勵磁

勵磁就是向發電機或者同步電動機定子提供定子電源的裝置。

根據直流電機勵磁方式的不同，可分為他勵磁，並勵磁，串勵磁，復勵磁等方式，直流電機的轉動過程中，勵磁就是控制定子的電壓使其產生的磁場變化，改變直流電機的轉速，改變勵磁同樣起到改變轉速的作用。

發電機勵磁系統定義

發電機由兩大部分組成。

（1） 轉子 —— 轉子繞組通以直流，用以產生髮電機的磁場；

（2）定子—— 定子繞組被磁場之磁力線切割，在定子繞組中產生（發出）電流。對於交流發電機，發電機轉子被原動機（水輪機、汽輪機、柴油機等）拖動轉動，因而轉子繞組產生的磁場是旋轉的，靜止的定子繞組相對運動切割磁力線。

最近30多年來，隨着電力系統的互聯和發電機單機容量的增大，電力電子技術日新月異發展，同步發電機的勵磁系統已經發生了很大的變化。在電力系統發展初期，同步發電機的容量不大，勵磁電流由與發電機同軸的直流發電機供給，即所謂直流勵磁機勵磁系統。由於它是靠機械整流子換向整流的，故勵磁容量受到限制。

按照勵磁繞組供電方式的不同，又可分為自勵式和他勵式兩種。在自勵直流勵磁機勵磁系統中，發電機轉子繞組由專用的直流勵磁機供電。而在他勵式直流勵磁機勵磁系統中，他勵直流勵磁機的勵磁繞組是由副勵磁機供電，即通常所説的“三機勵磁”。隨着發電機容量的提高，所需勵磁電流也相應增大，大容量機組的勵磁功率單元就採用了交流發電機和半導體整流元件組成的交流勵磁機勵磁系統。交流勵磁機勵磁系統根據勵磁機電源整流方式及整流狀態的不同又可分為他勵交流勵磁機系統及自勵交流勵磁機勵磁系統。

不論是直流勵磁機勵磁系統還是交流勵磁機勵磁系統，一般都是與主機同軸旋轉。為了縮短主軸長度，降低造價，減小環節，又出現了用發電機自身作為勵磁機電源的方法，即發電機自並勵系統，又稱為靜止勵磁系統，發電機端的勵磁變壓器作為勵磁功率電源，通過整流橋向發電機轉子供電。如圖《自並勵靜止可控硅勵磁系統》所示：

靜止自並勵系統的主要特點有：勵磁系統接線和設備比較簡單，無轉動部分，維護費用低，可靠性高，不需要同軸勵磁機，可縮短主軸長度，減少基建投資，同時能改善發電機軸系穩定性；直接用晶閘管控制轉子電壓，可獲得很快的勵磁電壓響應速度；由發電機機端取得能量，機組甩負荷時相對同軸勵磁機系統機組過電壓低；配置PSs，可以提高系統的穩定性。雖然自並勵磁系統與三機勵磁系統或兩機勵磁系統比有這些特點，但自並勵勵磁系統機組近距離三相短路時有機端電壓下降更低而引起發電機失磁的可能，然而由於大型機組採用單元接線，勵磁系統有快速強勵功能及配以快速的保護，能有效切除故障線路≈。正因為以上特點，在國內外機組中，越來越多地採用自並勵的勵磁方式。

自並勵勵磁系統在主迴路上採用可控硅全橋控制，在國內外發電機組中得到越來越廣泛的應用。國內外新建電廠及絕大部分改造機組都採用自並勵形式。容量從幾百kw到百萬kw，機組類型包括水輪發電機組、抽水蓄能發電機組、火電機組，甚至新建的百萬千瓦級核電機組都採用自並勵系統。如三峽單機70萬kw水輪發電機組、龍灘單機70萬kw水輪發電機組、白山15萬kw抽水蓄能機組。新建的100萬kW火電機組、100萬kw核電機組等都採用了自並勵勵磁的形式。目前還未有文獻提出更新的勵磁方式，這種現狀及趨勢在未來一段時間內不會改變 ^[1]  。

當前，應用在大型水電、火電機組勵磁系統中的勵磁變壓器就絕緣方式而言，主要有以下幾種絕緣型式：以環氧樹脂為絕緣材料的樹脂澆注乾式變壓器；無鹼玻璃纖維纏繞浸漬的乾式變壓器；MORA型乾式變壓器；NOMEx型乾式變壓器；新型合成脂油漬變壓器。在上述幾種變壓器絕緣方式中，以樹脂澆注式及纏繞乾式兩種絕緣方式在當前應用最為廣泛，在三峽700Mw機組、龍灘700Mw機組勵磁系統中都採用了氧樹脂型絕緣材料的乾式變壓器 ^[1]  。

勵磁技術發展到現在可以説經歷了三個階段：即模擬勵磁調節器，簡單微機勵磁調節器，全數字式勵磁系統。以中國電器研究院有限公司(原廣州電器科學研究院擎天電氣控制公司)勵磁產品為例 ^[2]  。

公司從70年代開始晶閘管勵磁系統研製出分立元件設計的調節器，首台勵磁應用於廣東韶關電廠。

其後10多年，到20世紀80年代研製出基於集成電路的模擬勵磁調節器，限制保護功能有了進一步的完善，包括基於集成芯片的數字給定電位器等。到80年後期，該模擬勵磁調節器技術成熟並得到廣泛的應用。

到80年代末，由於計算機技術在工業領域的應用，公司開始研製微機勵磁裝置，並於90年代初開發了第一代微機勵磁調節器，採用STD總線工控機，首套勵磁調節器LTW3000在新豐江電站投運。此後數年進行優化升級，型號從LTW3000，LTW6000再到LTW6200，由於硬件限制已發展到調節器的極限，儘管增加了調試軟件及PSS功能等，但仍不能滿足新的勵磁技術的需要，產品逐漸失去競爭力，產品維持近十年的生命週期逐漸退出市場。

2003年，結合當時先進的工控技術及SOC片上技術等開發了ExC9000勵磁系統，經過多年的完善及技術升級至現在，這套系統仍技術先進，是我們的主流產品之一。

國內外勵磁調節器也經歷了這一發展過程。如國外ABB勵磁調節器經歷了從Unitrol1000到Unitrol5000再到Unitrol6000的發展。調節器的發展是勵磁系統主要發展標誌。現行的勵磁調節器大都採用多CPU架構，充分發揮各CPU的優勢完成各自的功能。根據任務的實時性要求劃分為不同的等級，採用不同的CPU完成不同的任務。各CPU間通過總線技術或通訊技術完成數據交換，使各CPU協同工作成為一體。調節器內部採用CAN、ARCNET、以太網等通訊技術實現勵磁調節器及勵磁系統的數字化。採用多通道熱備用冗餘技術，一般採用兩通道或三通道調節器或根據需要靈活配置通道，增加可靠性等 ^[1]  。

1、維持發電機端電壓在給定值，當發電機負荷發生變化時，通過調節磁場的強弱來恆定機端電壓。

2、合理分配並列運行機組之間的無功分配。

3、提高電力系統的穩定性，包括靜態穩定性和暫態穩定性及動態穩定性 ^[3]  。

按整流方式可分為旋轉式勵磁和靜止式勵磁兩大類。其中旋轉式勵磁又包括直流交流和無刷勵磁；靜止式勵磁包括電勢源靜止勵磁機和複合電源靜止勵磁機。

一般我們把根據電磁感應原理使發電機定子形成旋轉磁場的過程稱為勵磁.

勵磁分類方法很多，比如按照發電機勵磁的交流電源供給方式來分類：

第一類是由與發電機同軸的交流勵磁機供電，稱為交流勵磁（他勵）系統，此係統又可分為四種方式：

（1）交流勵磁機（磁場旋轉）加靜止硅整流器（有刷）.

（2）交流勵磁機（磁場旋轉）加靜止可控硅整流器（有刷）.

（3）交流勵磁機（電樞旋轉）加硅整流器（無刷）.

（4）交流勵磁機（電樞旋轉）加可控硅整流器（無刷）.

第二類是採用變壓器供電，稱為全靜態勵磁（自勵）系統，當勵磁變壓器接在發電機的機端或接在單元式發電機組的廠用電母線上，稱為自勵勵磁方式，把機端勵磁變壓器與發電機定子串聯的勵磁變流器結合起來向發電機轉子供電的稱為自復勵勵磁方式.這種結合方法也有四種：

（1）直流側並聯

（2）直流側串聯

（3）交流側並聯

（4）交流側串聯

（1）概述

勵磁裝置是指同步發電機的勵磁系統中除勵磁電源以外的對勵磁電流能起控制和調節作用的電氣調控裝置。勵磁系統是電站設備中不可缺少的部分。勵磁系統包括勵磁電源和勵磁裝置，其中勵磁電源的主體是勵磁機或勵磁變壓器；勵磁裝置則根據不同的規格、型號和使用要求，分別由調節屏、控制屏、滅磁屏和整流屏幾部分組合而成。

勵磁裝置的使用，是當電力系統正常工作的情況下，維持同步發電機機端電壓於一給定的水平上，同時，還具有強行增磁、減磁和滅磁功能。對於採用勵磁變壓器作為勵磁電源的還具有整流功能。勵磁裝置可以單獨提供，亦可作為發電設備配套供應。

中小型水利發電設備已實施出口產品質量許可制度，未取得出口質量許可證的產品不準出口。

（2）種類和規格

勵磁裝置主要分為電磁型和半導體型兩大類。電磁型勵磁裝置主要用於以直流或交流勵磁機為勵磁電源的勵磁系統中，半導體型勵磁裝置既可以與勵磁機一起組成靜止（或旋轉）整流器勵磁系統，也可以與勵磁變壓器組成靜止勵磁系統 ^[4]  。

發電機勵磁系統任務：

（1） 發電機併網前，調節發電機輸出的端電壓；

（2）發電機併網後，調節發電機承擔的無功功率；

（3）提高同步發電機並列運行的靜、動態穩定

靜態穩定： 採用靈敏快速的勵磁調節系統，可以提高發電機在小干擾下的穩定性（靜態穩定）；

動態穩定：採用響應快速、頂值電壓較高的勵磁調節系統，可以提高發電機在的大擾動下的穩定性（動態穩定、暫態穩定）；

（4）發電機事故時，對轉子繞組迅速滅磁，以保護髮電機的安全 ^[3]  。

發電機勵磁系統的分類

（1）直流勵磁機勵磁系統多用於七十年代以前的中小型機組。

（2）具有與發電機同軸副勵磁機的交流勵磁機-靜止整流器勵磁系統（“三機”勵磁系統）多用於六十年代以後100MW以上的大型火電機組。

（3）具有與發電機同軸副勵磁機的交流勵磁機-旋轉整流器勵磁系統（“無刷”勵磁系統）

用於八十年代以後的大中小型機組（用量較少）。

（4）靜止可控硅自並激勵磁系統（“自並激”勵磁系統）多用於七十年代以後的水電機組、以及九十年代以後

的大中小型火電機組，系優質勵磁系統。

勵磁系統的主要技術指標

（1）當發電機的勵磁電壓和電流不超過額定勵磁電壓和電流的1.1倍時，勵磁系統保證連續運行。

（2）勵磁系統頂值電壓倍數≮ 1.6~1.8 （2.0）

（3）勵磁系統允許強勵時間≮ 10s ⒇

（4）勵磁系統電壓響應比（電壓上升速度）“自並激”系統≮ 3.5“三機”系統≮ 1.6~1.8 （2.0）

（5）電壓調整範圍70~110%

（6）電壓調整精度≤± 0.5 % （0.25%）

（7）調差範圍±10 % （15%）

（8）勵磁系統強行切除率≤ 0.1 %藍色數字為對一般勵磁系統的要求，紅色數字為對大型機組和優質勵磁系統的要求。

1、自復勵式勵磁故障

自復勵方式的勵磁系統雖然線路複雜、維護難度大、工作量大、對環境要求高，但是對靜態電壓的調節精度比較高，而且在發生短路的時，可以提供強勵電流，具有很強的電流補償作用。水電站採用雙繞組電抗分流勵磁系統，機組啓動之後，發現發電機出口電壓三相不平衡，併網之後增加機組無功負荷，發現發電機的勵磁電流逐漸減小，最後使發電機處於欠勵磁運行狀態，進行檢查之後發現，勵磁線圈的主、副繞組相序出現了錯誤，導致機組無功負荷不斷增加時勵磁電流不斷減小。為了解決這一問題，工作人員要改正主、副繞組的相序，不斷提高檢修與驗收的質量。

2、勵磁變高壓熔斷器爆裂故障

水電機組在進行發電機組温升試驗後進行停機操作，控制室外出現爆炸，隨後水電機組跳閘。在故障發生後，工作人員立即對機組勵磁系統、調速系統進行檢查，檢查勵磁變和主變迴路，發現勵磁變的B相高壓熔斷器出現了爆裂，電壓互感器高壓側的三相熔斷器也全部炸裂，對熔斷器進行試驗與檢查後發現熔斷器存在質量問題，熔斷器的熔斷電流只有額定熔斷電流的一半。為了解決這一故障，需要將這種熔斷器更換成大容量熔斷器，保證熔斷器的質量，還要對勵磁系統進行全面系統的檢查，以防止類似事件的再次發生。

3、失磁故障

水電站勵磁系統發生失磁故障，保護動作以及錄波記錄顯示故障發生時轉子電壓下降的突變量發生明顯變化，從錄波起動開始，經過56ms後轉子電壓下降到0.400ms，最後變為負值，在轉子電壓下降的同時電流和定子電壓發生了劇烈搖擺，之後出現保護動作。工作人員對勵磁功率電源的交流側開關進行了檢查，發現開關的輔助接點發生鬆動，鬆動造成開關處接觸電阻偏大，導致勵磁系統逆變滅磁後引發了失磁故障。為避免失磁故障發生，及時發現開關接點處的故障，可以在勵磁功率電源的交流側開關的輔助接點處安裝一個故障監控錄波器，對這一部位加強監控，同時要定期對這一輔助接點進行檢查，及時進行緊固，不斷提高輔助接點的可靠性，減少並預防失磁故障的發生 ^[5]  。

1、維護措施

（1）脈衝線絕緣防護。

可控硅擊穿的直接原因是其脈衝線竄入高壓。事後對其他可控硅脈衝線開展了絕緣檢查，並在脈衝線上增加絕緣套管，以消滅高壓竄入的可能性。

（2）定期除塵。

可控硅、脈衝變等元件積塵可能引起接頭之間的放電、局部短路，同時，元器件引線的積塵（特別是金屬性灰塵）也容易引起接頭之間的放電、短路。另外，如果灰塵量過大容易造成風道堵塞，這樣不利於功率櫃散熱。因此，必須定期對整流櫃濾網進行更換並利用內窺鏡來觀察櫃內的積塵情況，以便在對設備檢修時進行全面清掃，保持櫃內良好的通風環境。

（3）修改保護定值。事故過程中，勵磁變過流保護動作整定時間為 5s，不能起到有效的保護作用。通過分析計算，增加勵磁變限時速斷保護，整定時間設為 0.1s，這樣能有效迅速地切除故障，並限制事故的進一步發展。

2、運行措施

（1）日常巡檢。

運行人員在日常巡檢過程中應對勵磁系統進行重點巡視，必須做到對重點部位仔細巡視，在汛期機組大發電期間，應注意觀察勵磁系統的温度，並將觀測到的情況同監控系統的監測結果進行對比分析。同時，在機組檢修結束後，應和檢修人員一起對勵磁功率櫃的內部進行檢查，保證勵磁功率櫃內部的衞生。

（2）合理安排機組運行方式。在機組故障消除後，對發生的事故機組要合理安排運行方式。由於勵磁系統更換了重要設備，因此在調整機組無功、進相和遲相運行時，必須注意觀察其變化情況，並與其他機組的狀況進行對比分析。必須定期對機組運行方式進行調整，以確保故障機組在實施維護後可以正常運行 ^[5]  。