韓素賢，時(shí)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(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)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(jī)繼電強(qiáng)行勵(lì)磁裝置的設(shè)計(jì)

韓素賢1，時(shí)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(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)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(jì)同步發(fā)電機(jī)繼電強(qiáng)行勵(lì)磁裝置，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓急劇降低時(shí)，將勵(lì)磁電流迅速增加至頂值的措施，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行具有非常重要的意義。

同步發(fā)電機(jī)；自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置；勵(lì)磁功率單元

引言

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

勵(lì)磁系統(tǒng)是專(zhuān)為同步發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流的設(shè)備，由自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置和勵(lì)磁功率單元構(gòu)成。自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置依據(jù)給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則以及輸入信號(hào)來(lái)控制勵(lì)磁功率單元的輸出，起到調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁電流的目的。勵(lì)磁功率單元受勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制，并向同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流。同步發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁功率單元及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器構(gòu)成整個(gè)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是反饋閉環(huán)控制。

1　同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的作用

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

1.1提高繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的正確性

電力系統(tǒng)低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流較小，如果系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，其短路電流不大，且隨著時(shí)間成衰減特性，使得帶時(shí)限的繼電保護(hù)裝置不能正確動(dòng)作。自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流使得短路電流增大，從而使繼電保護(hù)正確動(dòng)作。

1.2能夠?yàn)榘l(fā)電機(jī)的異步運(yùn)行提供條件

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

1.3能夠改善異步電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)條件

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障的時(shí)候，使得電網(wǎng)電壓降低，戶用電動(dòng)機(jī)大部分都處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)故障被切除后，由于電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)時(shí)吸收大量無(wú)功功率，使得電網(wǎng)電壓不能及時(shí)恢復(fù)。這時(shí)如果系統(tǒng)中所有同步發(fā)電機(jī)都強(qiáng)行勵(lì)磁，就能夠使電網(wǎng)電壓及時(shí)恢復(fù)，從而改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件。

2　勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的調(diào)控

2.1對(duì)勵(lì)磁功率單元的要求

1）有足夠的電壓上升速度以及勵(lì)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(yùn)行條件出發(fā)，希望勵(lì)磁功率單元具有快速的響應(yīng)能力以及較大的強(qiáng)行勵(lì)磁能力。2）要求勵(lì)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(jī)依靠勵(lì)磁電流的變化來(lái)控制本身的無(wú)功功率和機(jī)端電壓。所以，該單元應(yīng)該有足夠的調(diào)節(jié)容量來(lái)滿足電力系統(tǒng)中各種工況的要求［2］。

2.2對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求

1）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能夠使機(jī)組的無(wú)功功率得以合理分配；2）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能夠維持同步發(fā)電機(jī)電壓在給定水平；3）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)要小，響應(yīng)速度要快，具有強(qiáng)行勵(lì)磁等能力來(lái)改善系統(tǒng)運(yùn)行條件；4）對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)電機(jī)組，為了能夠運(yùn)行在人工穩(wěn)定區(qū)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不能有失靈區(qū)。

2.3勵(lì)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(jī)的機(jī)端電流電壓信號(hào)，變換為一個(gè)綜合電信號(hào)，該信號(hào)可以反映電流、電壓以及功率因素的大小。2）量測(cè)單元：將上述綜合信號(hào)進(jìn)行整流、濾波及檢測(cè)，輸出一個(gè)與同步發(fā)電機(jī)端電壓成正比的直流電壓信號(hào)。3）比較綜合單元：將量測(cè)單元輸出的直流電壓信號(hào)與整定電壓進(jìn)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(fù)進(jìn)行放大，輸出電壓信號(hào)UK。5）執(zhí)行單元：按照UK來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)同步發(fā)動(dòng)機(jī)的直流勵(lì)磁電流，使機(jī)端電壓穩(wěn)定在給定值附近。

3　繼電強(qiáng)行勵(lì)磁裝置的設(shè)計(jì)

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

繼電強(qiáng)行勵(lì)磁裝置的原理接線圖如圖1所示。該裝置由兩個(gè)中間繼電器1 kM及2 kM、兩個(gè)低壓繼電器1 kV及2 kV、一個(gè)直流接觸器Q、一個(gè)信號(hào)繼電器KS等組成。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓下降到額定電壓值的（80%～85%）時(shí)，1 kV和2 kV動(dòng)作，通過(guò)1 kM、2 kM和KS使Q的線圈得電，Q的觸點(diǎn)閉合，磁場(chǎng)電阻RC被短接，使得勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流達(dá)到頂值，勵(lì)磁電壓迅速增加至最大值，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行勵(lì)磁。當(dāng)機(jī)端電壓恢復(fù)至1 kV及2 kV的返回值以上的時(shí)候，1 kV和2 kV返回，整個(gè)強(qiáng)行勵(lì)磁裝置復(fù)位，勵(lì)磁電壓恢復(fù)到正常值［3］。

圖1　繼電強(qiáng)行勵(lì)磁裝置原理接線圖

圖1中采用兩個(gè)低電壓繼電器1 kV和2 kV，通過(guò)1 kM及2 kM構(gòu)成接點(diǎn)串聯(lián)的方式，避免了電壓互感器熔斷器熔斷的時(shí)候誤動(dòng)作。這是由于兩個(gè)電壓互感器的熔斷器同時(shí)熔斷的機(jī)率很小，當(dāng)一個(gè)互感器的熔斷器熔斷的時(shí)候，只有一個(gè)低壓繼電器動(dòng)作.繼電強(qiáng)行勵(lì)磁裝置不動(dòng)作。強(qiáng)勵(lì)裝置的動(dòng)作，經(jīng)斷路器的輔助觸點(diǎn)閉鎖，避免了同步發(fā)電機(jī)在事故跳閘后、起動(dòng)過(guò)程中（尚未并列）強(qiáng)勵(lì)裝置誤動(dòng)作。

常用以下兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量強(qiáng)勵(lì)裝置的性能：

1）強(qiáng)行勵(lì)磁倍數(shù)。強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)，最高勵(lì)磁電壓的實(shí)際值和額定勵(lì)磁電壓之比，叫做強(qiáng)行勵(lì)磁倍數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)。考慮到勵(lì)磁機(jī)的磁路飽和程度，一般強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)大約為1.8～2.2）勵(lì)磁電壓上升速度。強(qiáng)行勵(lì)磁行為開(kāi)始的時(shí)候（對(duì)于繼電強(qiáng)行勵(lì)磁裝置，從強(qiáng)勵(lì)接觸器觸頭閉合開(kāi)始計(jì)時(shí)；對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，從系統(tǒng)故障開(kāi)始計(jì)時(shí)）的0.5 s時(shí)間內(nèi)，勵(lì)磁電壓增加的平均速度叫做勵(lì)磁電壓上升速度。強(qiáng)行勵(lì)磁的允許時(shí)間取決于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的過(guò)載能力。通常線圈直接冷卻的發(fā)電機(jī)強(qiáng)力允許時(shí)間大約為20 s，對(duì)于表面冷卻方式的發(fā)電機(jī)大約是1 min。

4　結(jié)語(yǔ)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路的時(shí)候，會(huì)使發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓急劇下降，這時(shí)使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流迅速增加至最大值，對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。

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

［2］錢(qián)武，李生明.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

［3］劉錫藍(lán).水電站自動(dòng)裝置［M］.北京:中國(guó)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(zhuān)業(yè)和電力系統(tǒng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與研究。