同步發(fā)電機繼電強行勵磁裝置的設(shè)計

韓素賢，時盛志，邢艷榮

（1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，內(nèi)蒙古包頭014030；2.烏海金沙太陽能熱發(fā)電試驗有限公司，內(nèi)蒙古烏海016000；3.烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古烏海016000）

同步發(fā)電機繼電強行勵磁裝置的設(shè)計

韓素賢1，時盛志2，邢艷榮3

（1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，內(nèi)蒙古包頭014030；2.烏海金沙太陽能熱發(fā)電試驗有限公司，內(nèi)蒙古烏海016000；3.烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古烏海016000）

設(shè)計同步發(fā)電機繼電強行勵磁裝置，當(dāng)發(fā)電機電壓急劇降低時，將勵磁電流迅速增加至頂值的措施，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行具有非常重要的意義。

同步發(fā)電機；自動調(diào)節(jié)勵磁裝置；勵磁功率單元

引言

同步發(fā)電機作為電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備，是將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿奶囟C械設(shè)備。為完成上述轉(zhuǎn)換，需在同步發(fā)電機的內(nèi)部建立一個旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生這個磁場的直流電流就是發(fā)電機的勵磁電流。具體的實現(xiàn)方法是在同步發(fā)電機的勵磁繞組（也就是轉(zhuǎn)子繞組）中，通以直流勵磁電流，產(chǎn)生磁場，該磁場相對于轉(zhuǎn)子是靜止的，在原動機的帶動下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場。

勵磁系統(tǒng)是專為同步發(fā)電機提供勵磁電流的設(shè)備，由自動調(diào)節(jié)勵磁裝置和勵磁功率單元構(gòu)成。自動調(diào)節(jié)勵磁裝置依據(jù)給定的調(diào)節(jié)準則以及輸入信號來控制勵磁功率單元的輸出，起到調(diào)節(jié)直流勵磁電流的目的。勵磁功率單元受勵磁調(diào)節(jié)器的控制，并向同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流。同步發(fā)電機、勵磁功率單元及勵磁調(diào)節(jié)器構(gòu)成整個勵磁自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是反饋閉環(huán)控制。

1　同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的作用

1）提高電力系統(tǒng)運行的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性；2）使得發(fā)電機間的無功負荷得以合理分配；3）在電力系統(tǒng)正常運行的情況下，維持同步發(fā)電機的機端電壓在給定值附近；4）使得電力系統(tǒng)運行條件得以改善［1］。

1.1提高繼電保護裝置動作的正確性

電力系統(tǒng)低負載運行時，同步發(fā)電機的勵磁電流較小，如果系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，其短路電流不大，且隨著時間成衰減特性，使得帶時限的繼電保護裝置不能正確動作。自動控制勵磁系統(tǒng)能夠通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流使得短路電流增大，從而使繼電保護正確動作。

1.2能夠為發(fā)電機的異步運行提供條件

當(dāng)同步發(fā)電機失磁的時候，必須從電力系統(tǒng)中吸收大量的無功功率，使得系統(tǒng)電壓急劇下降，嚴重時危及整個系統(tǒng)的安全運行。在這種運行條件下，如果系統(tǒng)中其它發(fā)電機組能夠提供足夠的無功功率，使系統(tǒng)電壓水平得以維持，則失去勵磁的發(fā)電機還能夠在一定的時間內(nèi)運行在異步運行狀態(tài)，這樣即能夠確保電力系統(tǒng)的運行安全又有利于機組熱力設(shè)備的穩(wěn)定運行。

1.3能夠改善異步電動機的自起動條件

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障的時候，使得電網(wǎng)電壓降低，戶用電動機大部分都處于制動運行狀態(tài)。當(dāng)故障被切除后，由于電動機自起動時吸收大量無功功率，使得電網(wǎng)電壓不能及時恢復(fù)。這時如果系統(tǒng)中所有同步發(fā)電機都強行勵磁，就能夠使電網(wǎng)電壓及時恢復(fù)，從而改善電動機的運行條件。

2　勵磁調(diào)節(jié)裝置的調(diào)控

2.1對勵磁功率單元的要求

1）有足夠的電壓上升速度以及勵磁頂值電壓。從提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和改善系統(tǒng)運行條件出發(fā)，希望勵磁功率單元具有快速的響應(yīng)能力以及較大的強行勵磁能力。2）要求勵磁功率單元有足夠的調(diào)節(jié)容量和高可靠性。同步發(fā)電機依靠勵磁電流的變化來控制本身的無功功率和機端電壓。所以，該單元應(yīng)該有足夠的調(diào)節(jié)容量來滿足電力系統(tǒng)中各種工況的要求［2］。

2.2對勵磁調(diào)節(jié)器的要求

1）勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能夠使機組的無功功率得以合理分配；2）系統(tǒng)正常運行時，勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能夠維持同步發(fā)電機電壓在給定水平；3）勵磁調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)要小，響應(yīng)速度要快，具有強行勵磁等能力來改善系統(tǒng)運行條件；4）對于遠距離輸電的發(fā)電機組，為了能夠運行在人工穩(wěn)定區(qū)，勵磁調(diào)節(jié)器不能有失靈區(qū)。

2.3勵磁調(diào)節(jié)器的構(gòu)成及其各單元作用

1）變換單元：將同步發(fā)電機的機端電流電壓信號，變換為一個綜合電信號，該信號可以反映電流、電壓以及功率因素的大小。2）量測單元：將上述綜合信號進行整流、濾波及檢測，輸出一個與同步發(fā)電機端電壓成正比的直流電壓信號。3）比較綜合單元：將量測單元輸出的直流電壓信號與整定電壓進行比較綜合，輸出偏差電壓。4）放大單元：放大單元按照比較綜合單元輸出的偏差電壓的大小和正負進行放大，輸出電壓信號UK。5）執(zhí)行單元：按照UK來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)同步發(fā)動機的直流勵磁電流，使機端電壓穩(wěn)定在給定值附近。

3　繼電強行勵磁裝置的設(shè)計

從故障切除后加快電壓的恢復(fù)過程和提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定的角度考慮，當(dāng)系統(tǒng)電壓降低到一定程度時，能夠使發(fā)電機的勵磁電流迅速增大到最大值。顯然，自動調(diào)節(jié)勵磁裝置也應(yīng)該具備該種功能，但是某些勵磁裝置的響應(yīng)速度較慢或者勵磁頂值電壓不夠高。此時，可以設(shè)置專門的繼電強行勵磁裝置。由繼電器構(gòu)成的強行勵磁裝置動作時，勵磁機勵磁回路中的磁場調(diào)節(jié)電阻被短接，從而使得勵磁機工作在頂值電壓下。

繼電強行勵磁裝置的原理接線圖如圖1所示。該裝置由兩個中間繼電器1 kM及2 kM、兩個低壓繼電器1 kV及2 kV、一個直流接觸器Q、一個信號繼電器KS等組成。當(dāng)同步發(fā)電機的機端電壓下降到額定電壓值的（80%～85%）時，1 kV和2 kV動作，通過1 kM、2 kM和KS使Q的線圈得電，Q的觸點閉合，磁場電阻RC被短接，使得勵磁機的勵磁電流達到頂值，勵磁電壓迅速增加至最大值，實現(xiàn)強行勵磁。當(dāng)機端電壓恢復(fù)至1 kV及2 kV的返回值以上的時候，1 kV和2 kV返回，整個強行勵磁裝置復(fù)位，勵磁電壓恢復(fù)到正常值［3］。

圖1　繼電強行勵磁裝置原理接線圖

圖1中采用兩個低電壓繼電器1 kV和2 kV，通過1 kM及2 kM構(gòu)成接點串聯(lián)的方式，避免了電壓互感器熔斷器熔斷的時候誤動作。這是由于兩個電壓互感器的熔斷器同時熔斷的機率很小，當(dāng)一個互感器的熔斷器熔斷的時候，只有一個低壓繼電器動作.繼電強行勵磁裝置不動作。強勵裝置的動作，經(jīng)斷路器的輔助觸點閉鎖，避免了同步發(fā)電機在事故跳閘后、起動過程中（尚未并列）強勵裝置誤動作。

常用以下兩個指標來衡量強勵裝置的性能：

1）強行勵磁倍數(shù)。強行勵磁時，最高勵磁電壓的實際值和額定勵磁電壓之比，叫做強行勵磁倍數(shù)，簡稱為強勵倍數(shù)?？紤]到勵磁機的磁路飽和程度，一般強勵倍數(shù)大約為1.8～2.2）勵磁電壓上升速度。強行勵磁行為開始的時候（對于繼電強行勵磁裝置，從強勵接觸器觸頭閉合開始計時；對于自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，從系統(tǒng)故障開始計時）的0.5 s時間內(nèi)，勵磁電壓增加的平均速度叫做勵磁電壓上升速度。強行勵磁的允許時間取決于同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的過載能力。通常線圈直接冷卻的發(fā)電機強力允許時間大約為20 s，對于表面冷卻方式的發(fā)電機大約是1 min。

4　結(jié)語

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路的時候，會使發(fā)電機的機端電壓急劇下降，這時使發(fā)電機的勵磁電流迅速增加至最大值，對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行具有非常重要的意義。

［1］許正亞.電力系統(tǒng)自動裝置［M］.北京:中國水利出版社，1997.

［2］錢武，李生明.電力系統(tǒng)自動裝置［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［3］劉錫藍.水電站自動裝置［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.

（編輯：劉楠）

Design of Synchronous Generator Relay Forced Excitation Device

Han Suxian1，Shi Shengzhi2，Xing Yanrong3
（1.Baotou Vocational&Technical College Department of Electrical Engineering，Baotou Neimenggu 014030；2.Wuhai Jinsha Solar Thermal Power Generation Co.，Ltd.，Wuhai Neimenggu 016000；3.Wuhai Vocational and Technical College，Wuhai Neimenggu 016000）

Force excitation device for synchronous generator relay is designed in this paper，when the generator voltage decreases sharply，excitation current is increased quickly to the top value of measures，has very important significance for the safe operation of power system stability.

synchronous generator；automatic regulating excitation device；excitation power unit

TM341

A

2095-0748（2016）13-0043-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.14

2016-05-18

韓素賢（1982—），女，內(nèi)蒙古化德人，講師，主要從事風(fēng)能發(fā)電設(shè)備制造與維修專業(yè)和電力系統(tǒng)自動化專業(yè)的教學(xué)與研究。