發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的作用與故障分析

國(guó)能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠 花振國(guó) 劉 鶴

同步發(fā)電機(jī)通過勵(lì)磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒壓，勵(lì)磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式種類繁多，但按其自動(dòng)調(diào)節(jié)原理分為三類：負(fù)反饋。優(yōu)點(diǎn)是靜態(tài)調(diào)壓指標(biāo)高、調(diào)壓特性曲線線性度好，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)特性差；擾動(dòng)調(diào)節(jié)。優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)特性好，缺點(diǎn)是調(diào)壓特性曲線線性度差；復(fù)式調(diào)節(jié)。兼有上述兩種調(diào)節(jié)原理的優(yōu)點(diǎn)。

1 自勵(lì)恒壓式勵(lì)磁系統(tǒng)的作用

在早期的電力系統(tǒng)運(yùn)行中勵(lì)磁系統(tǒng)的任務(wù)比較單一，主要是調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓和無功分布，常稱為調(diào)壓器。現(xiàn)代電網(wǎng)中自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要完成更加復(fù)雜的任務(wù)。

1.1 維持發(fā)電機(jī)端電壓在一定水平

正常運(yùn)行工作情況下，電力負(fù)荷總是在不斷變化。負(fù)荷容量以及功率因數(shù)不同，對(duì)電機(jī)的電樞反應(yīng)是不同的，電機(jī)內(nèi)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(jù)負(fù)荷大與性質(zhì)適時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁。

由圖1可得，Eq與UG關(guān)系為Eq=UG+jIGXd、EqcosδG=UG+jIQXd，式中：Eq為發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)；UG為發(fā)電機(jī)受端電壓；IG為發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流；IQ為發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流；Xd為發(fā)電機(jī)d 軸感抗；cosδG為Eq與UG夾角。通常情況下δG非常小，可認(rèn)為cosδG≈1，上式簡(jiǎn)化為：Eq≈UG+jIGXd。通常情況下，電網(wǎng)電壓UG與阻抗Xd可認(rèn)為不變，負(fù)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(fā)電機(jī)運(yùn)行矢量圖

1.2 控制并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無功功率的分配

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)于無功功率分配為：同步電機(jī)與無窮大系統(tǒng)母線并聯(lián)運(yùn)行和并聯(lián)運(yùn)行各發(fā)電機(jī)間無功功率的分配兩種情況[1]。同步電機(jī)與無窮大系統(tǒng)并聯(lián)如圖2。

圖2 同步發(fā)電機(jī)與無窮大系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行

由于發(fā)電機(jī)發(fā)出有功率和系統(tǒng)負(fù)荷相同，需保持恒定，因此勵(lì)磁電流變化不應(yīng)影響有功輸出，則有：PG=UGIGcosφ=常數(shù)，式中：PG為發(fā)電機(jī)有功功率；φ 為功率因數(shù)，UG與IG之間夾角；PG與UG為定值，則有IG=cosφ=k1，IG的端點(diǎn)沿著BB'虛線上變化。Eqsinδ=IGxdcosφ ?Eqsinδ=K2，Eq的端點(diǎn)沿著AA'虛線上變化。由上面分析，與無窮大母線并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組，調(diào)節(jié)它的勵(lì)磁電流可以改變發(fā)電機(jī)的無功功率的數(shù)值。

以兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行分析無功分配問題，如圖3所示，發(fā)電機(jī)G1和G2的端電壓等于母線電壓UM1。當(dāng)電壓為UM1時(shí)無功電流有關(guān)系為IQ=IQ1+IQ2；當(dāng)電壓為UM2時(shí)，G1發(fā)出的無功電流IQ1比G2發(fā)出的無功電流IQ2大。若電網(wǎng)的無功負(fù)荷增加，發(fā)電機(jī)需要增加無功電流輸出，母線電壓調(diào)整為UM2，此時(shí)無功電流有關(guān)系為I'Q=I'Q1+I'Q2；當(dāng)電壓為UM2時(shí)，G1發(fā)出的無功電流增量ΔIQ1比G2發(fā)出的無功電流ΔIQ2大，負(fù)荷改變前后在兩發(fā)電機(jī)之間無功電流的分配比例不一樣，分配比例取決于發(fā)電機(jī)的外特性，曲線越平分的越多。

圖3 并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)間無功分配

上述解釋無功電流的分配規(guī)律，最終目的是運(yùn)用規(guī)律實(shí)現(xiàn)無功的合理分配。一般情況下希望大容量機(jī)組分擔(dān)無功增量大一些，小容量機(jī)組分擔(dān)無功增量小一些。

1.3 提高電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性

當(dāng)同步發(fā)電機(jī)（以隱極式為例）無自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)，發(fā)電機(jī)電勢(shì)Eq為定值，Eq處的功率為：靜態(tài)功率極限在功角δ=90°時(shí)PG=EqU/X∑sinδ，式中：X∑為系統(tǒng)總電抗，Eq與U 是定值，功角特性（又稱：內(nèi)功率特性）是關(guān)于δ的正弦函數(shù)（圖4）。當(dāng)δ=90°時(shí)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(dòng)，發(fā)電機(jī)端電壓要減?。▓D5）。

圖4 隱極式發(fā)電機(jī)的功率特性

圖5 δ增加時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓的變化

若有發(fā)電機(jī)裝有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，δ增加時(shí)UG下降，調(diào)節(jié)器增大勵(lì)磁使Eq1增大，直到發(fā)電機(jī)端電壓近似UG為常數(shù)（圖6）。UG為常數(shù)UG0時(shí)，曲線在δ＞90℃時(shí)一定范圍任在上升，在于90℃區(qū)域稱為人工穩(wěn)定區(qū)，提高同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性。

圖6 自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁對(duì)功率特性的影響

1.4 改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性

暫態(tài)穩(wěn)定性指電網(wǎng)經(jīng)大擾動(dòng)（如三相短路）后回復(fù)到新的或原來穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)能力。如圖7所示，故障時(shí)和故障后由于勵(lì)磁系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善。

圖7 發(fā)電機(jī)暫態(tài)功角特性（I 故障前、Ⅱ故障時(shí)、Ⅲ故障后）

2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制主要故障與處理方法

發(fā)電機(jī)勵(lì)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(dǎo)致運(yùn)行過程中無法建立電壓，維修過程中接線錯(cuò)誤[2-3]。處理方法：檢查勵(lì)磁回路接線，若直流電阻，應(yīng)斷開勵(lì)磁回路。

失磁：勵(lì)磁回路中出現(xiàn)短或開路，如勵(lì)磁回路或裝置故障、勵(lì)磁開關(guān)誤斷開等[3]。處理方法：應(yīng)隔離停機(jī)方法，加強(qiáng)發(fā)電機(jī)組的檢修及維護(hù)工作。

轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地：絕緣（滑環(huán)、引線與轉(zhuǎn)子槽口）損壞、轉(zhuǎn)子銅線變壓或轉(zhuǎn)子端部積灰造成。一點(diǎn)接地要可以運(yùn)行，若兩點(diǎn)接地必須切除[2-4]。處理方法：日常維護(hù)和巡檢，勵(lì)磁回路安裝絕緣監(jiān)測(cè)裝置，勵(lì)磁回路絕緣電阻和發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子接地檢測(cè)。

自并勵(lì)磁系統(tǒng)故障：發(fā)電勵(lì)磁互感器出現(xiàn)明顯的電流突變，電動(dòng)力導(dǎo)致絕緣損壞[3,5]。處理方法：提升勵(lì)磁變壓器的質(zhì)量，電流互感器（勵(lì)磁變壓器中）重新安裝和檢查、尤其高壓側(cè)。取消絕緣隔板，其潮濕導(dǎo)致絕緣下降。

綜上，勵(lì)磁系統(tǒng)作為火電廠同步發(fā)電機(jī)的重要設(shè)備，其故障是較為常見現(xiàn)象。其安全穩(wěn)定決定了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行重要因素。本文介紹同步發(fā)電的勵(lì)磁系統(tǒng)，詳細(xì)分析其電壓穩(wěn)定、無功調(diào)整和靜暫態(tài)穩(wěn)定原理，還總結(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)常見故障的原因和處理辦法。