基于自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)失敗原因的探索

范 杰

摘要：同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)是一個(gè)非線性、強(qiáng)干擾而且模型十分復(fù)雜的系統(tǒng)，本文在綜合分析同步發(fā)電機(jī)起勵(lì)方式的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)的全過(guò)程，對(duì)其起勵(lì)的失敗原因進(jìn)行進(jìn)一步的探索，并對(duì)其相應(yīng)的處理方法進(jìn)行了有益的研究。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)起勵(lì)方式；自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)；起勵(lì)失敗原因分析

現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，接線方式雖然種類(lèi)繁多，但就其勵(lì)磁能源的供電方式而言，基本上可將其分為兩大類(lèi)：一是，能源取自主機(jī)軸端的旋轉(zhuǎn)交流勵(lì)磁系統(tǒng)，二是，變壓器供電的靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)交流勵(lì)磁系統(tǒng)的典型運(yùn)作方式是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流主要由同軸100Hz 主勵(lì)磁機(jī)以及500Hz 副勵(lì)磁機(jī)供給，其運(yùn)作優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定可靠、受外界影響較小、勵(lì)磁的響應(yīng)比高，但是存在成本較大高、維護(hù)量大、交流主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁的時(shí)間常數(shù)較大的缺陷。

一、同步發(fā)電機(jī)的三種起勵(lì)方式

同步發(fā)電機(jī)的起勵(lì)控制是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的重要組成部分。同步發(fā)電機(jī)的起勵(lì)方式主要有3 種：UF 方式，α 方式以及恒IL 方式。其中，α 起勵(lì)方式只能在他勵(lì)的方式下才有效果，而UF 起勵(lì)方式和恒IL 起勵(lì)方式都可以在他勵(lì)或者自并勵(lì)2 種勵(lì)磁方式下產(chǎn)生效果。

(1) 恒UF 起勵(lì)方式，現(xiàn)代勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通常有設(shè)定電壓起勵(lì)和跟蹤系統(tǒng)電壓起勵(lì)2 種起勵(lì)方式。設(shè)定電壓起勵(lì)是由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定電壓值，起勵(lì)后發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定在設(shè)定的電壓水平上。跟蹤系統(tǒng)電壓起勵(lì)是電壓值自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)電壓，人工不能干預(yù)，起勵(lì)后的發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定在與系統(tǒng)電壓相同的電壓水平上，有效跟蹤范圍為(85 % ～ 115 %) 額定電壓。跟蹤系統(tǒng)電壓起勵(lì)方式是發(fā)電機(jī)正常發(fā)電運(yùn)行默認(rèn)的起勵(lì)方式，而設(shè)定電壓起勵(lì)方式通常用于勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)試試驗(yàn)。

(2) 恒IL 起勵(lì)方式，是一種用于試驗(yàn)的起勵(lì)方式，其電壓設(shè)定值由程序自動(dòng)設(shè)定，人工不能干預(yù)，起勵(lì)后的發(fā)電機(jī)電壓一般約為20 % 額定電壓。

(3) α起勵(lì)方式，只適用于他勵(lì)勵(lì)磁方式，可以做到從零電壓或殘壓開(kāi)始，由人工調(diào)節(jié)逐漸增加勵(lì)磁，完成起勵(lì)建壓的任務(wù)。

二、自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)過(guò)程

自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)過(guò)程主要可以分為設(shè)置：起勵(lì)標(biāo)志、起勵(lì)、清除起勵(lì)標(biāo)志3 個(gè)不同階段。

（一）設(shè)置起勵(lì)標(biāo)志

自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)要在同時(shí)滿(mǎn)足以下5 個(gè)條件的時(shí)候才能夠設(shè)置起勵(lì)標(biāo)志：

(1) 發(fā)電機(jī)滿(mǎn)足尚未起勵(lì)，即發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和/或勵(lì)磁電流滿(mǎn)足小于一定數(shù)值的情況即可認(rèn)為尚未起勵(lì)；

(2) 沒(méi)有外部滅磁的指令，即無(wú)逆變滅磁的標(biāo)志；

(3) 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于47 Hz 而且小于53 Hz ；

(4) 沒(méi)有起勵(lì)失敗的標(biāo)志；

(5) 沒(méi)有起勵(lì)的標(biāo)志。

（二）起勵(lì)

當(dāng)起勵(lì)標(biāo)志有效之后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器便會(huì)開(kāi)始執(zhí)行起勵(lì)的任務(wù)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器要控制回路正常工作所需要的整流橋的輸入電壓一般要為5 V。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到95 % 的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器就會(huì)收到開(kāi)機(jī)指令，當(dāng)在整流橋輸入的電壓大于或等于5 V 時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將會(huì)使用殘壓起勵(lì)。對(duì)低壓機(jī)組的小型發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)可直接取出剩磁電壓來(lái)作為起勵(lì)的電源，在發(fā)電機(jī)起勵(lì)之前能夠產(chǎn)生足夠使晶閘管導(dǎo)通的脈沖信號(hào)，進(jìn)而促使勵(lì)磁系統(tǒng)為轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)電壓能夠正常地建立起來(lái)。這個(gè)過(guò)程叫就做殘壓起勵(lì)。然而，有的時(shí)候發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯剩磁低，形成的殘壓小，整流橋輸入電壓小于5 V，導(dǎo)致同步電壓太低，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器無(wú)法形成觸發(fā)脈沖，也就無(wú)法導(dǎo)通勵(lì)磁回路、建立電壓。在這種情況下，需要外加起勵(lì)的引導(dǎo)電源。特別是對(duì)于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)而言，由于是采用機(jī)端勵(lì)磁的電源，僅靠發(fā)電機(jī)剩磁并無(wú)法構(gòu)建電壓，這就要求外加起勵(lì)電源。

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)一般的動(dòng)作條件是：機(jī)組達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速后( 汽輪機(jī)為3 000 r/min，水輪機(jī)為95 % 額定轉(zhuǎn)速)，勵(lì)磁系統(tǒng)由等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入空載建壓，如果勵(lì)磁調(diào)節(jié)器檢測(cè)殘壓低于額定的2 % 時(shí)或5 s 內(nèi)建壓不成功，則由滅磁柜配置的智能檢測(cè)顯示裝置自動(dòng)投入輔助起勵(lì)電源，發(fā)電機(jī)開(kāi)始起勵(lì)，待檢測(cè)到機(jī)端電壓達(dá)到設(shè)定值( 一般是20 % 機(jī)端額定電壓)或初勵(lì)動(dòng)作時(shí)間達(dá)到8 s 后，自動(dòng)退出初勵(lì)，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)升壓到額定值。調(diào)節(jié)器的軟起勵(lì)，用于防止機(jī)端電壓的起勵(lì)超調(diào)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器接到開(kāi)機(jī)令后開(kāi)始起勵(lì)升壓，當(dāng)機(jī)端電壓大于10 % 額定值后，調(diào)節(jié)器以可設(shè)定的速度增加給定值，使機(jī)端電壓逐步上升到額定值。整個(gè)起勵(lì)過(guò)程的控制和檢測(cè)都是由AVR 軟件實(shí)現(xiàn)的。

（三）清除起勵(lì)標(biāo)志

起勵(lì)成功之后，把起勵(lì)標(biāo)志清除，那么起勵(lì)過(guò)程也隨之結(jié)束。值得注意的是，起勵(lì)成功的標(biāo)志指的是，發(fā)電機(jī)的端電壓和/ 或勵(lì)磁電流不小于一定數(shù)值，并且有效起勵(lì)的規(guī)定時(shí)間一般為不超過(guò)5 s。當(dāng)滿(mǎn)足以下2個(gè)條件的時(shí)候可以清除起勵(lì)標(biāo)志：(1) 具有起勵(lì)標(biāo)志的時(shí)候；(2) 起勵(lì)成功、起勵(lì)失敗或者有滅磁的標(biāo)志。

三、自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)基本的動(dòng)作條件

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)基本的動(dòng)作條件是：機(jī)組達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的轉(zhuǎn)速之后(一般而言，汽輪機(jī)為3 000 r/min，水輪機(jī)為95 % 額定轉(zhuǎn)速)，勵(lì)磁系統(tǒng)就會(huì)由原先的等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入到空載建壓，若勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的檢測(cè)殘壓低于標(biāo)準(zhǔn)額定的2 % 時(shí)或者5 s 內(nèi)勵(lì)磁系統(tǒng)建壓不成功，將會(huì)由滅磁柜配置的智能檢測(cè)顯示出裝置將自動(dòng)投入到輔助起勵(lì)電源，發(fā)電機(jī)開(kāi)始起勵(lì)，待檢測(cè)到機(jī)端電壓達(dá)到設(shè)定值(一般是20 % 機(jī)端額定電壓)或初勵(lì)動(dòng)作時(shí)間達(dá)到8 s 后，自動(dòng)退出初勵(lì)，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)升壓到額定值。調(diào)節(jié)器的軟起勵(lì)，用來(lái)防止機(jī)端電壓的起勵(lì)超調(diào)，導(dǎo)致起勵(lì)失敗。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器接到開(kāi)機(jī)指示令后將會(huì)開(kāi)始起勵(lì)升壓，當(dāng)機(jī)端電壓大于10 % 的額定值之后，調(diào)節(jié)器就按照設(shè)定的速度增加到給定值，從而使得機(jī)端電壓逐漸上升到額定值。在這個(gè)階段中，整個(gè)起勵(lì)的過(guò)程控制和檢測(cè)都是由AVR 軟件來(lái)得以實(shí)現(xiàn)的。

四、起勵(lì)失敗常見(jiàn)原因分析

起勵(lì)失敗的標(biāo)志為，在起勵(lì)標(biāo)志有效后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，同步發(fā)電機(jī)沒(méi)有起勵(lì)成功，那么起勵(lì)宣告失敗。導(dǎo)致發(fā)電機(jī)起勵(lì)失敗的主要原因可能有：

(1) 殘壓起勵(lì)的發(fā)電機(jī)殘磁不足，可能由發(fā)電機(jī)停機(jī)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的；

(2)起勵(lì)電源消失或控制回路斷線。

(3) 外加的起勵(lì)電源容量不足或者起勵(lì)磁場(chǎng)與剩磁的方向相反；

(4)失磁壓板、勵(lì)磁系統(tǒng)故障、緊急跳槽未復(fù)歸。

(5) 勵(lì)磁的功率單元主回路或者晶閘管觸發(fā)脈沖回路；

(6)勵(lì)磁PT 高壓或低壓熔斷器故障；

(7)同步變后無(wú)信號(hào)

(8) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)生故障，起勵(lì)程序沒(méi)辦法繼續(xù)進(jìn)行；

(9) 發(fā)電機(jī)有問(wèn)題，如轉(zhuǎn)子內(nèi)部開(kāi)路、短路或者斷路；

(10) 滅磁開(kāi)關(guān)損壞，轉(zhuǎn)子的絕緣太低，起勵(lì)主回路或者起勵(lì)控制的回路產(chǎn)生故障，由直流起勵(lì)引起的電源刀閘未合，起勵(lì)接觸器工作運(yùn)行不正常，起始電壓過(guò)低等；

(11) 熱工閉鎖（如斷水保護(hù)）。

(12) 轉(zhuǎn)速未達(dá)到95 %的 額定轉(zhuǎn)速。

五、自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)失敗的排查

要明確當(dāng)勵(lì)磁起勵(lì)失敗后，要根據(jù)故障的現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)排查和分析，在未查清楚失敗原因之前絕對(duì)不得再次起勵(lì)。

(1) 檢查直流起勵(lì)的電源的刀閘是否投入使用，電壓是否正常、穩(wěn)定；

(2) 檢查起勵(lì)的電源保險(xiǎn)是否已經(jīng)熔斷；

(3) 檢查發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子及碳刷、引線絕緣是否良好，是否損壞

(4) 檢查勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上是否存在其他的故障；

(5) 機(jī)組的轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定在95%的額定轉(zhuǎn)速以上；

六、自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的評(píng)價(jià)

綜合以上的分析，可以得出自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定而且可縮短主機(jī)的長(zhǎng)度，設(shè)備比較少，同時(shí)可以減輕運(yùn)行時(shí)的噪聲，自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)過(guò)程比較安全可靠。自并勵(lì)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路而且故障切除時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，顯得強(qiáng)勵(lì)能力不夠，起勵(lì)過(guò)程中機(jī)組的轉(zhuǎn)速比較難以穩(wěn)定在95 % 的額定轉(zhuǎn)速以上，不利于電力系統(tǒng)的暫時(shí)穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)系統(tǒng)因起勵(lì)電源的變動(dòng)而顯得復(fù)雜。

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