應用于二十世紀七十年代以前，優點是結構緊湊、體積小且勵磁電源可靠，不受電力系統電壓波動的影響，控制簡便、運行可靠性高。

（2）交流勵磁機系統。交流勵磁機系統產生于二十世紀八九十年代，由于直流勵磁機械制造容量有限，大型機組普遍采用交流勵磁機系統。

（3）無刷勵磁系統。用于勵磁電流大（6000 A以上）的超大型機組。無刷勵磁系統優點明顯，不需要滑環、電刷等轉動接觸元件，從而大大減少機組維護的工作量，提高設備運行可靠性。但是旋轉半導體的無刷勵磁方式對硅元件的可靠性要求較高，以往的滅磁裝置在無刷勵磁系統中并不適用。

（4）自并勵勵磁系統。圖1為自并勵勵磁系統的接線方式，通過一臺接在機端的勵磁變壓器作為勵磁電源，由可控硅整流裝置直接控制發電機的勵磁。優點是：勵磁變壓器放置自由，縮短了機組的長度，勵磁調節速度快，設備和接線比較簡單，具有較高的可靠性，造價低。

圖1 自并勵磁接線原理

2.3 自并勵勵磁系統基本構成

（1）勵磁變壓器。勵磁變壓器的作用是將高電壓隔離并轉換為適當的低電壓，供整流器使用。一般接線組別為Y/d-11，其額定容量要滿足發電機1.1倍額定勵磁電流的要求。同時，勵磁變的二次電壓的大小要滿足勵磁系統強勵的要求，絕緣等級為F級或H級，額定最大溫升為80 K或100 K。

（2）可控硅整流橋。可控硅整流橋的運行方式是通過采用三相全控可控硅整流橋來實現把交流電轉換為可控的直流電，為發電機提供所需要的勵磁電流。

（3）滅磁系統。轉子電感是大的儲能元件，電感中的電流是不能突變的。快速把轉子電感中儲存的大電流釋放以保證發電機安全的過程被稱為滅磁。

（4）勵磁調節器。勵磁調節控制的運行方式有自動方式和手動方式兩種，前者是勵磁調節控制的主要運行方式，由兩部分組成，分別是AVR（自動電壓調節器）及PSS（電力系統穩定器）附加控制。后者為勵磁電流負反饋閉環控制，用于維持勵磁電流恒定、穩定。在發電機端PT回路出現故障、自動方式采集的機端電壓出現異常情況時，勵磁調節器自動切換為手動方式運行，防止勵磁系統出現誤強勵。

其中，AVR為機端電壓負反饋閉環控制，實現機端電壓穩定。為使勵磁系統有良好的靜、動態性能，AVR可采用兩級超前—滯后校正環節。PSS做為AVR的附加控制，用于增加電力系統的正阻尼，從而抑制電力系統有功低頻振蕩。它不降低勵磁系統AVR調節的增益，不影響勵磁控制系統的暫態性能。Kavr關系到發電機端電壓的調節精度，在保證AVR閉環調節穩定的前提下，Kavr越大機端電壓的調節精度越高、機端電壓越恒定。超前—滯后環節的參數整定，保證AVR閉環控制穩定，并有良好的動態特性。

3 某電廠勵磁系統配置及勵磁方式的選擇

國內某電廠一、二號機組發電機勵磁系統為機端自并勵勵磁系統，該系統分別由連接在發電機端的勵磁變壓器、自動電壓調節器（AVR）、整流橋、滅磁及過電壓保護裝置、起勵裝置及其他的輔助測量、保護及報警裝置組成。其勵磁變壓器采用容量為7200 kV·A，變比20 kV/1000 V，接線形式為Dy11的三相干式變壓器；AVR采用數字微機型。

3.1 起勵方式

該電廠勵磁系統的勵磁電源取自發電機機端。起勵開始時，發電機的起勵能量來自發電機殘壓。當可控硅的輸入電壓升到10～20 V時，可控硅整流橋和勵磁調節器就能夠投入正常工作，由AVR控制完成軟起勵過程。如果因長期停機等原因造成發電機的殘壓不能滿足起勵要求時，則可以采用380 VDC電源起勵方式，當發電機電壓上升到規定值時起勵回路自動脫開，然后可控硅整流橋和勵磁調節器投入正常工作，由AVR控制完成軟起勵過程。并網后，勵磁系統工作于AVR方式，調節發電機的端電壓和無功功率，或工作于疊加調節方式。

3.2 系統配置

3.2.1 總體配置

該電廠勵磁系統分別由自動勵磁調節器、可控硅整流橋、滅磁回路及轉子過壓保護裝置、起勵裝置等組成，勵磁電源引自發電機機端，經勵磁變降壓后供給可控硅整流，然后經滅磁開關送至發電機轉子，系統內部通信全部采用光纖通信（圖2）。勵磁系統共配置8面柜子，其中1面調節器柜，1面滅磁及過壓保護柜，5面功率柜，1面交流進線柜。

圖2 勵磁系統配置

3.2.2 勵磁調節器

勵磁系統調節器共配置3個調節通道，通道1和通道2為兩個冗余的自動通道，通道3為備用手動通道。通道1和通道2均可運行于自動電壓調節模式和勵磁電流調節模式，通道3的運行模式僅為FCR。

正常運行時，只有一個自動通道運行于AVR，另一個自動通道和備用通道均為熱備用，當在線AVR故障時，系統自動切換到另一個通道的AVR模式，若兩個通道均故障，系統自動切換到在線通道的FCR，當兩個自動通道的AVR和FCR均故障，則切換到備用通道FCR。通道之間采用光纖連接進行通信。經過4次切換后備用通道再故障，出口跳閘（圖3）。

圖3 勵磁調節器工作原理

3.2.3 功率整流柜

N-1配置是按照當其中一個功率柜故障退出后其余功率柜的容量還能滿足系統正常運行。1+1雙冗余配置是兩套完全冗余的功率柜，即100%冷備用。該電廠勵磁系統功率柜采用N-1配置，發電機額定電流為4487 A，共配置5個UNL13300型三相全控整流橋，單個整流橋最大輸出電流為2400 A。每個整流橋包含6個可控硅、6個快速熔斷器、交流側過壓保護裝置，互為備用的2個冷卻風機：正常運行時，5個功率柜同時投入運行，自動均流；當其中一個故障時自動退出后，其余4個整流橋可以平穩地承載負荷并滿足勵磁系統正常運行要求（包括強勵要求）；當兩個退出后，其余仍可滿足1.1倍額定勵磁電流長期運行，但不能進行強勵。

3.2.4 電力系統穩定器

電力系統穩定器是UNITORL6800測量單元板MUB的一個標準軟件功能。通過引入附加反饋信號來抑制同步發電機的低頻振蕩，提高電網的穩定性。其控制算法基于雙輸入型的PSS模型，附加反饋信號為機組的加速功率信號，由電功率信號和轉子角頻率信號綜合而成。

發電機的有功功率達到某一設定值時，就可以手動投入電力系統穩定器，發電機電壓則被限制在設置的給定范圍內。PSS可以在任意時間手動退出，如果發電機有功功率及電壓超出設定值或與電網解列，PSS將自動退出。

3.2.5 滅磁及轉子過壓保護裝置

其作用是在系統運行時抑制轉子過電壓以保護發電機，在機組正常停機或發電機內部故障停機時，快速減小勵磁并消耗發電機轉子所儲磁場能量。根據滅磁開關安裝的位置可分為交流滅磁開關和直流滅磁開關。

正常停機時，采用逆變滅磁，通過控制可控硅觸發角使其工作在逆變狀態，將轉子磁場能量反饋到交流側；逆變結束后直流滅磁開關斷開，跨界器導通將非線性電阻接入轉子回路；發生事故時滅磁開關跳開，同時跨界器觸發導通，將非線性滅磁電阻接入轉子回路進行滅磁。機組運行過程中，當轉子回路出現過電壓時，跨接器觸發導通將非線性電阻接入轉子回路，保護發電機轉子繞組，當過電壓保護回路電流大于回路中的電流繼電器整定值，繼電器動作將啟動滅磁開關跳閘，從而保護勵磁系統及發電機免受過電壓損壞。

4 各電廠關于勵磁系統故障的經驗反饋

4.1 ×××電廠發電機勵磁系統故障導致停堆停機事件

2015年10月21日，×××電廠2號機組處于RP模式：12:02，機組因發電機轉子接地檢測電刷故障，主控出現2GPA631KA發電機轉子接地報警；15:45，觸發勵磁系統故障報警，汽輪發電機組跳閘，15 min后，1號SG高高水位加P7停堆。

事件后分析，發電機轉子接地檢測電刷存在卡澀，無法正常復位，致使裝置測量出接地電阻小于動作閾值，引發轉子接地保護繼電器215XZ接地二段保護動作，觸發勵磁系統故障保護動作跳機。2號機組轉子接地保護裝置采用疊加交流電壓式原理設計而成，通過對負極電刷注入40 V交流電壓，經過測量回路電流，計算接地電阻，低于4 kΩ報警，低于2 kΩ跳機。停機后檢測發現，電刷臟污并卡澀，這樣電刷和滑環之間的接觸電阻會影響接地電阻測量的準確性，使保護裝置測算到接地電阻小于2 kΩ，導致汽機跳機。

4.2 ×××電廠2號發電機零起升壓時勵磁電壓調節器故障

2003年2月8日，×××電廠2號機小修后沖轉并網，沖至2400 r/min，勵磁電壓調節器自動零起升壓，發電機出口電壓瞬間升至31 kV，又瞬間回到9.6 kV，然后電壓穩定在9.6 kV。勵磁電壓調節器A通道跳閘，B通道跳手動。運行人員發現電壓異常后，將汽機轉速穩定在2750 r/min，15 min后汽機手動打閘滅磁。

對原因分析如下：發電機端電壓升高可能是AVR電壓環節故障，相位超前放大器的祖容反饋電路或微分反饋電路沒有調好，使自動控制回路的響應因初始變化而出現過校正，在發電機零起升壓過程中引起強勵和超調；AVR在零起升壓瞬變條件下，由于高電流需求量原因，引起自動信號飽和，使AVR總輸出電流限制到350 A，并且由于通道電流不平衡，A通道電流大于237 A，過勵保護動作，A通道0.6 s后跳閘；此時全部電流由B通道提供，過勵保護動作，2 s后跳至手動，在B通道跳至手動后，保持最小勵磁電流，發電機端電壓一直維持在9.6 kV。

5 結束語

勵磁調節系統是電廠同步發電機的重要組成部分，通過勵磁系統向發電機轉子提供一個可調節的直流勵磁電源，從而控制發電機定子機端電壓，滿足發電機需要。勵磁系統從最早的同軸直流勵磁機發展到自并勵靜止勵磁方式，其設備已不斷完善，但在近年核電站應用中，由于勵磁故障導致停機事件也屢見不鮮。本文通過對勵磁機基礎知識的介紹，并對歷年勵磁機經驗反饋學習，希望能對大家有所幫助。