发电机励磁系统

发电机励磁系统 第3章 发电机励磁系统 ................................................................................................................. 2 1发电机励磁系统基本知识 ................................................. 2 1.1同步发电机励磁控制系统的任务 ............................................................................ 2 1.2对励磁系统的基本要求 ............................................................................................ 3 1.3励磁系统的分类 ........................................................................................................ 4 2 我厂1000MW机组励磁系统 ................................................ 9 2.1励磁系统的型号 ................................................................................................ 9 2.2技术 ................................................................................................................... 10 2.3 UNITROL 5000励磁系统简述 ................................................................................ 12 2.4 UN5000励磁系统性能 ............................................................................................ 17 2.5励磁系统操作与调整 .............................................................................................. 18 第三章 发电机励磁系统 同步发电机的运行特性与它的空载电动势E值的大小有关，而E值是发电机励qq 磁电流I的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。ef 因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之 一。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和 并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致 电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电 流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在保证 电能质量，无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着十分重 要的作用。 供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功 率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励 磁电流，即励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁 功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电 机构成一个反馈控制系统。同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器（装 置）两大部分组成。如图1－1所示： 励磁功率电力系统单元 发电机 励磁调 输入信号节器 励磁系统 图1－1发电机励磁系统基本原理框图 1.1同步发电机励磁控制系统的任务 在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作 用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且 还可有效地提高系统的技术指标。根据运行方面的要求，励融控制系统应该承担 如下的任务。 1.1.1电压控制 电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就相应变化。 随着负荷的波动，需要对励磺电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在 给定的水平，励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务。 1.1.2控制并列运行各发电机间无功功率分配； 与无限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无功功率的数 值。在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大母线，即系统等值阻 抗并不等于零，母线的电压将随着负荷波动而改变。电厂输出无功电流与它的母 第 2 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 线电压水平有关，改变其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电压和无功功 率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率，其影响程度与系统情况有关。 因此，同步发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分 配的任务。 1.1.3提高发电机并列运行的暂态稳定性 保持同步发电机稳定运行足保证电力系统可靠供电的首要条件．电力系统在运行 中随时都可能遭受各种干扰，在各种扰动后，发电机蛆能够恢复到原来的运行状 态或者过扛到另一个新的运行状态，则称系统是稳定的．其主要标志是在暂志过 程结束后，同步发电机能维持或恢复同步运行。励磁自动控制系统是通过改变励 直电流从而改变Eq值来改善系统稳定性的。 1.1.4改善电力系统的运行条件 当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，励磁自动控制系境可以发挥其调 节功能．即大幅度地增加励磁以提高系统电压。这在下述情况下可以改善系统的 运行条件。 1.1.4.1改善异步电动机的自起动条件 短路切除后可以加速系境电压的恢复过程，改善异步电动机的自起动条件。电网 发生短路等故障时．电网电压降低，使大多数田户的电动机处于制动状态．故障 切除后，由于电动机自起动时需要吸收大量无功功率，以致延缓了电网电压的恢 复过程。发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复有效地改善电动机的运 行条件。 1.1.4.2为发电机异步运行创造条件 同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅度 下降，严重时甚至危及系统的安全运行。在此情况下，如果系统中其它发电机组 能畏供足够的无功功率，以维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时 间内以异步运行方式维持运行．这不但可以韵保系统安全运行而且有利于机组热 力设各的运行． 1.1.4.3 提高继电保护装置工作的正确性 当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大．若系统此时发生短路故 障．其短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的缮电保护不能正确工作。励 磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁以增大短路电流。使继电保护正确工 作。 1.2对励磁系统的基本要求 同步发电机励磁自动控制系统的主要任务主要由励磁系统来实现．励磁系统是由 励磁功率单元和励磁调节器两部分组成的，为了充分发挥它们的作用，完成发电 机励磁自动控制系统的各项任务，对励磁功率单元和励磁调节器性能分别提出如 下要求： 1.2 .1对励磁调节器的要求如下； 1.2 .1.1系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机 电压在给定水干。 1.2 .1. 2 励磁调节器应能合理分配发电机无功功率，为此．励磋调节器应保证 同步发电机端电压调差率可以在下列范围内进行调整。 1.2 .1. 3对远距离输电的发电机组．为了能在人工稳定区域运行．要求励磁调 节器没有失灵区。 1.2 .1. 4励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高 第 3 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 暂态稳定和改善系统运行条件。 1.2 .1. 5具有较小的时司常数，能迅速响应输入信息酌变化。 1.2 .2对励磁功率单元的要求 励磁功率单元受励磁调节器控制，对它的要求如下： 1.2.2.1要求励磁功率单元有足够的可拿性并具有一定的调节容量．在电力系统 运行中，发电机依靠励隘电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。因此， 励磁功率单元应具备足够的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。 1.2 .2 .2具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度．前面已经提到，从改善电 力系境运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励磁功率单元具有较大的 强励能力和快速的响 应能力．因此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升逮 度是两项重要的技术指标。 励磁顶值电压U励磁功率单元在强行励磁时，可EFq 能提供的最高输出电压值，该值 与额定工况下励磁电压U之比称为强励倍Efe数．其值的大小，涉及制造和成本等因素。—般取l.6～2。 励磁电压上升建度是衡量励磁功率单元动态行为的一项指标，它与试验条件和所 用的定义有关，具有直流励磁机的励磁系统，当励磁电压初值为发电机额定负载 励磁电压，此时阶跃建立励磁顶值电压(继电强励装置动作)，励磁电压上升速度曲线如图1-2所示．一般地说，在暂态稳定过程中，发电机功率角摇摆到第一个 周期最大值的时间约为0.4～0.7s，所以，通常将励磁电压在最初0.5s内上升 的平均速率定义为励磁电压响应比。 图1-2 励磁电压上升速度曲线 1.3励磁系统的分类 在电力系统发展初期，同步发电机的容量不大，励磁电流由与发电机组同轴的直 流发电机供给，即所谓直流励磁机励磁系统．随着发电机容量的提高，所需励磁 电流也相应增大，机械整流于在换流方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件 制造工艺却日益成熟，于是大容量机组的励磁功率单元就采用了交流发电机和半 导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统。 不论是直流励磁机励磁系统还是交流励机励磁系统，一般都是与主机同轴旋转。 为了缩短主轴长度，降低造价，减少环节，又出现用发电机自身作为励磁电源的 方法．即发电机自并励系统，又称为静止励磁系统。这种励磁系统对于水轮发电 机尤为适用。 1.3.1直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是过去常用的一种励磁方式。由于它是靠机械整流子换向整 流的，当励磁电流过大时，换向就很困难，所以这种方式只能在10万kW以下中 小容量机组中采用。直流励磁机大多与发电机同轴，它是靠剩磁来建立电压的， 第 4 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 按励磁机励磁绕组供电方式的不同，又可分为自励式和他励式两种。 1.3.1.1自励直流励磁机励磁系统 图1—3是自励直流励磁机励磁系统的原理接线图．发电机转子绕组由专用的直 流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻Rc可改变励磁机励磁电流中的I，从RC而达到人工调整发电机转子电流的目的，实现对发电机励磁的手动调节。 图1—4还表示了励磁调节器与自励直流励磁机的一种连接方式。在正常工作时， 与I同时负担励磁机的励磁绕组EEW的调整功率，这样可以减少励磁调节器的RC 容量，这对于功率放大系数较小，由电磁元件组成的励磁调节器来说是很必要的。 图1—3 自励直流励磁机励磁系统的原理接线图 1.3.1.2他励直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，其原理接线图如图1—4所示。副励磁机PE与励磁机DE都与发电机同轴。 图1—4还表示了励磁调节器与自励直流励磁机的一种连接方式 比较图1—3与图1—4，自励与他励的区别在于励磁机的励磁方式不同，他励比 自励多用了一台副励磁机。由于他励方式取消了励磁机的自并励，励磁单元的时 间常数就是励磁机励磁绕组的时间常数，与自励方式相比，时间常数减小了，即 提高了励磁系统的电压增长速率。他励直流励磁机励磁系境一般用于水轮发电机 组。 直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，从可靠性来说，它 又是励磋系统中的薄弱环节。在直流励磁机励磁系统中以往常采用电磁型调节 器，这种调节器以磺放大器作为功率放大和综合信号的元件，反应速度较慢，但 工作较可靠． 1.3.2交流励磁机励磁系统 目前，容量在100MW以上的同步发电机组都普遍采用交流励磁机励磁系统，同步 发电机的励磁机也是一台交流同步发电机，其输出电压经大功率整流9D整流后供给发电机转子。交流励磁机励磁系统的核心设备是励磁机，它的频率、电压等 参数是根据需要特殊设计的，其频率一般为l00H z或更高。 第 5 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同又可分为以 下几种。 1.3.2 .1他励交流励磁机励磁系统 他励交流励磁机励磁系统是指交流励磁机备有他励电源——中频副励磁机或永 磁副励磁机。在此励磁系统中，交流励磁机经硅整流器供给发电机励磁，其中硅 整流器可以是静止的也可以是旋转的，因此又可分下列二种方式。 1)交流励磁机静止整流器励磁系统 如图1—5所示的励磁自动控制系统是由与主机同轴的交流励磁机、中频副励磁 机和凋节器等组成。在这个系统中，发电机c的励磁电流由频率为l00Hz的交流 励磁机AE经硅整流器VSR供给，交流励磁机的励磁电流由晶闸管可控整流器供 给，其电源由副励磁机提供。副励磁机是自励式中频交流发电机，用自励恒压调 节器保持其端电压恒定．由于副励磁机的起励电压较高，不能象直流励磁机那样 能依靠剩磁起励，所以在机组起动时必须外加起励电源，直到副励磁机的输出电 压足以使自励恒压调节器正常工作时，起励电源方可退出。在此励磁系统中，励 磁调节器控制晶闸管元件的控制角，来改变交流励磁机的励磁电流，达到控制发 电机励磁的目的。 图1—5 交流励磁机静止整流器励磁系统 这种励磁系统的性能和特点如下： (1) 交流励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源，不受电网干扰，可 靠性高。 (2) 交流励磁机时间常数较大，为了提高励磁系统快速响应，励磁机转子采用叠 片结 构，以减小其时间常数和因整流器换相引起的涡流损耗，频率采用100Hz 或150Hz。因为 100Hz叠片式转子与相同尺寸的50Hz实心转于相比，励磁机时间常数可减小约一半。交流 副励磁机频率为400~500Hz。 (3)同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴的长度，使厂房长度增加， 因此造价较高。 (4)仍有转动部件需要一定的维护工作量。 (5) 一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发电机组失磁。如果 采用永磁发电机作为副励磁机，不但可以简化调节设备，而且励磁系统的可靠性 也可大为提高． 2)交流励磁机旋转整流器励磁系统(无励磁碳刷) 第 6 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 图1－6所示的交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种系统。它有一 个薄弱环节－滑环．滑环是一种滑动接触元件，随着发电机容量的增大，转了电 流坦相应增大。这给滑环的正常运行和维护带来了围难．为了提高励磁系统的可 靠性，就必须设法取消滑环，使整个励磁系统都无滑动接触元件，即所谓无刷励 磁系统。 图1-6 无刷励磁系统的原理接线图 它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正 好相反，交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转， 所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，这就实现无刷励磁，无刷励磁 系统没有滑环与碳刷等滑动接触部件，转于电流不再受接触部件技术条件的限 制，因此特别适合大容量发电机组．此种励磁系统的性能和特点为： (1)无碳刷和滑环，维护工作量可大为减少。 (2)发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高．并且由于无刷，整个励磁系 统可靠性更高。 (3)发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁来实现Q的，因而励磁系统的响应速度较慢。为提商其响应速度，除前述励磁机转子采用叠片结构外，还采用 减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施．另外，在发电机励励磁控制策略上还采 取相应措施增加励磁机励磁绕组顶值电压，引入转子电压深度负反馈以减少励磁 机的等值时间常数。 (4)发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转于回路中不能接入灭磁设备， 发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测(如转于 电流、电压、 转于绝缘．熔断器熔断信号等)，必须采用特殊的测试方法。 (5)要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能．能承受高速旋转的离心 力。 (6)因为没有接触部件的磨损，所以也就没有碳粉和钢碎末引起的对电机绕组的 污染，故电机的绝缘寿命较长． 1.3.2 .2自励交流励磁机励磁系统 与自励直流励磁机一样，自励交流励磁的励磁电源也是从本机直接获得的，所不 同的是，直流励磁机为了调整电压需用一个磁场电阻，而自励交流励磁机为了维 持其端电压恒定．则改用了可控整流元件。 1)自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统 这种励磁方式的原理如图1-7所示。发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经晶 闸管整流装置VS供给。交流励磁机的励磁—般采用晶闸管自励恒压方式。励磁 第 7 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 调节器AVR直接控制晶闸管整流装置。采用半导体励磁调节器及晶闸臂整流装 置，其时间常数很小，与图1—5的励磁方式相比，励磁调节的快速性较好。 图1-7 自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统 但本励磁方式中，励磁机的容量要比图1-5中的要大。因为它的额定工作电压必 须满足强励顶值电压的要求，而在图1-5中，励磁机额定工作电压远小于顶值电 压，只有在强励情况才短时达到顶值电压。因此．晶闸管励磁的励磁机容量要比 硅整流励磁的大得多。 2)自励交流励磁机机静止整流器励磁系统 这一励磁系统原理接线如图1—8所示。发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经硅整流装置VS供给，半导体型励磁调节器控制晶闸管整流装置VS，以达到调节发电机励磁的目的。这种励磁方式与图1－7励磁方式相比其响应速度较慢， 因为在这里还增加了交流励磁机自励回路环节，使动态响应速度受到影响。交流 励磁机自并励方式使励磁系统结构大为简化，是汽轮发电机常用的励磁方式。 图1—8 自励交流励磁机机静止整流器励磁系统 1.3.3静止励磁系统(发电机自并励系统) 静止励磁系统(发电机自并励系统)中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励 磁变压器供给整流装置。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分， 故称静止励磁系统．由于励磁电源是发电机本身提供，故又称为发电机自并励系 统。静止励磁系统如图1-9所示．它由机端励磁变压器供电给整流器电源，经三 相全控整流桥直接控制发电机的励磁。它具有明显的优点，被推荐用于大型发电 机组，特别是水轮发电机组．国外某些公司把这种方式列为大型机组的定型励磁 方式。我国已在一些机组上以及引进的一些大型机组上，采用静止励磁方式。 第 8 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 静止励磁系统的主要优点是； 1)励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。 2)不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减少基建投资。 3)直接用晶闸管控制转于电压，可获得很快的励磁电压响应速度，可近似认为具 有阶跃函数那样的响应速度。 4)由发电机机端取得励磁能量。机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励 磁系统输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例。而同轴励磁机系统输出的励 磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压 就低。 图1-9 静止励磁系统(发电机自并励系统) 发电机采用静态励磁系统，由发电机机端通过励磁变压器取得励磁电源，送至可 控硅整流器。励磁系统由以下设备组成： （1）由德国ABB公司生产三台单相相干式变压器,(2) ABB公司生产的UNITROL 5000型自动电压调节器(AVR)柜一套。(3) 可控硅整流柜一套。(4) ABB公司生产的UNITROL 5000型灭磁柜一套。 2.1励磁系统的型号说明 型号代码能表达励磁系统的配置和核心部件： 例如: UNITROL A5S-O/U231-A2500: 静止励磁系统的类型为UNITROL 5000，带双冗余（双通道）的自动控制通 道，具有3 个可控硅桥，型号为UNL 13300， 以n-1 的方式冗余配置。 磁场开关位于可控桥的交流侧，其额定电流为2500A。 (1) 控制部分的配置： A 双自动通道，每一通道含手动控制 Q 四通道：双自动通道加两个独立的手动通道 (2) 控制部分的硬件: 5 UNITROL 5000 (采用微处理器系统5000) (3) 整流桥配置 第 9 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 S 型(n-1 冗余) T 标准双套(1+1 冗余，100%冷备用) (5) 附加功能 O 无附加功能 A 交流切换(起动/电制动电源切换) B 动态制动(独立的动态制动整流桥) (6) 整流桥: 型号 U2 UNL 13300 (7) 整流桥：串联和并联连接，整流桥电源 (8) 整流桥：附加信息，整流器电源 ((10) 磁场开关：配置 A 励磁变压器低压侧交流开关 S 单断口直流开关 (11) 磁场开关：额定电流 开关额定电流（A）: 2.2 1. 励磁系统 类型 UNITROL 5000 型号 Q5S-O/U451-S6000 ABB 生产厂家 励磁系统的顶值电压倍数 2.167 顶值电流倍数 2.167 响应时间 < 0.1s 启励方式 DC 220V 额定功耗 （不包括励磁变压器） 68 kW 防护等级 IP54 2. 励磁变压器 类型 干式、单相变压器 型号 ABB 生产厂家 第 10 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 额定容量 kVA 相数 3 接线组别 额定频率 50Hz 额定电压： 高压侧 27kV 低压侧 961V 短路比 11% 绕组电阻 1% 高压侧能够承受1.3倍发电机额定电压的1 min. 时间 防护等级 IP23 冷却方式 AN 绝缘冲击电压 150kV 工频耐压 70kV/4 kV 局放 <20Pc F 3. 整流桥 型号 UNL13300 生产厂家 德国ABB 最大输出电压 1086V 最大输出电流 （A） （for 20 s） 8775A 整流桥每臂可控硅数目 1 整流桥数目 6 整流桥的额定电流 （A） 1750A 整流桥的反向电压 （V） 4200 V 防护等级 IP54 过电压保护 a. 在交流侧 缓冲器 b. 在直流测 卸放装置 4.自动电压调节器 （AVR） 型号 UNITROL 5000 生产厂家 ABB Switzerland Ltd 调节模式 PID+PSS 响应时间 <0.1s 调节精度 0.5% AVR调节整定范围 20% ～ 110% Ugn 手动电流调节器整定范围 0% ～ 110% Ifn 运行方式和冗余 2 AVR+2 FCR+2 BFCR 防护等级 IP54 第 11 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 5.灭磁和转子保护 a. 磁场开关 类型 高速单断口直流开关 型号 HPB60M-82S 制造商 ABB 额定电流 6000A 额定电压 2000V 断口弧压 3500V 最大遮断电流 75kA 断口数目 1 操作电压 （跳闸和合闸线圈） DC 220V 额定电压下合闸能量 Max. 9.3A， 2sec 分闸额定能量 Max. 1.33A， 2sec. 跳闸设备 2 （redundant） b. 放电电阻 材料 SiC 类型 非线性 型号 HIER 464797 单个能量 1MJ 每臂并联数目 5 每臂串联数目 1 支路数目 5 额定载荷 10MJ c. 转子过电压保护 类型 CROWBAR 型号 HUEL 412321， disk-type 额定容量 5MJ 电阻器材料 SiC BOD 电压 4～7 times Ufn 2.3 UNITROL 5000励磁系统简述 UNITROL 5000静态励磁系统利用可控硅整流器通过控制励磁电流来调节同步发 电机的端电压和无功功率，整个系统可以分成四个主要的功能块： 1）励磁变压器 2）两套相互独立的励磁调节器 3）可控硅整流单元G31-G34 4）起励单元和灭磁单元 第 12 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 励磁变励磁调节器整流器灭磁单元 调节器RE 测量元件 ~ 图1-10 发电机静态励磁系统原理简图 在静态励磁系统（常称自并励或机端励磁）中，励磁电源取自发电机机端。同步 发电机的磁场电流经由励磁变压器 –T02、磁场断路器 –Q02和可控硅整流器 G31？G34供给。励磁变压器将发电机端电压降低到可控硅整流器所要求的输入 电压、在发电机端电压和场绕组之间提供电绝缘、与此同时起着可控硅整流器的 整流阻抗的作用。可控硅整流器G31-G34将交流电流转换成受控的直流电流I。 f在起励过程开始时，充磁能量来源于发电机端残压。可控硅整流器的输入电压达 10V~20V后，可控硅整流器和励磁调节器就可以正常工作了。随之而来的是AVR控制的 软起励过程。并网后，励磁系统可以在AVR模式下工作，调节发电机的端电压和无功功率，或者可以在一种叠加的模式下工作，如恒功率因数调节、恒 无功调节等。此外，它也可以接受成组调节指令。 灭磁设备的作用是将磁场回路断开并尽可能快地将磁场能量释放掉。灭磁回路主 要由磁场断路器-Q02、灭磁电阻R02和晶闸管跨接器F02（以及相关的触发元件）组成。 根据系统的要求，励磁调节器采取双通道（-A10和-A20）的结构。一个通道主要由一个控制板（COB）和测量单元板（MUB）构成，形成一个独立的处理系统。 每个通道含有发电机端电压调节、磁场电流调节、励磁监测/保护功能和可编程逻辑控制的软件。在单通道结构中，利用一个被称为扩展的门极控制器（EGC）的分离单元作为备用通道，也就是一个手动通道。 除励磁调节器外，一些接口电路如快速输入/输出（FIO）模块和功率信号接口模块（PSI）也被用来提供测量和控制信号的电隔离。此外，每个可控硅整流桥都 配备一套整流器接口电路包括整流器接口单元（CIN）、门极驱动接口单元（GDI）和整流器显示单元（CDP）。 2.3.1励磁变压器 我公司励磁变压器采用德国ABB公司生产三台单相相干式变压器，容量为 2700kVA，变比为27 kV /0.961kV，接线形式为Yd,冷却方式为AN/AF,阻抗电压为11％。高压侧每相提供3组套管CT，两组用于保护，一组用于测量。低压侧 每相亦提供2组CT用于保护。 2.3.2励磁调节器 2.3.2.1励磁调节器的基本功能 第 13 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 AVR采用数字式（DAVR），其性能可靠，并具有与DCS、ASS的硬接口和与DCS通讯接口。它有2个冗余主控制器A和B，分别接受来自不同的PT和CT二次侧的信号量，输出信号分别经脉冲放大器A和B放大后形成触发脉冲去控制可控硅 整流器。当工作系统故障时，将自动无扰切换至备用系统。 每一个主控制器都包含手动励磁控制功能作为备用和用于调试的目的，此外每通道还有一个独立的 手动备用励磁控制通道，该通道也能提供触发脉冲和过流保护，可用于调试的目 的。该励磁控制系统除了包括较完善的控制功能外还有： 具有自动启动和手动启动两种方式； 具有用于硬件和软件的自诊断功能，能及时的检测出异常情况并提供处理步骤； 具备过渡状态的功能，包括6个通道,每通道1000个记录点,步长可调，最小为1ms，以提供故障分析和试验分析之用。 在正常运行中，参数一直被记录着。自带显示屏可以方便地显示试验参数和动态 特性，也可通过通讯接口把所记录的参数送到专用的维护工具以图形方式显示趋 势。 AVR至少设有下列附加单元： - 过励磁限制； - 过励磁保护； - 低励磁限制； - 低励磁保护； - 电力系统稳定器（PSS）； - 附加过流保护； - V/Hz限制及保护； - AVC接口及相应功能； - 恒功率调节； - 恒无功调节等。 AVR满足DL/T650 中抗电磁干扰试验要求。AVR柜设有门风机，加防尘过滤网， 风机停运后不影响AVR柜的正常运行。柜体的保护接地和工作接地分开。 AVR采用装置本体的直流稳压电源，除了直流稳压电源装置本身要可靠外，有两 路独立的电源并列运行。 2.3.2.2励磁调节器的各功能模块 1）控制板（COB） 在COB中集成了自动电压调节、各种限制、保护和控制功。COB支持与本地控制单元（LCP）、手持编程器（SPA）和CMT工具的通讯。此外，它提供串行端口， 具有自诊断功能（看门狗）。为了便于快速诊断和故障查找，COB配有一个七段数码显示管。 2）测量单元板（MUB） 测量单元板（MUB）由数字信号处理器（DSP）和IntelDSP 56303构成。它能提供对实际测量值的快速处理、电气隔离以及信号转换。 在测量单元板（MUB）上能实现下述功能： （1）滤波和数字化交流采样 （2）计算磁场电流和电压、可控硅整流器的输入电流和电压、有功和无功功率、 功率因数和发电机的频率 （3）以加速功率和频率输入信号的电力系统稳压器（PSS），其控制算法以IEEE Std. 421-2A型为基础 第 14 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 （4）自适应电力系统稳压器 3）扩展的门极控制器（EGC） 扩展的门极控制器（EGC）在单通道配置中作备用通道，并在额定频率不同于 50/60Hz的系统中用于生成脉冲。在后者情况中，它的典型应用是配合供电电源 频率高达500Hz的励磁装置生成脉冲。此外，它还用于铁路电网中发电机（16 2/3Hz）的励磁装置。EGC 连同COB、MUB一起安装在金属箱中，但结构上是独立 的。 EGC还具有下述功能： （1）磁场电流调节 （2）通道跟踪，以便在COB故障时实现平稳的切换 （3）备用瞬时过电流保护继电器（ANSI 50） （4）备用反时限过电流继电器（ANSI 51） （5）直流短路保护 （6）根据波形监测原理进行可控硅整流器导通监视 （7）自带电源 4）功率信号接口（PSI） 功率信号接口（PSI）用于电气隔离，以及在磁场测量信号被送到测量单元板（MUB） 之前将它们转换。 5）励磁调节器的电源 所有的电路板的供电电源取自于24V直流母线。24V直流母线源自于两个全冗余电源组： （1） 直流电源供电的DC/DC电源组 （2） 励磁变压器的副边供电的AC/DC电源组 6）手持编程器（SPA） 多功能的手持编程器（SPA）用于服务和维护的目的。这个面板具有现地操作、 设定参数以及应用程序编程的功能。励磁系统的数据（如：发电机端电压、励磁 电压、电流）参数设定和报警可显示出来。此外，它也具有故障记录仪的功能。 报警是实时显示的。面板是通过薄膜键来控制的。通过光纤电缆将其与控制板 （COM）连接起来。 7）现地控制面板（LCP） 现地控制面板（LCP）具有优良的人机界面，可用于对励磁系统进行现地操作和 监视。也可将其安装于电站中控室内，用于远方控制。 面板提供下述功能： （1）显示分辨率为240*64，可同时显示8*40个字符。它可同时显示8个模拟 量信号，或者以棒图的形式同时显示4个模拟量信号（显示比例从0到120%）。 在LCP上可显示多达32个信号。通过功能键可设置显示模式，通过滚动键或翻 页键进行信号选择，用光标键可选中某个显示量。 （2）报警 在出现警报的情况下，励磁系统的报警显示先于测量信号的显示。 所显示的报警内容包括报警序号和40个字符的警报描述正文，LCP可按时间先 后顺序同时显示8个报警信息。如果出现8个以上的报警，可通过操作滚动键来显示。最多可以显示80个报警信息。在报警功能键上有一个报警指示灯，每次 发生报警时它就闪烁。按确认键之后，若警报还存在，指示灯始终发亮。警报消 第 15 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 失后，报警指示灯自动熄灭。 （3）信号和报警信息的打印。 （4）LCP内存储的信息可通过其串行接口RS-232打印出来。 （5） 所选模式的指示。 （6）每个被选模式键都配有一个指示灯，用以指示该模式被选中。 （7）现地操作。 （8）LCP上有16个功能键用于操作，每个键都配有一个LED用以指示该键的状态。 2.3.3可控硅整流器 可控硅元件串联数为1，同臂并联可控硅元件数为6，当1个并联支路退出运行时，能满足发电机强励要求。当2个支路退出运行时，能保证发电机在额定工况 下连续运行。整流装置的每个功率元件都设有快速熔断器保护，以便及时切除短 路故障元件，并可检测熔断器熔断并给出信号。每个空气冷却的整流柜采用可靠 的4个低噪声风机（含100％的备用容量），在风压或风量不足时，备用风机能 自动投入，采用两路冷却风机电源，两路电源能够自动切换。整流装置并联元件具有均流措施，整流元件的均流系数不低于0.95。 2.3.3.1可控硅整流器的各功能模块 1）整流器接口单元（CIN） 整流器接口单元（CIN）是一个独立的控制和调节装置，并且与门极驱动接口 （GDI）、电流传感器（CUS）和整流器显示单元（CDP）配合使用，它是整流柜的一个组成部分。它的主要功能是向门极驱动接口单元（GDI）发送一系列触发脉冲，用于三相全控整流桥的工作。此外，该装置还包括以下功能： （1）在控制板（COB）和门驱动接口（GID）之间为触发脉冲和控制信号提供电 气隔离。 （2）测量整流桥的输出电流，并监测桥臂电流。这些信号还用于本地整流器显 示（CDP）。 （3）提供与ARCnet网络接口与控制板（COB）连接。 （4）监控可控硅整流器部件的状态，如熔断器、温度等。这些信号被逐次地通 过ARCnet网发送到控制板（COB）。 （5）传送来自控制板（COB）的命令，如脉冲截止/导通，风机接通等。 （6）调节并联运行的晶闸管整流桥间的电流分配，并使其最优化，即所谓的智 能化均流。 2） 门极驱动接口单元（GDI） 门极驱动接口单元（GDI）用于放大脉冲，使之与晶闸管触发的必需的水平相匹 配。脉冲变压器是该装置的一部分。然而，对于隔离水平超过5KV的专用类型，脉冲变压器是独立提供的，并且单独地安装到晶闸管整流桥上。 3） 电流传感器（CUS） 电流传感器用于测量晶闸管整流桥的分支电流。它的输出信号直接连接到整流器 接口单元（CIN）。 4） 整流器显示单元（CDP） 第 16 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 整流器显示器单元（CDP）安装在柜门上，指示整流器的工作状况。它提供以下 功能： （1）利用LED显示每个晶闸管支臂的导通状态。有故障的支臂可在其指定的LED上显示出来。 （2）利用LED显示整流器接口单元（CIN）的状态，或CIN故障信号。 （3）显示整流器输出电流。 2.3.4起励和灭磁单元 在静态励磁系统（通常称为自并励或机端励磁系统）中，励磁电源取自发电机机 端。同步发电机的励磁电流经由励磁变压器、磁场开关和可控硅整流桥供给。一 般情况下，起励开始时，发电机的起励能量来自发电机残压。当可控硅的输入电 压升到10V～20V时，可控硅整流桥和励磁调节器就能够投入正常工作，由AVR控制完成软起励过程。如果因长期停机等原因造成发电机的残压不能满足起励要 求时，则可以采用220V DC电源起励方式，当发电机电压上升到规定值时，起励 回路自动脱开。然后可控硅整流桥和励磁调节器投入正常工作，由AVR控制完成软起励过程。励磁系统软起励的过程曲线如图1－11： UG 100% Softstart Field flashing tSoftstart time (Ex. 5s) 图1-11 UN5000励磁系统软起励过程曲线 并网后，励磁系统工作于AVR方式，调节发电机的端电压和无功功率，或工作于 叠加调节方式（包括恒功率因数调节、恒无功调节以及可以接受调度指令的成组 调节等）。灭磁设备的作用是将磁场回路断开并尽可能快地将磁场能量释放，灭 磁回路主要由磁场开关、灭磁电阻、晶闸管跨接器及其相关的触发元件组成。 2.4 UN5000励磁系统性能 2.4.1 过载能力 当发电机的励磁电压和电流不超过其额定励磁电流和电压的1.1倍时，励磁系统能保证连续运行。 2.4.2 强励能力 励磁系统满足强励要求，电压强励倍数不小于2倍T-MCR工况下励磁绕组电压，电流强励倍数不小于2倍T-MCR工况下励磁电流，允许强励时间大于等于10秒。 2.4.3 电压控制精度 发电机电压控制精度，不大于0.5％的额定电压。励磁控制系统暂态增益和动态 第 17 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 增益在机端电压突降15～20％时，保证可控硅控制角达到最小值。 2.4.4 电压响应速度 励磁系统电压响应时间不大于0.1秒。在空载额定电压下，当电压给定阶跃响应 为?5％时，发电机电压超调量不大于阶跃量的30％；振荡次数不超过3次；发电机定子电压的调整时间不超过5秒。发电机零起升压时，自动电压调节器保证 定子电压的超调量不超过额定值的10％，调节时间不大于10秒，电压振荡次数不大于3次。 2.4.5 自动电压调节器的调压范围 发电机空载时能在20％～110％额定电压范围内稳定平滑调节，整定电压的分辨 率不大于额定电压的0.2％。手动调节范围从空载10％到130％额定电压值。 2.4.6 电压频率特性 当发电机空载频率变化?1％，采用电压调节器时，其端电压变化不大于 ?0.25％额定值。在发电机空载运行状态下，自动电压调节器的调压速度，不大于 1％额定电压/秒；不小于0.3％额定电压/秒。 7） 过电压和过电流 可控硅支路过电流保护能在交、直流侧短路故障情况下，可靠切除故障。 励磁变压器低压侧设有过电压保护装置。发电机转子设有过电压保护装置,且简单可靠，动作电压值高于强励后灭磁和异步运行的过电压值，能吸收因失步引起的 过电压，同时低于转子绕组出厂耐压试验值的70％。在强励状态下灭磁时发电 机转子过电压值不超过4～6倍额定电压值。 2.5励磁系统操作与调整 UNITROL5000励磁系统正常情况下励磁系统由控制室远控操作。直接安装在励磁 系统前面板上的就地控制屏仅在调试、试验或紧急控制时选用。运行人员必须熟 悉系统控制和显示元件的设计，必须熟悉励磁系统各命令的作用，并能够熟练的 使用这些控制及显示单元。 UNITROL5000励磁系统主要有以下几种控制方法： 1）从控制室用键盘命令进行远方控制。此命令是通过励磁系统以二进制信号发 出。 2）从控制室用屏幕监视器控制命令进行远方控制。此命令是通过励磁系统以二 进制信号或通过Field bus总线发出。 3）使用集成在励磁系统中的就地控制单元（就地控制屏）进行就地控制。 下面的表3－2列出了可用的远控或就地控制命令。右边的一列(反馈指示)表示反馈指示是否在控制室显示： 表3－1 可用的远控或就地控制命令列表 命令 远控 现地控制 反馈指示 励磁回路开关合上 , , , 励磁回路开关断开 , , , 励磁投入 , , , 励磁退出 , , , 通道1运行 , , , 通道2运行 , , , 运行方式－自动 , , 第 18 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 运行方式－手动 , , 工作调节器给定点 升高 最大位置 , , 工作调节器给定点 降低 最小位置 , , 无功功率调节器运行 , , , 无功功率调节器退出 , , , PSS投入 , , PSS退出 , , 控制方式...现地控制 , , 控制方式...远方控制 , 指示灯测试 , 释放 , 起励开关合上 , , 起励开关断开 , , 上表中带阴影的就地控制命令，表示只有同时在就地控制盘按下RELEASE 键才有效。 2.5.1远方控制 许多控制命令和反馈指示可以实现在控制室对励磁系统进行有效的远方控制。当 励磁系统开关置于REMOTE方式，从控制室发出的命令就是有效的。励磁系统和 发电机的命令及它们的作用详述如下： 2.5.1.1励磁开关合上/断开 只要没有跳闸信号，命令ON就可以闭合励磁开关。开关一旦闭合，励磁就接通。 命令OFF可以断开励磁开关，同时励磁退出，将励磁系统中的整流桥切换到逆变 方式运行(磁场能量反馈) ，将灭磁电阻与转子绕组并联，发电机经整流桥和灭 磁电阻快速灭磁。远方断开磁场开关操作的条件是发电机主开关在分位(发电机空载运行)。 2.5.1.2励磁投入/退出 励磁投入命令 EXCITATION ON用于投入发电机励磁。励磁系统向发电机转子提 供励磁电流，发电机迅速升压到额定值。只要跳闸命令TRIP在作用，励磁接通命令就无效。当励磁接通命令发出时，如果励磁开关仍在断开位置，它将自动闭 合，只是在灭磁开关闭合以后才能励磁，励磁电流流通。 起励成功必须保证下述的一些前提： 1）励磁开关必须已经在接通ON位置。 2）没有断开命令和跳闸信号。 3）发电机转速应当大于额定转速的90%。 4）如果励磁变压器直接由发电机机端供电，就必须有建立励磁的辅助电源。 命令EXCITATION OFF用来立即切断发电机励磁。此时，励磁系统整流器转换为 交流逆变运行 （磁场能量反馈） ，同时将灭磁电阻切换到与转子绕组并联，以 使发电机通过整流器逆变和灭磁电阻迅速放电。在断开励磁命令的同时，励磁开 关也断开。60秒以后，加到整流器上的触发脉冲被闭锁，整个励磁系统被完全 闭锁和切断。 远方励磁退出操作的条件是发电机主开关在分位(发电机空载运行)。 2.5.1.3通道1 和通道2 之间的切换（双自动通道系统） 励磁系统由两个完全独立的调节和控制通道(通道1 和 通道2) 组成。两个通道完全相同，可任选通道1 或通道2为运行通道。备用通道(非运行通道) 总是自 第 19 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 动地跟踪运行通道。 除下列情况以外，通常可在任何时间进行通道切换： 1）在运行通道中检测到故障，自动切换到第二个通道运行。在故障排除前不能 切回到原通道运行。 2）如果备用通道故障，将闭锁从运行通道到备用通道的人为切换。 通道故障时，发电机电压也可能发生波动。此时即将自动投入运行的备用通道不 应跟踪该扰动。为此，备用通道应延时跟踪，跟踪速度应相对缓慢。在人为从运 行通道向备用通道的切换时，考虑到跟踪延时的作用，如果切换前瞬间发电机电 压有变化，需等待跟踪平衡，即在切换完成前有短暂的延时。这样，在各种场合 下都能实现无扰动切换。 2.5.1.4自动/手动方式之间的切换 励磁系统的每个通道都包括自动和手动两种调节方式。在自动方式下，励磁系统 自动调节发电机电压，最大限度地维持发电机机端电压恒定。在手动方式下，励 磁系统自动维持发电机恒定励磁(磁场电流)。在手动方式运行时，必须根据发电机的负荷变化人为调整发电机的励磁(磁场电流的给定值)，以维持发电机电压恒定。 备用调节方式总是跟随运行调节方式，因此，除非出现下列情况，在任何时侯都 可以在不同的运行方式之间进行切换。 1）如果在自动方式中检测到故障(紧急切换到手动方式运行)，在故障排除前不 能切回自动方式运行。 2） 如果手动方式发生故障，将闭锁从自动方式到手动方式的切换。 3）发电机以自动方式运行于允许的极限范围内，但该工况已经超出手动方式允 许的运行范围，手动调节器将无法跟随自动调节器。在此情况下，反馈指示“自 动/手动跟踪平衡”有效，闭锁手动通道的跟踪。 在故障情况下自动切换到手动方式时，应切换到故障前的运行工况。因此，手动 调节器对励磁电流变化的跟踪具有延迟，且跟踪速度相对缓慢。在人为从自动方 式向手动方式切换时，考虑到跟踪延时的作用，如果切换前瞬间发电机励磁电流 有变化，需等待跟踪平衡信号“自动/手动跟踪平衡”，即在切换完成前有短暂的 延时。这样，在各种场合下都能实现无扰动切换。 注意： 手动调节作为特殊运行的调节方式(后备调节方式)，只有励磁电流调节功能(无发电机电压调节功能)。在手动方式下，发电机的励磁必须由熟练的运行 人员来监视。当发电机电压和电流互感器信号正常时，在手动方式下低励限制器 也能防止发电机危险的低励磁，在极端情况下，低励磁可导致滑极。此外，在空 载及低转速情况下，V/Hz 限制器使励磁电流降低，以防止发电机和与之相连接 的变压器过饱和。实测值如发电机电压、电流和无功功率等必须由运行人员监视， 必要时，通过改变励磁电流给定值的办法加以调整。 2.5.1.5 切换至紧急后备通道（4 通道系统） 除两个主通道之外，励磁系统还提供两个独立的紧急后备通道。与主通道的手动 方式相似，紧急后备通道也设有一个励磁电流调节器。除此之外，紧急后备通道 还设有过电压保护和独立于主通道的触发脉冲形成功能。内置的过电压保护是主 通道内置保护功能的冗余措施。紧急后备通道的励磁电流调节器与主通道励磁电 流调节器在作用上是相同的，即紧急后备通道只能调节励磁电流，而不能调节发 电机电压。紧急后备通道的励磁电流调节器自动跟踪主通道，在主通道发生故障 的情况下，能自动实现无扰动切换。从主通道向紧急后备通道的人为切换只能由 第 20 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 被授权的专业人员完成。在调整两个调节器后，才能切回到主通道。 2.3.1.6 恒无功功率调节/恒功率因数调节的投入/退出 如果选择自动方式，并且发电机已连接到电网，就可以切换到无功功率调节器（Q）/ 功率因数调节器（cosΦ）。无功功率调节器（Q）/ 功率因数调节器（cosΦ）是电压调节器的上位调节器，并且在运行中只是缓慢地起作用。因此，电网的短 时故障不会影响此上位调节器，而还是电压调节器在起作用。自动方式的所有限 制器和原来一样起作用，如果需要的话可以控制电压调节器包括上位调节器。 图1-12 叠加控制原理框 无功调节器/功率因数调节器的特点是可以对其自身的给定点进行设置（给定点 积分器）。当上位调节器断开时，给定点设置总是跟随实际值（当前的无功功率 Q/当前的功率因数）。这就意味着发电机的运行点从电压调节器过渡到上位调节器 不能立即起作用。而只是在上位调节器的设定点由HIGHER-升高 / LOWER-降低命令调整后，无功功率 Q /功率因数也相应地改变。 2.5.1.7 具有上限/下限反馈指示的增磁/减磁(?/?) 命令 控制室中的?/?命令可控制自动和手动或自动、手动和叠加调节器的给定值。 某个给定值只当其运行方式被选中时才能接受增减磁命令。 1) 自动方式运行 在自动方式下，发电机电压的给定值由?/? 命令来调整。在空载运行时，改变 此给定值可调整发电机电压，在带负载运行时，改变此给定值可调整无功功率。 如果运行点位于发电机定子和/或转子的限制区域，相应的限制器动作，在限制 方向上干预和阻止?/? 命令的作用。 如果发电机电压给定值达到它的上限或下限设定值，"所选调节器在上限位/下限位"信号有效。如果同时给出?和? 命令，则给定值不变。励磁投入时，发电机电 压给定值会自动设定到它的标称值。 2) 手动方式运行 在手动方式运行时，励磁电流给定值可由?/? 命令来调整。在空载运行 时，改变此给定值可调整发电机电压，在带负荷运行时，改变此给定值可调整无 功功率。在手动方式下，只有低励磁限制( 防止发电机滑极)和V/Hz 限制( 防 止磁路饱和)两个限制器。与自动方式不同，?/? 命令不是总能受到限制器的 保护。因此，必须按照功率图小心地确保不超过转子和发电机的运行极限。 如果励磁电流给定值达到它的上限或下限设定值，"所选调节器在上限位/下 限位"信号有效。如果同时给出?和? 命令，则给定值不变。励磁投入以及发电 机开关断开时，励磁电流给定值会自动设定到空载励磁电流值（If0）。 3) 无功功率调节器/ 功率因数调节器 在调整叠加调节器的设定值时应考虑叠加调节器的缓慢反应，防止设定值调整过 第 21 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 度。要更直观地调整给定值，可在控制室中设恒无功功率/恒功率因数给定值的 反馈指示。如果恒无功功率/恒功率因数给定值到达到它的上限或下限设定值，"所选调节器在上限位/下限位"信号有效。 2.5.1.8电力系统稳定器PSS 投入/退出 电力系统稳定器(PSS)用于阻尼发电机转子和/或电网的低频振荡。当发电机有功 功率超过可预置的设定值，以及发电机电压在预先设定的范围内(例如在90-110% UGN)时，可人为投入电力系统稳定器PSS。电力系统稳定器不需要任何设定。PSS 可以随时人为退出，如果发电机的有功功率或电压超出设定值或者与发电机从电 网解列，PSS 会自动退出。 2.5.1.9故障退出(跳闸命令TRIP) 在系统发生故障时如发电机保护动作时，励磁系统将自动退出运行，同时励磁开 关断开。 故障励磁系统退出运行后，应记录就地控制面板上显示的报警信息，请专业 人员处理故障，故障定位指南见第8 章“维护与故障定位”。故障排除后，可 用“复归Reset”键清除报警。报警信号被复归后，可再次投入励磁系统。 2.5.1.10复归 如果在控制室有“励磁系统综合报警”（"Excitation System Alarm"）信 号发出，必须在复归故障前读出并分析就地控制面板上的故障记录。 故障报警可用远控复归键复归。如果报警复归不掉，则应认定故障原因尚未 消除。请勿反复按动复归键，因为每次复归操作都会被记录在UNITROL? 5000 的 故障记录器中。频繁操作会填满故障记录器并将记录的真实故障删除。 2.5.1.11模拟量显示 通常只有励磁电流信号从励磁柜传送到控制室。发电机运行所需的其它显 示，如发电机电压、发电机电流、有功功率和无功功率等不是系统的标准配置。 2.5.1.12 状态和报警信息 除上述的反馈指示外，在控制室内还有下列状态和报警信息显示： 1）磁场开关合入/断开 该信息用于显示磁场开关的位置。 2） 就地控制 该状态信息表示： 系统不能在远方控制操作。 消除方法: 在励磁柜就地控制面板上将操作切换到“远方”。 3） 低励/过励限制器动作 表示作用于减小励磁电流的过励限制器或作用于增加励磁电流的低励限制器动 作，发电机电压调节器和已投入的叠加调节器无效，限制器进入连续运行。限制 器动作后通常会削弱励磁系统对负荷波动的动态响应。 第 22 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 消除方法: 如果有可能，应通过调整给定值使限制器退出运行。 4） 综合报警 综合报警信号可反映励磁系统的所有故障。详细故障信息可在励磁系统就地 控制面板上看到。如果在运行中发生故障，必须将这些故障信息记录并通报维护 人员。系统通常可带故障继续运行，但故障性质严重时会导致系统自动停机。如 果发生停机，在排除所有故障并清除故障报警之前，不应重新起机。 5） 通道切换准备就绪（双通道系统） 只有通道切换准备就绪信号有效时，方能保证通道1 与通道2 之间或自动 方式与手动方式之间的切换是平稳的。 6） 通道切换准备就绪（单通道系统） 只有通道切换准备就绪信号有效时，方能保证自动方式与手动方式之间的切 换是平稳的。 7） Field bus 总线控制 有些系统可能设有以串行通讯为媒介的某种现场总线控制手段。 2.5.2就地控制 8-lines display Keys for paneloperation Keys for localoperation ofexcitation system 图1－13 UN5000励磁系统就地控制面板 调节器柜上的就地控制面板LCP布置情况如图1－13所示，它包括16个带LED的特殊系统显示及控制键、10个运行方式及内部功能控制键、以及一个具有8行每行40个字符的LCD显示屏。励磁系统的基本控制可以使用具有状态信息的 16个键来进行。报警信息及模拟量可以在LCD液晶显示屏上显示。 1）模拟量显示 最多可在控制面板上选点显示64个预定义模拟量。每屏可同时以数码形式显示 8个模拟量，或以量程为（0～120）% 的棒图显示4个模拟量。模拟量信号可用 下列形式显示在控制面板的液晶显示屏上： 数码显示 当按下此键时，8个带有通道编号、信号名称、数值和单位的模拟 信号出现，并且黄色发光二极管LED点亮。使用滚动键可以显示更 多的模拟信号。 第 23 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 棒图显示 系统初始化后默认显示下列8个预定义的模拟量： 当按下此键时，首先出现4个带有通道编号、信号名称、数值和单 位以及组合矩形显示条的模拟信号。同时，黄色发光二极管LED点 亮。使用滚动键可以显示更多的模拟信号。 通道号 数值 单位 数值1 发电机电压 kV 数值2 发电机电流 kA 数值3 有功功率 MW 数值4 无功功率 Mvar 数值5 励磁电流 A-dc 数值6 自动通道的设定点 kV 数值7 手动通道的设定点 A-dc 数值8 发电机电压的实际值 % 2）故障显示 励磁系统的各种故障报警和跳闸信号可分为报警、保护切换和跳闸3 组。当第1 个故障发生时，控制面板自动切换到故障显示并显示相应故障，复归 键上的发光二极管闪烁。首发故障显示在第1 行，继发故障则显示在后续各行。 显示故障信息： 在有故障时(红色发光二极管亮)按下此键，可显示多达8 个故障信 息。第1 个故障总是显示在第1 行，继发故障则按故障编号的顺序 显示在后续行。要显示更多的故障信息，可使用滚动键。 复归故障信息： 全部报警存储在控制盘内。此外，特殊指定的报警也存储在微处理器 内；这些只能靠按下复位键并持续一段时间来复位。 点动复归按钮RESET: 用于清除存储在就地控制面板内的故障显示。如果此时报警信号已经消失，按键 上的发光二极管就会熄灭。当点动复归按钮时，如果存储在微处理器内的报警信 号依然有效，发光二极管会从闪光变为连续发光。如果又发生新的故障报警，发 光二极管会重新闪烁。 按下复归按钮RESET 并维持1 秒钟以上： 既可复归就地控制面板内存储的报警，也可复归微处理器内存储的报警。如 果此时报警信号已经消失，按键上的发光二极管就会熄灭。进行本操作时，如果 实际存在报警，按键上的发光二极管会从闪烁变为常亮。如果又发生新的故障报 警，发光二极管会重新闪烁。 3.显示和打印控制： 光标键 按此光标键，可以选择显示屏上的1„8行或者1„4行的位置。当 前行是高亮度的并带有反向对比度表示的通道编号。当显示达到最 后一行时，就跳回到第一行。光标键仅在模拟信号显示时有效 （数 字显示或矩形条显示）。 滚动键 第 24 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 当显示模拟信号 （数字显示或矩形条显示） 时按下滚动 键，显示的 （反向对比度表示的） 通道编号及它的模拟 量数值随之改变。 当显示故障信息时按下滚动键，处在第2行„第8行的所 有故障信息，由某一位置向上或向下移动。第一行显示的 第一个故障总是保持在原来位置。 换页键 当按下换页键时，通道号变化10个位置或者故障号变化 6个位置。除此之外，其它功能类似于滚动键。 打印键 当按下打印键时，第1„第8行的模拟量值通过RS-232串行接口 传送到打印机 （如果已连接）。如果故障信息已经激活，这些信 息也被传送到打印机。如果正在传送数据并且打印机已经接收到 它们，则LED黄色发光二极管点亮。如果LED黄色发光二极管闪 烁，则是打印机的缓冲器暂时充满。 为了延长液晶显示器LCD的使用寿命，液晶显示器的显示及背景光不需要按任何 键，在60分钟后被关掉和消失。之后，如果按下就地控制盘上的10个功能键之一，或者如果产生一个故障信息，则就地控制盘上的液晶显示器将再次被接通工 作。 4）命令键 就地控制面板还装有用于励磁系统就地控制的键盘。就地控制的方法与远方 控制相同，控制命令如下： 在上表中，只有同时按下解锁键时，阴影区域内的就地命令才有效。 5）维护操作面板（手持屏） 除就地控制面板外，还提供1 个手持屏。手持屏不是励磁系统的就地控制装 第 25 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 置，而是帮助授权维修人员排除故障的简便工具。 除就地控制面板外，还提供1个手持屏。手持屏不是励磁系统的就地控制装 置，而是帮助授权维修人员排除故障的简便工具。手持屏使用说明详见第3 章。 2.4.3系统运行 2.4.3.1励磁系统投入前的检查 在励磁系统投入之前，必须保证所需要的全部电源已经送电，保证能安全启动， 且必须进行下述的检查： 1）系统的维护工作已完成。 2）控制和电源柜已准备好待运行并且适当地被锁定。 3）发电机输出空载，临时接地线拆除。 4）灭磁开关的控制电源及调节器电源已送电。 5）没有报警信号和故障信息。 6）励磁系统切换到远方控制方式。 7）励磁系统切换到自动运行方式。 8）发电机达到额定转速 （检查显示仪表上的转速）。 2.4.3.2励磁系统投运 表3－2 发电机励磁系统投运序列表 动作 显示 控制 指示灯1 励磁开关合上 励磁开关已合上 ON亮 指示灯2 励磁系统投入 在5－20秒内建压 ON 亮 , 发电机空载运行 励磁系统准备低负载运行。使用上升发电机电压调整到设定点。 3 /下降键可以将发电机电压调整到电 网电压。 当电网电压与发电机电压同步时，闭发电机的无功功率接近于4 合发电机的主电路开关。 零。 , 发电机低负载运行 使用上升/下降键设定发电机的无功调整发电机的电压，发电机5 功率到期望的运行极限以内。 产生一定的无功功率。 2.3.3.3运行中的检查 运行期间应当进行下列定期检查： 1) 在控制室中 （1)无限制器动作。 （2）运行调节器的给定值没有达到极限位置。 （3）通道间跟踪平衡，通道切换准备就绪。 （4）励磁电流、发电机电压和无功功率平稳。 尽管手动方式的励磁电流调节功能始终处于监视器的监视之下，厂家推荐定期切 换到手动运行方式，如在每次起动后，通过短暂运行来检验其性能。尽管备用通 道的功能始终处于监视器的监视之下，厂家推荐定期地切换到备用通道，如在每 次起动后，通过短暂运行来检验其性能。 2) 在励磁柜旁: 第 26 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 （1) 无报警动作。 （2） 无异常噪音。 2.3.3.4励磁系统停运 动作 显示 控制 发电机与电网解列： 通过发电机电压设定点来 减小无功6 功率。通过透平调节器减小有功功率。 断开发电机主电路开关 指示灯发电机电压在几秒钟内下7 励磁系统退出，励磁开关断开 OFF亮 降到零。 发电机励磁系统投入和退出的时序图如图1－14所示。 第 27 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 Reset to 100% personnelBy operating 56 3 regulationimposedpersonnelON / OFFSuper-By operating RegulationMANUALimposedSuper-VoltageCompensation to AUTO-RegulatorSynchron. system Higher/lowerPerm. reset to 90% Ifo74value changeReference OFFReset to 100%8ON2(Standard application without additional application program, no fault or alarm present)OffQ/cos,On / off cycle for generator application*) Remote operation: Enable via external locking functionsOnQ/cos,19 Perm. reset to 90% Ifo OFFOFFONONOffExc. OnExc.OFFON r.p.m.FCB OffcontrolFCB Onno alarmLocalNo fault ON / OFFOFFcontrolONbreakerexcitation *)RemoteMachineEnableLoad operation (on network) ON / OFF图1-14 发电机典型的启动/停机顺序 Excitation 第 28 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 发电机典型的启动/停机顺序 2.3.3.5事故紧急停机 在某些情况下，某些外围设备发生故障的特殊情况可导致励磁系统既不能在远方 控制也不能在就地控制，但仍有可能在紧急情况下切断励磁系统：就地按下励磁 柜上的“紧急停机”按钮或发送“外部跳闸”信号到端子X21:1-51/X22:1-51。紧急停机可断开发电机和励磁系统，但励磁系统的电源电压并没有被切断。 注：发电机主开关在闭合位置时，会闭锁远方切除励磁系统的操作。(需首先跳发电机主开关)。只有在正常停机命令无法切除励磁系统时才可使用“紧急停机” 命令。 UNICTROL 5000励磁系统自动控制配置有多种型式，我厂选用的是2 AVR+2 FCR+2 BFCR，也就是带有手动紧急备用通道的双通道系统（如下图3－6所示）。这是目前UNICTROL 5000励磁系统的最高配置。 图1-15 带有手动紧急备用通道的双通道系统 2.4.1电力系统稳定器PSS 电力系统稳定器（PSS）是UNITORL 5000测量单元板MUB的一个标准软件功能。PSS 通过引入附加反馈信号来抑制同步发电机的低频振荡，提高电网的稳定性。 PSS的控制算法基于双输入型的PSS模型，附加反馈信号为机组的加速功率信号， 由电功率信号和转子角频率信号综合而成。 发电机的有功功率达到某一设定值时，就可以手动投入电力系统稳定器 PSS（此工作必须由专业的操作人员进行），发电机电压则被限制在设置的给定范围内 （例如在90-110% U）。PSS可以在任意时间手动退出，并且，如果发电机有功GN 功率及电压超出设定值或者与电网解列，PSS将自动退出。 2.4.2转子接地保护 转子接地保护装置UNS 3020是一个独立的保护继电器。它用作发电机整个转子 回路（包括功率可控硅和励磁变压器二次侧）的接地故障保护。它的特点是：2段结构（1段报警，2段跳机），每段定值和延时可单独调整。 如图3－8所示为ABB公司UN5000励磁系统接地保护继电器原理接图。保护为叠 加交流电压测量导纳电桥式，CK1和CK2为隔直耦合电容，CR为发电机励磁回路 第 29 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 对地等效电容，隔直电容CK1和CK2和励磁回路等效电容CR串联，接于交流电桥的测量臂。 大机组的励磁回路对地电容较大，仅励磁绕组对地电容即可达1～2μF，若附加 , 电压的频率为50Hz，则对地容抗仅有1.6~3.2kΩ。可见，对于氢冷机组，对U0 地电容的容抗要远小于对地绝缘电阻（一般为兆欧级），因此，叠加交流电压式 一点接地保护的灵敏度较低，为了提高灵敏度，采用了交流电桥。 这种叠加交流电压式一点接地保护，接线简单，没有死区，整个励磁绕组上任一 点接地灵敏度基本上相近，可用作发电机整个转子回路（包括功率可控硅和励磁 变压器二次侧）的接地故障保护，这是其优点。 但是电桥平衡容易受转子碳刷和大轴接地碳刷接触电阻的影响；对叠加交流电源 的频率要求较严格；测量臂为复数臂，因此调节电桥平衡比较麻烦。 图1-16 转子接地保护原理图 2.4.3限制器 限制器的目的是维护发电机的安全稳定运行，避免由于保护继电器动作而造成非 正常事故停机。图3－9示出了额定端电压时凸极同步发电机的典型功率圆图和 对应的运行极限位置。由图中可以看出，在过励区域设置有最大励磁电流和感性 定子电流两个过励限制器；在欠励区域设置有容性定子电流、无功限制（P/Q限 制）和最小励磁电流三个欠励限制器。 限制器的工作原理是：每个限制器都有其限制量和限制值，当限制量的数值达到 限制值时，相应的限制器就会产生一个限制量与限制值之间的偏差信号。过励区 域限制器动作后，会把励磁电流减小到一个最大允许水平；而欠励区域限制器动 作后，则会将励磁电流增加到所需要的最小水平。在正常工况时，发电机运行在 功率图的允许范围内，PID控制器的输入是机端电压的偏差信号，即主偏差信号。 如果运行工况变化使过励限制器偏差信号低于主偏差信号，它的优先级将高于主 偏差信号，这样，PID控制器就得到各偏差信号中的最小值。这种原理也同样适 第 30 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 用于欠励限制器，但方向相反。 2.4.3.1励磁电流限制 最大励磁电流限制器用于防止转子回路过热，它设计具有反时限特性。限制器有 两个限制值：一个是强励顶值电流限制器，另一个是连续运行允许的过热限制值。 与过热限制值关联的两个控制参数分别是转子等效加热时间和转子等效冷却时 间。 同步发电机正常运行过程中（无限制器动作），最大励磁电流限制器的限制值是 强励顶值电流限制值I，即AVR可以在必要时提供强励顶值电流。在系统故障max 需要强行励磁来排除故障时，如果励磁电流的实际值超过过热限制值，调节器就2会启动一个剩余功率积分器，将电流偏差值?i（其中?i＝I－I）对时间fieldtherm积分，其结果正比于励磁绕组的加热能量。如果励磁电流持续高于过热限制值，2那么积分器的输出??idt＝?E 将会增加。当积分器的输出值超过?E时，max最大励磁电流限制器的限制值将从I降低到I。上述工作由过热检测器完成。maxtherm 当励磁电流降到正常值 以下后，剩余功率积分器启动反向冷却积分，按冷却时 间常数T降低其输出。 cooling 图1-17 凸极同步发电机的典型功率圆图 如果系统继发故障，允许再次强励，如果此时冷却时间尚未结束，则剩余能量达 到?e 所需的时间（即在此强励电流下允许运行的时间）比第一次强励时间要max 短。如果冷却时间已经结束（限制器复位），限制器将允许励磁电流在强励允许 的正常时间段中保持在顶值水平，可以用外部信号干预过热限制值I，如表示therm发电机冷却气体的温度信号，该信号可以被附加到过热限制值I上。最大励therm磁电流限制器在不同情况下有两种限制特性如图1－18所示。 第 31 页 共 35 页 If [A] 第三章 发电机励磁系统 prospective value offield current IfmaxCase 1(1,6*Ifn) Case 2 Iftherm(1,05*Ifn) t [s] Tequiv (10 s) t图1-18 最大励磁电流限制器的两种限制特性 最小磁场电流限制器的主要任务是防止失磁。这个功能通常用于水轮发电机组， 它有可能在功率图的欠励侧做深度进相运行，即近于零励磁电流运行。在这种情 况下，最小励磁电流限制器保证励磁电流不小于最小限制值。该限制值是维持变 流器正常工作所必须的，同时还可用于防止转子极靴过热。最小磁场电流限制器 只有一个最小限制值，瞬时动作。 2.4.3.2定子电流限制 该限制器用于防止发电机定子过热，在过励和欠励侧均有效。其工作原理与最大 励磁电流限制器的工作原理相似。主要差别在于定子电流限制器没有一个确定的 最大定子电流限制值，当时间趋于零时，限制值理论上可趋于无限大（I＝?），max通过适当的参数整定，可以得到接近于定子绕组最大允许热能?E的反时限特max性。 定子电流限制器分欠励侧和过励侧两部分，其限制量均为定子电流的平均值。当 发电机过励时，欠励侧定子电流限制器截止，反之亦然。通过检测负载的功率因 数，可保证定子电流限制器双方向（过励和欠励）动作的正确性。显然，定子电 流限制器不能影响发电机的有功电流分量。如果发电机的有功电流分量高于定子 电流限制器的限制值，为避免误动作，限制器会自动将发电机无功功率调整为零。 2.4.3.3 P/Q限制器 P/Q限制器本质上是一个欠励限制器，用于防止发电机进入不稳定运行区，该限 制器的限制曲线由对应五个有功功率点（P＝0％，P＝25％，P＝50％，P＝75％，P＝100％）的五个无功功率设定值确定，曲线与发电机的定子电压水平有关，发 电机电压变化时，限制曲线随之偏移。 2.4.4灭磁和过压保护 触发单元是静态灭磁装置（跨接器）的一部分，具有多个独立的放电可控硅触发 回路，如图1－19所示。 第 32 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 3 UNS 00174 X11Steuersignale224...250 VDC 56 7 图1-19 灭磁回路原理 电机的受控灭磁回路可以是双冗余的，与灭磁开关的跳闸线圈同时接通。另外， 设有一个电压检测回路，在励磁电压超过预设值时它会自动触发可控硅。因此跨 接器作为独立的过电压保护装置，可保护可控硅桥和磁场绕组免受危险过电压尖 峰的冲击。 2.4.5 PT故障检测 对PT故障的检测是通过比较发电机机端电压与励磁变副边电压的测量值实现 的。如果两个电压的差超过整定值（发电机机端电压额定值的15％），逻辑控制 器将启动切换：如果两个通道公用一组PT，从自动方式切换到手动方式，如果双通道使用各自独立的PT，而且运行通道出现PT断线，从运行通道的自动方式切换到备用通道的自动方式。如果两组PT都出现故障，则切换到手动。 2.4.6转子温度测量 转子温度测量是通过计算励磁绕组的电阻实现的，表达式如下： T,0d, T1Tdl 其中： U＝磁场电压 f I＝磁场电流 f L＝励磁绕组电感 f U＝碳刷压降 B R＝碳刷电阻 B R＝磁场电压测量点至碳刷间主回路导体的电阻 L T＝等效时间常数 1 T’＝磁场时间常数 d0 T＝负载时间常数（在Td’和Td0’之间） d1 P＝拉普拉斯算子 根据绕组电阻的计算结果，利用下述表达式计算温度： 第 33 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 Rf,1Rf0 ,Tf, 其中： T＝转子温度 f R＝0?转子励磁绕组系统 fo α＝励磁绕组材料的电阻温度系数[1/?] 转子温度的测量结果可以在就地显示和、或远方显示，并可用于报警显 示。 2.4.7过流保护 过流保护分反时限过流保护和瞬时过流保护。过流保护的特性与所介绍的最大励 磁电流限制器的特性相似，但过流保护的特性曲线高于最大励磁电流限制器的特 性曲线。 2.4.8失磁保护（P/Q） 发电机运行点在超出其稳定极限时，失励保护动作，跳发电机。利用功率圆图上 的五个点设定保护曲线，保护曲线与P/Q限制器的限制曲线相似。但P/Q保护曲 线在P/Q限制曲线基础上左移5％到10％。由于同步发电机的稳定极限与机端电压有关，P/Q保护曲线也与发电机端电压成比例校正。发电机工作点超过保护曲 线时，触发定时器，经过可整定的延时后发出跳发电机命令。定时器延时启动信 号也可用于报警。 图1-20 发电机失磁保护原理图 过激磁保护（V/Hz触发器） 第 34 页 共 35 页 第三章 发电机励磁系统 图3－1 发电机过激磁保护原理图 用于防止同步发电机和变压器过磁通。过激磁保护首先根据发电机频率和设定值 计算出当前的机端电压允许值，如果发电机实际电压超过允许值，就会触发定时 器延时。在延时结束前，如果电压仍没有返回到允许值，则发出跳闸信号。 2.4.9励磁变压器温度测量 UNITROL 5000软件可通过嵌在励磁变压器次级线圈温度最高部位处的PTC或PT100传感器测量绕组的温度。如果选用PTC，则每相使用两个传感器，并将其 串联后连接到快速输入、输出板（FIO）的两个模拟量输入点。调节器检测当前 励磁变压器的温度是否达到预定的两段温度设定值。超出1段定值启动报警，超 出2段定值启动励磁系统跳闸。 第 35 页 共 35 页