基于自并励静止励磁系统起励失败原因的探索

范 杰

摘要：同步发电机的励磁系统是一个非线性、强干扰而且模型十分复杂的系统，本文在综合分析同步发电机起励方式的基础上，重点分析了自并励静止励磁系统的起励的全过程，对其起励的失败原因进行进一步的探索，并对其相应的处理方法进行了有益的研究。

关键词：同步发电机起励方式；自并励静止励磁系统；起励失败原因分析

现代同步发电机励磁系统中，接线方式虽然种类繁多，但就其励磁能源的供电方式而言，基本上可将其分为两大类：一是，能源取自主机轴端的旋转交流励磁系统，二是，变压器供电的静止励磁系统。旋转交流励磁系统的典型运作方式是发电机的励磁电流主要由同轴100Hz 主励磁机以及500Hz 副励磁机供给，其运作优点是工作稳定可靠、受外界影响较小、励磁的响应比高，但是存在成本较大高、维护量大、交流主励磁机励磁的时间常数较大的缺陷。

一、同步发电机的三种起励方式

同步发电机的起励控制是励磁调节器中的重要组成部分。同步发电机的起励方式主要有3 种：UF 方式，α 方式以及恒IL 方式。其中，α 起励方式只能在他励的方式下才有效果，而UF 起励方式和恒IL 起励方式都可以在他励或者自并励2 种励磁方式下产生效果。

(1) 恒UF 起励方式，现代励磁调节器通常有设定电压起励和跟踪系统电压起励2 种起励方式。设定电压起励是由运行人员手动设定电压值，起励后发电机的电压稳定在设定的电压水平上。跟踪系统电压起励是电压值自动跟踪系统电压，人工不能干预，起励后的发电机电压稳定在与系统电压相同的电压水平上，有效跟踪范围为(85 % ～ 115 %) 额定电压。跟踪系统电压起励方式是发电机正常发电运行默认的起励方式，而设定电压起励方式通常用于励磁系统的调试试验。

(2) 恒IL 起励方式，是一种用于试验的起励方式，其电压设定值由程序自动设定，人工不能干预，起励后的发电机电压一般约为20 % 额定电压。

(3) α起励方式，只适用于他励励磁方式，可以做到从零电压或残压开始，由人工调节逐渐增加励磁，完成起励建压的任务。

二、自并励静止励磁系统的起励过程

自并励静止励磁系统的起励过程主要可以分为设置：起励标志、起励、清除起励标志3 个不同阶段。

（一）设置起励标志

自并励静止励磁系统要在同时满足以下5 个条件的时候才能够设置起励标志：

(1) 发电机满足尚未起励，即发电机机端电压和/或励磁电流满足小于一定数值的情况即可认为尚未起励；

(2) 没有外部灭磁的指令，即无逆变灭磁的标志；

(3) 发电机的转速大于47 Hz 而且小于53 Hz ；

(4) 没有起励失败的标志；

(5) 没有起励的标志。

（二）起励

当起励标志有效之后，励磁调节器便会开始执行起励的任务。励磁调节器要控制回路正常工作所需要的整流桥的输入电压一般要为5 V。当机组转速达到95 % 的额定转速时，励磁调节器就会收到开机指令，当在整流桥输入的电压大于或等于5 V 时，励磁调节器将会使用残压起励。对低压机组的小型发电机来说，发电机可直接取出剩磁电压来作为起励的电源，在发电机起励之前能够产生足够使晶闸管导通的脉冲信号，进而促使励磁系统为转子提供稳定的励磁电流，使发电机电压能够正常地建立起来。这个过程叫就做残压起励。然而，有的时候发电机转子铁芯剩磁低，形成的残压小，整流桥输入电压小于5 V，导致同步电压太低，励磁调节器无法形成触发脉冲，也就无法导通励磁回路、建立电压。在这种情况下，需要外加起励的引导电源。特别是对于自并励励磁系统而言，由于是采用机端励磁的电源，仅靠发电机剩磁并无法构建电压，这就要求外加起励电源。

自并励励磁系统一般的动作条件是：机组达到设定的转速后( 汽轮机为3 000 r/min，水轮机为95 % 额定转速)，励磁系统由等待状态转入空载建压，如果励磁调节器检测残压低于额定的2 % 时或5 s 内建压不成功，则由灭磁柜配置的智能检测显示装置自动投入辅助起励电源，发电机开始起励，待检测到机端电压达到设定值( 一般是20 % 机端额定电压)或初励动作时间达到8 s 后，自动退出初励，由励磁调节器自动升压到额定值。调节器的软起励，用于防止机端电压的起励超调。励磁调节器接到开机令后开始起励升压，当机端电压大于10 % 额定值后，调节器以可设定的速度增加给定值，使机端电压逐步上升到额定值。整个起励过程的控制和检测都是由AVR 软件实现的。

（三）清除起励标志

起励成功之后，把起励标志清除，那么起励过程也随之结束。值得注意的是，起励成功的标志指的是，发电机的端电压和/ 或励磁电流不小于一定数值，并且有效起励的规定时间一般为不超过5 s。当满足以下2个条件的时候可以清除起励标志：(1) 具有起励标志的时候；(2) 起励成功、起励失败或者有灭磁的标志。

三、自并励励磁系统基本的动作条件

自并励励磁系统基本的动作条件是：机组达到标准设定的转速之后(一般而言，汽轮机为3 000 r/min，水轮机为95 % 额定转速)，励磁系统就会由原先的等待状态转入到空载建压，若励磁调节器的检测残压低于标准额定的2 % 时或者5 s 内励磁系统建压不成功，将会由灭磁柜配置的智能检测显示出装置将自动投入到辅助起励电源，发电机开始起励，待检测到机端电压达到设定值(一般是20 % 机端额定电压)或初励动作时间达到8 s 后，自动退出初励，由励磁调节器自动升压到额定值。调节器的软起励，用来防止机端电压的起励超调，导致起励失败。励磁调节器接到开机指示令后将会开始起励升压，当机端电压大于10 % 的额定值之后，调节器就按照设定的速度增加到给定值，从而使得机端电压逐渐上升到额定值。在这个阶段中，整个起励的过程控制和检测都是由AVR 软件来得以实现的。

四、起励失败常见原因分析

起励失败的标志为，在起励标志有效后的规定时间内，同步发电机没有起励成功，那么起励宣告失败。导致发电机起励失败的主要原因可能有：

(1) 残压起励的发电机残磁不足，可能由发电机停机的时间过长而导致的；

(2)起励电源消失或控制回路断线。

(3) 外加的起励电源容量不足或者起励磁场与剩磁的方向相反；

(4)失磁压板、励磁系统故障、紧急跳槽未复归。

(5) 励磁的功率单元主回路或者晶闸管触发脉冲回路；

(6)励磁PT 高压或低压熔断器故障；

(7)同步变后无信号

(8) 励磁调节器发生故障，起励程序没办法继续进行；

(9) 发电机有问题，如转子内部开路、短路或者断路；

(10) 灭磁开关损坏，转子的绝缘太低，起励主回路或者起励控制的回路产生故障，由直流起励引起的电源刀闸未合，起励接触器工作运行不正常，起始电压过低等；

(11) 热工闭锁（如断水保护）。

(12) 转速未达到95 %的 额定转速。

五、自并励励磁系统起励失败的排查

要明确当励磁起励失败后，要根据故障的现象进行仔细排查和分析，在未查清楚失败原因之前绝对不得再次起励。

(1) 检查直流起励的电源的刀闸是否投入使用，电压是否正常、稳定；

(2) 检查起励的电源保险是否已经熔断；

(3) 检查发电机的转子及碳刷、引线绝缘是否良好，是否损坏

(4) 检查励磁调节器上是否存在其他的故障；

(5) 机组的转速是否稳定在95%的额定转速以上；

六、自并励励磁系统的评价

综合以上的分析，可以得出自并励励磁系统运行可靠、稳定而且可缩短主机的长度，设备比较少，同时可以减轻运行时的噪声，自并励静止励磁系统起励过程比较安全可靠。自并励系统的缺点是：当发电机机端三相短路而且故障切除时间比较长时，显得强励能力不够，起励过程中机组的转速比较难以稳定在95 % 的额定转速以上，不利于电力系统的暂时稳定，发电机的后备保护系统因起励电源的变动而显得复杂。

参考文献

[1]张瑛,赵芳,李全意. 电力系统自动装置. 北京:中国电力出版社,2006 :150 - 163

[2]王斌.自并励静止励磁系统起励失败原因分析及处理.电力安全技术. 第13卷(2011年第3期)

[3]孟凡超，吴 龙. 发电机励磁技术问答及事故分析.北京：中国电力出版社，2008

[4]陆继明,毛承雄, 范澍,等. 同步发电机微机励磁控制.北京:中国电力出版社,2006 :82 - 89

[5]竺士章. 发电机励磁系统实验. 北京: 中国电力出版社,2005 :40 - 45