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励磁培训资料
中电投集团四川中水能源有限公司
雅安龟都府电厂2011年
励
磁
装
置
运
行
培
训
资
料
概述
根据同步发电机的基本原理,水轮发电机的转子绕组需要直流电源激励才能产生磁场,当励磁绕组随着转子旋转时,就能在定子电枢绕组中感应电势。
一般我们将励磁绕组、励磁电源、灭磁装置、自动调节器及其操作回路的总体称为励磁系统。
一、励磁系统的发展及现状
在上世纪60年代以前,同步发电机基本上都是采用同轴直流励磁机的励磁方式。
由于当时发电机单机容量小,输电线路短,因此该种励磁方式基本能满足当时的要求,但随着发电机容量的增大、输电线路的加长,采用励磁机励磁的方式已经不能满足需要,随着60年代可控硅的出现以及后来的发展,逐步产生了三机交流整流励磁系统、自复励可控硅励磁系统、谐波励磁系统、自并励励磁系统、无刷励磁系统等。
二、励磁系统的作用
1、维持发电机或其他控制点(例如发电厂高压侧母线)电压在给定水平。
维持电压在给定水平是励磁系统的主要任务,有以下三个方面主要原因:
第一、保证电力系统运行设备的安全。
要求励磁系统在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定水平上。
第二、保证发电机运行的经济型。
发电机在额定附近运行是最经济的,当电压低于90%时,输出相同的功率损耗就会增大。
第三、提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。
励磁系统对整个电力系统的静态稳定、动态稳定及暂态稳定的改善,都有显著的作用,而且最为简单、经济而有效的。
2、控制并联运行机组无功功率的合理分配
并联运行机组无功功率的合理分配与发电机的调差率有关。
调差率有三种调差特性:
无调差、负调差、正调差。
两台或多台有差调节的发电机并联运行时,按调差率的大小分配无功功率,调差率小的分配的无功多,调差率大的分配的无功少。
3、提高电力系统的稳定性
励磁控制系统对静态稳定的影响,同步电机静态稳定能力的提高,相应系统的传输功率能力也得到提高。
励磁控制系统对暂态稳定的影响,其方法有两种快速切除故障和提高强励电压倍数。
励磁系统励磁系统对动态稳定的影响,电力系统的动态稳定性问题,可以理解为系统机电振荡问题。
在励磁系统中提供可以起控制正的阻尼作用的信号,使整个励磁系统提供的阻尼是正的,而使动态稳定极限水平达到和超过静态稳定水平。
4、提高继电保护装置动作的可靠性和灵敏度
当电力系统发生短路故障时,通过励磁系统的调节(或提供强励)使短路电流衰减很慢甚至不衰减,保证了短路电流超过继电保护装置的整定值并在整定的时间内可靠动作,从而提高继电保护装置动作的可靠性和灵敏度。
5、快速灭磁作用
当发电机内部发生故障时,保护动作断路器跳闸后,为防止内部故障扩大,降低故障造成的伤害,励磁系统能进行快速灭磁。
三、励磁系统的组成与配置
1、自并激励磁系统的基本配置主要由励磁变压器、可控整流桥、自动励磁调节器及起励装置、转子过压保护与灭磁装置等组成。
(1)、励磁变压器作用为励磁系统提供励磁能源。
(2)、可控硅整流装置自并激励磁系统中的大功率装置均采用三相桥式接法,其优点是半导体元件承受的电压低,励磁变压器利用率高。
三相桥式电路可采用半控桥或全控桥方式,这两种励磁增强励磁能力相同,但在减磁是半控桥只能把励磁电压控制到零,而全控桥在逆变运行时可产生负的励磁电压,把励磁电流急速下降到零,把能量反馈到电网,用以灭磁。
对于大型励磁系统,为保证足够的励磁电流,多采用数个整流桥并联,并联支路选取原则为(N+1),N为保证发电机正常励磁的整流桥个数,即当一个整流桥因故障退出时,不影响励磁系统的正常励磁能力。
(3)励磁控制装置包括自动电压调节器和起励控制回路。
对于大型机组自并激励励磁系统的自动电压调节器,多采用基于微处理器的微机型数字电压调节器。
测量发电机机端电压,并与给定值进行比较,当机端电压高于给定值时,增大可控硅的控制角,减小励磁电流,使发电机机端电压回到设定值;当机端电压低于给定值时,减小可控硅的控制角,增大励磁电流,维持机端电压为设定值。
微机励磁调节器硬件主要由以下组成:
输入信号单元、A/D单元、电源单元、CPU运算处理单元、触发输出单元、并行I/O单元及报警输出单元、显示控制单元和串行通讯单元。
微机励磁调节器软件由监控程序和应用程序组成。
微机励磁调节器的主要功能通过软件来实现完成,主要有:
1)按发电机机端电压偏差进行PID调节,2)发电机电压数字给定,3)电力系统稳定器(PSS)控制,4)多种限制保护如过励限制、欠励限制、强励限制、定子电流限制和电压/频率限制,5)多种调节规律、运行方式的选择切换,如有差运行调节、无查运行调节、恒功率因数运行调节、恒无功功率运行调节,6)自诊断及自适应处理功能,故障自检和通道自动切换功能,7)停机自动逆变灭磁。
(4)灭磁系统对于采用线性电阻或灭弧栅方式灭磁时,须设单独的转子过压保护装置。
而采用非线性电阻灭磁时,可以同时兼顾转子过压保护。
因此非线性灭磁在大型机组,特别是在水轮发电机组中得到了大量应用。
国内使用较多的为高能氧化锌阀片,而国外使用较多的是碳化硅电阻。
四、可控硅整流装置
1、可控硅的主要参数包括各种状态下的电压、电流、门极参数及动态参数。
为了正确使用可控硅,不仅要了解它的伏安特性,而更重要的是定量掌握它的主要参数。
必须清楚它能承受多大的正向电压而不转折(没有触发脉冲,不自行导通),承受多大的反向电压而不击穿;在可控硅导通以后允许通过多大的电流而不烧毁;另外还要注意该管的触发电压和触发电流是多大;导通以后管压降是多少;维持电流和擎住电流是多大。
2、整流电路的原理整流电路可将交流电转变成直流电供给直流负载,逆变电路可将直流电转变成为交流电供给负载。
将发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压,供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要,这是励磁系统中整流电路的主要任务。
对于三相全控桥式整流电路,除了将交流变换成为直流的正常任务外,在需要迅速减磁时还可以将储存在转子磁场中的能量,经全控桥迅速反馈给交流电源,进行逆变灭磁。
此外在励磁调节器的测量单元中使用的多项(三相、六相或十二相)整流电路,则主要是将测量的交流信号转换为直流信号。
3、可控硅静止励磁装置原理
当发电机组处于单机运行时,励磁系统通过不断改变励磁电流的大小,可以维持发电机端电压恒定。
其调节过程为:
当发电机负荷增大时,电枢反应增强会引起机端电压下降,而机端电压通过电压互感器传送至检测放大单元,在与给定电压进行比较得到一个偏差信号并放大后,产生控制电压信号Ug,再输入移相触发单元,使移相触发脉冲相位随着Ug的增大而前移,控制角α减小,可控硅桥输出增大,即励磁电流增大,发电机端电压相应升高,实现了电压的自动负反馈调节,可简单表示为负荷增大→端电压UG降低→控制电压Ug降低→控制角α减小→励磁电流IL增大→发电机端电压升高。
若发电机负荷减小,调节过程则相反。
当发电机并网运行时,可以利用励磁装置调节发电机输出的无功功率大小,从而稳定系统的电压水平。
4、可控硅的保护
1)过电压保护
产生过电压的原因主要是:
雷电、操作、换相、拉弧、失步、非全相合闸等,主要在励磁变压器二次侧和转子侧,即整流装置的交流侧和直流侧。
抑制过电压的措施有:
A、利用电容器两端电压不能突变,而能储存电能的基本特性,可以吸收瞬间的浪涌能量,限制过电压。
为了限制电容器的放电电流,降低可控硅开通瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率di/dt,以及避免电容与回路电感产生振荡,通常在电容回路上串入适当的电阻,从而构成阻容吸收保护,来作为交流侧、直流侧及硅元件本身的过电压保护。
B、但因阻容保护具有消耗功率发热厉害的缺点,此外还容易使波形畸变的缺点,故在许多情况下,采用压敏电阻浪涌吸收器,来代替交流侧或直流侧的阻容保护。
C、硒堆保护硒堆由硒整流片串联后对接而成,利用其方向伏安特性来抑制过电压,当出现浪涌电压时抑制过电压,击穿后的硒片表面出现烧结点,在浪涌电压消失后仍可以恢复反向阻断能力,继续起保护作用。
2)、过电流保护
励磁装置可能有以下几个方面的原因,使流过整流桥臂元件及励磁变压器绕组的电流超过额定正常值。
1)、整流桥内部某一桥臂元件击穿短路,伤失阻断能力,则交流电源可通过已损坏短路的桥臂和其它完好的桥臂元件,交替形成两相短路及三相短路。
2)、转子回路可能发生飞弧短路、转子绕组两点接地、直流母线间短路等故障,此种直流侧短路的故障电流同样流过桥臂和励磁变压器绕组。
3)、全控桥在逆变工作状态下,由于逆变角过小,或者交流电源电压消失、触发脉冲消失等原因引起逆变换流失败,转子绕组通过某对桥臂元件直通短路续流,使这些桥臂元件流过较正常工作电流大和时间持续长的电流。
4)、可控硅控制角极受外部干扰信号而误触发,或丢失脉冲而单相导通,或限制环节失灵使控制角过小等原因,均有可能使流过硅元件的电流大于正常值。
对于这些情况,通常采用过电流保护措施,迅速将通过硅元件的电流加以限制,或者及时切断故障电流,避免硅元件PN结的温度过高而损坏。
一般整流装置采用的过载及短路保护有:
在直流侧装设直流快速开关,其动作时间约为10ms;装设快速熔断器,其熔断时间一般在0.01ms以内。
5、并联支路的均流
并联支路间的电流分配不均的原因有:
1)在瞬态时,由于并联元件开通时间先后有差异,而引起瞬态电流不均。
2)在导通进入稳态后,由于并联元件在导通状态下的伏安特性(正向压降)有差异,则引起稳态电流不均。
解决电流分配不均的问题通常有两种途径:
1)选配并联支路的元件,使其具有相近的开通特性和正向压降,各元件开通时间的偏差尽可能的小(例如小于20us),正向压降的偏差也尽可能小(例如不超过0.05V),元件的额定电流降低到0.8—0.9倍使用。
2)应注意元件安装时的排列与引出母线的位置,因为硅元件通态电阻小,各并联支路阻抗的差异对电流均度的影响很大,应使各个支路电阻相等和自感相等,互感也大致相等,并避免其它相在换流过程中对本并联支路产生影响。
3)近年又有智能均流的方法,其实质是通过微调触发脉冲位置的方法使难以开通的或通态压降大或回路阻抗高的的可控硅提前触发。
五、灭磁系统
1、灭磁系统
灭磁系统的作用是当发电机内部及外部发生短路及接地等事故时迅速切断发电机的励磁。
并将储存在励磁绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中。
按灭磁原理方式分为耗能型灭磁装置和移能型灭磁装置。
耗能型灭磁装置的作用原理是将磁能消耗在灭磁开关装置中,当灭磁开关主触头打开后,储存在发电机励磁回路磁场能形成电弧并在燃烧室中燃烧,将电能转换成热能直至熄弧。
移能型灭磁装置其原理是灭磁时,当主触头断开以后产生一过电压,将使与发电机励磁绕组并联到非线性灭磁电阻导通由此电阻消耗发电机的磁场能量。
2、灭磁的分类
灭磁系统的任务是以尽快的速度消灭磁场能量,使得发电机电压消失,事故降低到最小。
灭磁的一般要求:
(1)在发电机内部发生短路时,灭磁时间尽可能短;
(2)在灭磁过程中,转子绕组两端产生的过电压应在绕组绝缘允许范围内,即滑环间容许的过电压值。
灭磁方式主要分为以下几种:
(1)串联耗能型灭磁
(2)机械开关并联移能型灭磁(3)电子开关并联移能灭磁(4)交流灭磁(5)冗余灭磁。
六、励磁系统的主要限制及保护
调节器采样及计算所得的相关数值,与预先整定的限制保护值相比较,分析发电机组的实时工况,判断发电机的故障区域,对过负荷和欠负荷工况进行限制,以防止发电机进入不安全或不稳定区域,从而保证机组的安全可靠运行。
限制器的目的是维持发动机的安全稳定运行,避免事故停机。
所有限制器都有一个实际值和一个预置值,实际值代表被限制的数值,而限制器应在预置值处激活。
每个限制器都产生一个误差信号△,来源于实际值和预置值之间的数值。
当过励限制器起作用时,把励磁减小到最大允许水平上,;而当欠励限制器起作用时把励磁增加到所需的最小水平上。
1)、伏赫兹(V/Hz)限制
发电机运行时,机端电压与频率的比值有一个安全工作范围,当超过安全范围时容易导致发电机及主变压器过激磁和过热,必须限制机端电压幅值,控制机端电压随频率变化而变化,维持伏赫兹比值在安全范围内,此项功能称为伏赫兹限制。
实际中一般去1.06为伏赫兹比值安全范围。
当超出此范围时,伏赫兹限制器启动,调低机端电压并留有一定的安全裕度。
当发电机空载时频率低于45Hz时不允许发电机维持机端电压,此时需发出逆变脉冲,励磁系统逆变灭磁。
伏赫兹限制动作条件为过电压或低频率。
当发电机频率为系统频率时主要限制过电压;当发电机空载是主要限制过电流。
2)、PT断线保护
PT断线为电厂常见故障之一,同时也是误强励发生的主要诱因之一。
对其处理要求迅速准确,如果判断时间过长,不能及时容错控制,发电机励磁电流很快上升到强励。
3)低励限制保护
当发电机的励磁不足时,定子电流由落后的功率因数角,变为超前的功率因数角,发电机将从系统吸收无功功率进相运行,如励磁作用降低过多,将会使发电机失去静态稳定或发电机端部过热,而危及发电机的安全运行。
为了防止发电机励磁电流降低到稳定运行的数值以下,需要加以限制,这种就叫低励限制也叫欠励限制。
4)过励限制保护
为防止因发电机的过分强励而造成励磁绕组过热危及发电机的转子安全,励磁调节器中需要设置过励限制功能,从而将励磁电流限制在允许值
5)电力系统稳定器(PSS)
PSS的目的是通过引入一个附加的反馈信号,增加弱阻尼或负阻尼控制系统的正阻尼系数,以抑制同步发电机的低频振荡,提高发电机组(线路)最大输出能力。
七、辅助控制部分
1、励磁启励控制
自并励励磁系统励磁变压器接在发电机端,当机组启动后,转速接近额定值时,机端电压为残压,其制一般较低。
励磁系统不能送出足够的励磁电流使发电机建立电压。
因此辅助发电机建立初始电压,使自动调节器正常运行,以便励磁系统进入正常工作。
按获得启励电源的方式有:
他励启励和残压启励两种方式。
发电机升压的方式:
1)零起升压目的是为了检查设备有无故障点,它不象全压冲击那样很快的就加了全压,他是慢慢的使电压升高,这样一旦有故障那么定子电流就有反映,这时候可以迅速的把电压降下来,这样可以减少对设备的损坏。
2)自动软起励升压3)自动给定值升压
2、冷却风机控制
用于加强硅整流元件散热的冷却风机因故障停转时,在散热器表面温度不超过80°的情况下可继续运行,但必须尽快更换风机。
为避免冷却风机三相电源保险一相熔断继续运行造成电动机烧毁,应装设风机断相保护,以便在断相时切断风机三相电源并发出信号。
八、磁系统维护与故障处理
1、概述
微机励磁系统维护工作量小,运行环境要求整洁,注意通风散热。
根据环境空气的清洁度,定期对励磁装置进行除尘,用压缩空气机(压力不能太高)配合小毛刷或吸尘器对装置内外器件、导线连接处的积尘吹扫。
清洁时应切断所有电源。
2、维护内容
维护对象
工作内容
(每三个月一次)
工作内容(每年一次)
柜体内外的清洁
根据需要
清除机柜积尘
接线端子
清除积尘、污垢
清除积尘、污垢,检查绝缘及紧固
接线电缆
清除积尘、污垢
清除积尘、污垢,检查绝缘及紧固
继电器
清除积尘、污垢
清除积尘、污垢,检查节点及动作
参数备份与检查
有修改时
记录更改参数
切换开关
清除积尘、污垢
清除积尘、污垢,检查节点及动作
保险
清除积尘、污垢
清除积尘、污垢,检查接触力
印制电路板
清除积尘、污垢,跳线帽、焊脚
构件紧固
检查是否有松动
调节器功能检查
检测调节功能,模式切换、故障切换
功率柜滤网
根据实际积尘情况定期清洗或更换
清洗风机滤网
3、常见故障处理
1)PT断线的处理
可能测量PT和仪表PT二次回路的原因,检查熔断器是否熔断,端子螺丝是否松动等。
2)启励失败的原因
A、检查调节器是否在等待状态,电压给定值或电流给定值是否太小。
B、检查调节器是否无法进入空载状态(如机组缺少转速令,从而开机条件不满足)
C、检查V/Hz参数设置错误
D、检查是否满足了“启励异常封脉冲”条件
E、检查励磁系统的阳极开关、灭磁开关是否到位,PT高压侧隔离开关是否合上、PT保险是否熔断,PT回路接线是否松动。
F、检查启励电源、脉冲电源等是否投入,启励电源是否正常。
G、检查启励回路、脉冲回路、可控硅整流回路、转子回路是否有短路或接地等。
H、检查励磁操作控制回路是否正常
I、检查主回路接线是否缺少,同步电压回路是否异常
3)失磁保护动作或灭磁开关跳闸的处理
A、检查是否是励磁装置故障引起的失磁,
B、检查转子回路及整流功率柜电源回路是否存在短路故障点。
4)模拟量数据显示不正确
A、可能模拟量板损坏,检查采样情况,必要时更换模拟量板
B、可能PT、CT内外回路有接触不良现象。
5)励磁变压器温度升高的处理
A、检查励磁系统是否过负荷
B、检查整流功率柜是否缺项运行
C、检查励磁变压器冷却系统是否正常工作。
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