发电机励磁的作用与故障分析

国能大渡河瀑布沟水力发电总厂 花振国 刘 鹤

同步发电机通过励磁的自动调节实现恒压，励磁的自动调节方式种类繁多，但按其自动调节原理分为三类：负反馈。优点是静态调压指标高、调压特性曲线线性度好，缺点是动态特性差；扰动调节。优点是动态特性好，缺点是调压特性曲线线性度差；复式调节。兼有上述两种调节原理的优点。

1 自励恒压式励磁系统的作用

在早期的电力系统运行中励磁系统的任务比较单一，主要是调节电网的电压和无功分布，常称为调压器。现代电网中自动励磁调节系统需要完成更加复杂的任务。

1.1 维持发电机端电压在一定水平

正常运行工作情况下，电力负荷总是在不断变化。负荷容量以及功率因数不同，对电机的电枢反应是不同的，电机内容阻抗压降也是不同的。要维持其端电压在一定水平，必须根据负荷大与性质适时调节励磁。

由图1可得，Eq与UG关系为Eq=UG+jIGXd、EqcosδG=UG+jIQXd，式中：Eq为发电机空载电势；UG为发电机受端电压；IG为发电机负荷电流；IQ为发电机负荷电流；Xd为发电机d 轴感抗；cosδG为Eq与UG夹角。通常情况下δG非常小，可认为cosδG≈1，上式简化为：Eq≈UG+jIGXd。通常情况下，电网电压UG与阻抗Xd可认为不变，负荷电流的无功电流IQ是造成幅值差的主要原因，IQ越大差异也就越大。

图1 同步发电机运行矢量图

1.2 控制并联运行发电机间无功功率的分配

同步发电机励磁系统关于无功功率分配为：同步电机与无穷大系统母线并联运行和并联运行各发电机间无功功率的分配两种情况[1]。同步电机与无穷大系统并联如图2。

图2 同步发电机与无穷大系统并联运行

由于发电机发出有功率和系统负荷相同，需保持恒定，因此励磁电流变化不应影响有功输出，则有：PG=UGIGcosφ=常数，式中：PG为发电机有功功率；φ 为功率因数，UG与IG之间夹角；PG与UG为定值，则有IG=cosφ=k1，IG的端点沿着BB'虚线上变化。Eqsinδ=IGxdcosφ ⇨Eqsinδ=K2，Eq的端点沿着AA'虚线上变化。由上面分析，与无穷大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机的无功功率的数值。

以两台同步发电机并联运行分析无功分配问题，如图3所示，发电机G1和G2的端电压等于母线电压UM1。当电压为UM1时无功电流有关系为IQ=IQ1+IQ2；当电压为UM2时，G1发出的无功电流IQ1比G2发出的无功电流IQ2大。若电网的无功负荷增加，发电机需要增加无功电流输出，母线电压调整为UM2，此时无功电流有关系为I'Q=I'Q1+I'Q2；当电压为UM2时，G1发出的无功电流增量ΔIQ1比G2发出的无功电流ΔIQ2大，负荷改变前后在两发电机之间无功电流的分配比例不一样，分配比例取决于发电机的外特性，曲线越平分的越多。

图3 并联运行同步发电机间无功分配

上述解释无功电流的分配规律，最终目的是运用规律实现无功的合理分配。一般情况下希望大容量机组分担无功增量大一些，小容量机组分担无功增量小一些。

1.3 提高电网静态稳定性

当同步发电机（以隐极式为例）无自动励磁调节时，发电机电势Eq为定值，Eq处的功率为：静态功率极限在功角δ=90°时PG=EqU/X∑sinδ，式中：X∑为系统总电抗，Eq与U 是定值，功角特性（又称：内功率特性）是关于δ的正弦函数（图4）。当δ=90°时PG取得最大值，称为功率极限PGm=EqU/X∑。若保持Eq不变，Eq随着虚线向功角δ增大方向Eq1移动，发电机端电压要减小（图5）。

图4 隐极式发电机的功率特性

图5 δ增加时发电机端电压的变化

若有发电机装有自动励磁调节器，δ增加时UG下降，调节器增大励磁使Eq1增大，直到发电机端电压近似UG为常数（图6）。UG为常数UG0时，曲线在δ＞90℃时一定范围任在上升，在于90℃区域称为人工稳定区，提高同步发电机的静态稳定性。

图6 自动调节励磁对功率特性的影响

1.4 改善系统的暂态稳定性

暂态稳定性指电网经大扰动（如三相短路）后回复到新的或原来稳定运行点能力。如图7所示，故障时和故障后由于励磁系统的作用使 上升、Pmax 增大，功角特性曲线Ⅱ和Ⅲ幅值增加，使加速面积abce 减小、减速面积defg 增小，从而实现电网暂态稳定性改善。

图7 发电机暂态功角特性（I 故障前、Ⅱ故障时、Ⅲ故障后）

2 发电机励磁控制主要故障与处理方法

发电机励磁控制主要故障、故障原因与处理方法分别如下。

无法起压：剩磁过少导致运行过程中无法建立电压，维修过程中接线错误[2-3]。处理方法：检查励磁回路接线，若直流电阻，应断开励磁回路。

失磁：励磁回路中出现短或开路，如励磁回路或装置故障、励磁开关误断开等[3]。处理方法：应隔离停机方法，加强发电机组的检修及维护工作。

转子两点接地：绝缘（滑环、引线与转子槽口）损坏、转子铜线变压或转子端部积灰造成。一点接地要可以运行，若两点接地必须切除[2-4]。处理方法：日常维护和巡检，励磁回路安装绝缘监测装置，励磁回路绝缘电阻和发电机中的转子接地检测。

自并励磁系统故障：发电励磁互感器出现明显的电流突变，电动力导致绝缘损坏[3,5]。处理方法：提升励磁变压器的质量，电流互感器（励磁变压器中）重新安装和检查、尤其高压侧。取消绝缘隔板，其潮湿导致绝缘下降。

综上，励磁系统作为火电厂同步发电机的重要设备，其故障是较为常见现象。其安全稳定决定了电机稳定运行重要因素。本文介绍同步发电的励磁系统，详细分析其电压稳定、无功调整和静暂态稳定原理，还总结励磁系统常见故障的原因和处理办法。