鞏 潔，魏雨谷

相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)功率源斷線故障現(xiàn)象及原因分析

鞏 潔，魏雨谷

（中船重工電機(jī)科技股份有限公司，太原 030027）

勵(lì)磁電流的輸出是通過(guò)主機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁器件和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR共同作用來(lái)提供，AVR功率源的穩(wěn)定對(duì)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的至關(guān)重要。本文結(jié)合相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)功率源斷線后引發(fā)的一系列故障現(xiàn)象，分析了各個(gè)故障現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并實(shí)現(xiàn)了故障復(fù)現(xiàn)。

發(fā)電機(jī) 相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng) 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器

1 故障現(xiàn)象概述

由我公司承制的某型相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)在聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中，帶100%負(fù)載運(yùn)行時(shí)突然發(fā)生電壓下跌導(dǎo)致主開關(guān)跳閘，重新起機(jī)后空載電壓由原先的396 V升高至405 V，通過(guò)外附電位器調(diào)節(jié)電壓不起作用。通過(guò)故障發(fā)生的電壓波形可以看出，發(fā)電機(jī)電壓由385 V下跌到200 V左右（且是個(gè)瞬間過(guò)程），約3 s后電壓升高至405V。主開關(guān)異常跳閘后，我們現(xiàn)場(chǎng)檢查了發(fā)電機(jī)內(nèi)部可視部分及各器件接線情況，均無(wú)異常；更換自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（以下簡(jiǎn)稱AVR）、電抗器、整流變壓器等器件，故障現(xiàn)象仍存在。最后檢查發(fā)電機(jī)主匯流排處的線路時(shí)，發(fā)現(xiàn)V相匯流排電源信號(hào)線端子斷開（見圖1中圈I處），重新接好V相引線后，發(fā)電機(jī)空載電壓恢復(fù)正常且可調(diào)節(jié)，帶載運(yùn)行也一切正常，上述問題得到解決。此次故障原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)V相匯流排電源信號(hào)線端子斷開所致。

2 故障現(xiàn)象原因分析及試驗(yàn)?zāi)M

2.1 相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)及AVR工作原理

該發(fā)電機(jī)采用相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)（見圖1），該系統(tǒng)從發(fā)電機(jī)輸出端獲取一定的功率，同時(shí)取三相電壓和電流信號(hào)以及它們之間的相位信號(hào)，按一定的方式耦合經(jīng)整流及調(diào)控后為勵(lì)磁機(jī)提供一合適的勵(lì)磁電流，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的恒壓輸出，主要包括相復(fù)勵(lì)裝置和AVR兩部分。相復(fù)勵(lì)裝置從發(fā)電機(jī)輸出端取三相電壓經(jīng)電抗器L1移相產(chǎn)生勵(lì)磁電流的空載分量（I），并將該電流分量送入整流變壓器T6的原邊；從發(fā)電機(jī)輸出端通過(guò)電流互感器T1、T2、T3取發(fā)電機(jī)電流信號(hào)，該電流即為勵(lì)磁電流的負(fù)載分量（I），將其輸入T6副邊的線圈中，T6將空載分量和負(fù)載分量電磁耦合后經(jīng)帶功率組件的AVR整流后即為發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁電流。同時(shí)，AVR從發(fā)電機(jī)出線端V、W相取電壓信號(hào)經(jīng)變壓器降壓后與電位器上電壓矢量迭加輸入整流橋交流側(cè)進(jìn)行整流，整流后的電壓一方面作為AVR的取樣信號(hào)，另一方面為整個(gè)線路板提供工作電源和基準(zhǔn)電壓信號(hào)。

理論上只要?jiǎng)?lì)磁裝置各器件參數(shù)設(shè)計(jì)合理即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的恒壓輸出，但實(shí)際上勵(lì)磁裝置只是提供一個(gè)適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流，更精確的調(diào)整需要靠帶功率組件的AVR來(lái)實(shí)現(xiàn)。AVR的調(diào)整是通過(guò)一個(gè)分流回路將勵(lì)磁裝置產(chǎn)生的勵(lì)磁電流來(lái)分掉一小部分，而分掉這部分電流的大小取決于發(fā)電機(jī)輸出電壓的高低。若輸出電壓高于整定值，則AVR分流就增大，使發(fā)電機(jī)端電壓下降；反之則分流減小使端電壓升高。為保證AVR能夠起到分流控制作用，就需要在AVR不起作用時(shí)，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)勵(lì)磁裝置提供的勵(lì)磁電流必須大于發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁電流，也就是在AVR不起作用時(shí)，整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)的端電壓必須高于其整定值，這樣才能有一小部分勵(lì)磁電流供AVR來(lái)分掉。

圖1 相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

2.2 電壓突然下跌原因分析

根據(jù)“2.1相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)及AVR工作原理”可知，當(dāng)AVR功率電源斷開后，AVR不能分流，發(fā)電機(jī)工作所需的勵(lì)磁電流由勵(lì)磁裝置提供，而勵(lì)磁裝置在AVR不起作用時(shí)提供的勵(lì)磁電流大于發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁電流，所以發(fā)電機(jī)電壓應(yīng)該升高。而此次故障現(xiàn)象卻是發(fā)電機(jī)電壓短暫下跌后再升高，要分析清楚這一短暫過(guò)程整套勵(lì)磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)，首先需了解相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁裝置的自勵(lì)過(guò)程（不帶AVR）。

2.2.1相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁裝置自勵(lì)過(guò)程

根據(jù)《電機(jī)學(xué)》及相關(guān)勵(lì)磁系統(tǒng)文獻(xiàn)可知，自勵(lì)恒壓同步發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程是一種瞬態(tài)相應(yīng)過(guò)程，自勵(lì)系統(tǒng)是一種直接反饋系統(tǒng)，對(duì)同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，即其輸出信號(hào)由輸出端經(jīng)整流裝置后，返回到輸入端的一種系統(tǒng)；就性質(zhì)而言，自勵(lì)也是一種正反饋?zhàn)饔茫漭敵隽糠祷氐捷斎攵藭?huì)加強(qiáng)系統(tǒng)的輸入量，所以同步發(fā)電機(jī)的自勵(lì)都是依靠正反饋?zhàn)饔眉ぐl(fā)自勵(lì)，建立電壓的過(guò)程，在某些電磁量之間，必須滿足物理上的約束和具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。

2.2.2自勵(lì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)易數(shù)學(xué)模型

根據(jù)電機(jī)磁路特性，發(fā)電機(jī)空載特性曲線可表示為：

若忽略勵(lì)磁裝置的壓降，空載電壓按正弦規(guī)律變化，則自勵(lì)過(guò)程的方程式為：

顯然式（2）所表達(dá)的自勵(lì)過(guò)程的非線性的，難以求解，作一些假定，可近似的求解為：

式（3）中的0與i又滿足式（1）所表示的空載特性，因此自勵(lì)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程式可近似表示為：

從式（4）可以看出，發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程是一個(gè)由多種元素構(gòu)成的復(fù)雜方程式，發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，任一變量的變化都會(huì)使整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)不穩(wěn)定，輕者電壓下跌、不穩(wěn)定；重者發(fā)電機(jī)自勵(lì)不正常，不能建立起空載電壓。而此次功率源斷線后表面是AVR失去功率源不能正常工作，但瞬間斷線過(guò)程產(chǎn)生的電磁反映也使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁裝置工作穩(wěn)定性被打破，所以出現(xiàn)了電壓瞬間跌落的故障現(xiàn)象。

2.3 斷線穩(wěn)定后電壓不可調(diào)及上升原因分析

根據(jù)“2.1相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)及AVR工作原理”可知，當(dāng)V相斷開后，AVR失去功率電源不能工作，重新起機(jī)后再通過(guò)外附電位器調(diào)節(jié)電壓時(shí)，出現(xiàn)了電壓不可調(diào)故障；而此時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流由勵(lì)磁裝置提供，而勵(lì)磁裝置提供的勵(lì)磁電流大于發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁電流，所以發(fā)電機(jī)電壓會(huì)升高。

2.4 電壓突然下跌原因試驗(yàn)?zāi)M

在與故障現(xiàn)象同型號(hào)的相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)V相匯流排電源信號(hào)線間接入開關(guān)，進(jìn)行帶100%負(fù)載試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中突然斷開開關(guān)，用示波器對(duì)電壓波形進(jìn)行記錄，通過(guò)圖2可以看出，在開關(guān)斷開瞬間，發(fā)電機(jī)電壓突然下跌，由396.5 V跌至350.7V，與聯(lián)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象基本一致（電壓下跌值的大小與具體發(fā)電機(jī)的特性有關(guān)）。

同時(shí)，在不同負(fù)載下，對(duì)V相斷線前后的勵(lì)磁電流進(jìn)行了測(cè)量，具體數(shù)值見表1。

圖2 試驗(yàn)?zāi)M故障波形

表1

狀態(tài)電壓(V)電流(A)勵(lì)磁電流(A) 空載正常接線390.501.13 斷開V相397.501.29 330 kW正常接線390.1578.22.45 斷開V相408.2583.62.92 625 kW正常接線390.21157.24.04 斷開V相408.81163.54.50 937 kW正常接線389.81735.25.60 斷開V相403.51736.45.88 1250 kW正常接線389.72313.57.28 斷開V相408.82314.37.76

從表1可以看出，在同樣的負(fù)載工況下， V相斷線后，發(fā)電機(jī)電壓和勵(lì)磁電流均大于正常接線的電壓和電流值，和故障產(chǎn)品的現(xiàn)象一致。

3 結(jié)論

相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁裝置多、AVR控制回路復(fù)雜，任一器件的故障都會(huì)造成發(fā)電機(jī)不能正常工作，只有充分掌握相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理，才能在處理具體的故障現(xiàn)象準(zhǔn)確定位，避免問題的進(jìn)一步擴(kuò)大。

[1] 許實(shí)章. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1985.

[2] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.

[3] 姚守猷, 張世棟. 自勵(lì)恒壓同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

Analysis of the Failure Phenomenon and Cause of Power Source Disconnection in THYRIPART Excitation System

Gong Jie,Wei Yugu

(Electrical Machinery Science﹠Technology Co.,Ltd, CSIC, Taiyuan 030027, China)

TM31

A

1003-4862（2019）10-0025-03

2019-04-03

鞏潔（1986-），女，工程師，從事電機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)。E-mail：420261983@qq.com