葛洲坝电厂励磁系统介绍（ 1）

2004 年 5月 11 日

编写人邹先明

一、基础知识

1 、励磁系统的定义同步发电机是电力系统的主要设备，它是将旋转形式的机械功率转换成电磁

功率的设备。为完成这一转换，它本身需要一个直流磁场。产生这个磁场的直流电流称为发电机的励磁电流，专门为同步发电机提供励磁电流的设备，即励磁电压的建立、调整和使其电压消失的设备，统称为励磁系统。 励磁系统设备一般由两部分组成，励磁功率设备和励磁控制设备。

•

• 功率设备：向励磁系统提供电源• 励磁设备 • 控制设备：自动控制励磁系统的参数。主• 要是励磁调节器。

励磁系统的分类有两种分类方式。其一是按照有无旋转励磁机来分，其二是按照功率电源的取向来分。 按照有无旋转励磁机的分类方式有如下类型：

2 、励磁系统的分类

旋转励磁方式

静止励磁方式

有刷励磁 无刷励磁

混合式励磁方式

二极管整流励磁方式

可控硅整流励磁方式

混合式整流励磁方式

自励方式

他励方式

自并励

自复励

交流侧串联自复励

直流侧串联自复励

励磁机供电方式 （包括直流励磁机和交流励磁机）

二极管整流方式

可控硅整流方式

厂用交流电源供电方式

按照功率电源的取向分类时有如下类型：

3 、励磁系统的任务（ 1 ）、电压控制 同步发电机励磁自动控制系统通过不断调节励磁电流来维持机端电压为给定水平。 （ 2 ）、控制无功功率的分配 与无限大系统并联运行的机组调节励磁电流可以改变发电机的无功功率。但在实际运行中，与发电机并联运行的并不是无穷大系统。改变一台发电机的励磁电流，不但影响它自己的电压与无功，也将影响与它并联的机组的无功功率。因此，励磁自动控制系统还担负并联运行机组间的无功合理分配。 （ 3 ）、提高同步发电机并联运行的稳定性 a 、励磁对静态稳定的影响 单机向无穷大系统送电的极限功率为： Pm=EqU/X∑

P

O δδ 0 900 1800

P

a b

m

P0

图 1-1 同步发电机的功率特性

实际运行时，为可靠起见，运行点总是低于功率极限。事实上，当发电机输出有功功率 P 增加，功角 δ 增加时，对于具有按电压偏差调节励磁的发电机来说，要维持发电机机端电压的稳定，必须增加励磁电流使 Eq 值升高。于是，运行点将移到另一条幅值

较大的内功率特性曲线上。同理，当 δ 角再增加时，运行曲线也更高。这样就得到幅值连续增高的一簇内功率特性曲线，如 1-2 图所示。由于励磁调节器的作用，使得功角极限 δe 大于 90° 有效提高了系统的静态稳定极限。

e

P

图 1-2 发电机几条代表性功率特性曲线

P0

B

δe δδ00

b 、励磁对暂态稳定的影响

P

P0

0 δ

b

a

Ⅱ

Ⅰ

图 1-3 发电机暂态稳定等面积法则

Ⅲ

如图（ 3 ）所示，当突然受到某种扰动后，系统运行点由特性曲线Ⅰ上的 a 点突变到曲线Ⅱ上的 b 点，由于动力惯性，转子加速，若加速面积小于减速面积，发电机保持稳定，反之，发电机则失去稳定，这时，

发电机如能强行增加励磁，使受到扰动后的发电机组的运行曲线回到功角曲线Ⅲ上运行，既增大了减速面积，又减小了加速面积，改善了电力系统稳定性。

（（ 44 ）、改善电力系统的运行条件）、改善电力系统的运行条件 （（ 11 ））短路切除后可以加速系统电压恢复过程，改善异步电动机的自启动条件，

（ 2 ）为发电机异步运行和自同期并列创造条件

（ 3 ）提高保护装置工作的正确性

（（ 55 ）、水轮发电机组要求实行强行减磁）、水轮发电机组要求实行强行减磁

5 、 PSS原理简介

在电力系统中，发电机经输电线路并列运行时，在诸如负荷变化等小的

扰动作用下，等值发电机之间就会发生相对摇摆，输电线路上的功率也发生

相应的振荡。一般情况下，由于阻尼的作用，振荡 2~3次后即平息。如果系

统系统阻尼不足，则振荡将持续甚至放大。这种振荡频率一般为 0.2~2.5Hz 之

间，故称为低频振荡。

改善电力系统网架结构对防止低频振荡是很重要的，但系统是在不断发展，

不断变化的，随时可能发生新的弱联系。因此，单纯依靠加强系统结构来防止

弱阻尼，不仅是不经济的，也几乎是不可能的，必须同时在控制系统采取措施，

增加阻尼，防止振荡。

采用电力系统稳定器（ PSS ）是增加系统阻尼，防止低频振荡的有效措施。自 20世纪 70年代末，国外大部分电力系统发生低频振荡时，均采用 PSS 。

PSS 是采取转速偏差（ Δω ），频率偏差（ Δf ），功率加速偏差

（ ΔPa ），电功率偏差（ ΔPe ）中的一个或几个信号（一般为二个），

作为自动励磁调节器（ AER ）的附加输入，产生阻尼转矩，提高电力

系统动态稳定。

二、葛洲坝电厂励磁系统介绍

1 、葛洲坝电厂励磁方式 它励：备励系统 自并励： 20F~21F 励磁系统 交流侧串联自复励： 1F~19F 励磁系统

葛洲坝电厂葛洲坝电厂 1F~19F 采用可控硅静止式交流侧串联自复励方式，采用可控硅静止式交流侧串联自复励方式，其一次电源接线原理图如图其一次电源接线原理图如图 2-12-1 ，阳极电压向量图如图，阳极电压向量图如图 2-22-2 。 。 20F~21F 采用可控硅静止式自并励方式，其一次电源接线与自复励相比，除采用可控硅静止式自并励方式，其一次电源接线与自复励相比，除没有没有 CBCB 外，其余部分都一样。外，其余部分都一样。

F

CB ZB

UZB

UY

Ud

UCB

Ut

It

Ut UZB

UCB

UY

图 2-1 自复励系统一次电源接线原理图 图 2-2 自复励系统电压向量图

ICB

SCR

电压向量图忽略了变压器电阻的影响。

由向量图可知：UY=UZB+UCB=UZB+jICBXCB

式中： XCB 为 CB 的电抗

自并励方式与其他励磁方式相比，设备和接线都比较简单，可靠性高，降低了造价，励磁调节速度很快，优点十分突出。但在发电机近机端短路时，由于机端电压很低，自并励系统强励能力差，由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护有可能使拒动。交流侧串联自复励方式 可以从励磁变和串联变同时获得电源，解决了发电机近机端 短路时的强励问题，但由于增加了串联变，设备和接线都变得复杂了。 在实际运行中，交流侧串联自复励系统存在的缺点 （ 1 ）、串联变运行噪声很大 （ 2 ）、串联变的电抗使整流柜的可控硅换相角和可控硅的关断尖峰电压增大

（ 3 ）、由于整流柜阳极电压与发电机电压不同相位，且相位差在不同的运行状况下也不相同，故励磁调节器只能在整流柜阳极采取同步电压信号，而整流柜阳极的交流波形很差，可能使同步采样出现错误。

葛洲坝二江电厂励磁系统主要整定参数一览表表 1 励磁系统主要参数

葛洲坝二江电厂励磁系统主要整定参数一览表表 1 励磁系统主要参数

葛洲坝二江电厂励磁系统主要整定参数一览表表 1 励磁系统主要参数

机组编号参数名称

1 ～ 2F 3 ～ 7F

发电机型号 TS1760/200-110 SF125-96/15600

额定功率因数 0.875 0.875

额定机端电压 13.8KV 13.8KV

额定定子电流 8125A 5980A

额定励磁电流 2077A 1653A

额定励磁电压 497V 498V

空载励磁电流 1289A 916A

空载励磁电压 210V 183.2V

强励励磁电流 1.5If 1.5If

励磁电压强励倍数 1.8Uf 1.8Uf

额定阳极电压 727+J 83V 790+J 144V

励磁方式 静止可控硅交流侧串联自复励 静止可控硅交流侧串联自复励

Tdo 5.59秒 5.53秒

转子直流电阻（ 75℃）

0.202 0.248

发电机短路比 1.33 1.1

整流变压器

型号 ZSG-2400/13.8 ZSG-2000/13.8

额定容量 2400KVA 2000KVA

接线组别 Y/-12 Y/-12

变比 13800/727V 13800/790V

低压侧额定电流 1900A 1462A

串联变压器

型号 CDT-800/15 CDT-1000/13.8

额定容量 3×800KVA 3×1000KVA

接线组别 1/1-12 1/1-12

电流 / 电压比 8125A/83V 5980A/144V

低压侧额定电流 1711A 1350A

整流功率柜

型号 STR-1600/800 STR-1600/800

额定输入电压 800V 800V

额定输出电流 3×1600A 2×1600A

冷却方式 强迫风冷 强迫风冷

额定冷却风速 单柜 5m3/s 单柜 5m3/s

2、葛洲坝电厂励磁功率柜原理

葛洲坝电厂励磁功率柜全部采用三相全控整流桥电路其接线原理图如

图 2-3 。 6 个可控硅按 +A-C 、 +B-C 、 +B-A 、 +C-A 、 +C-B 、 +A-B 、 +A-C 的

顺序轮流配对导通，每个可控硅导通 120° 。它既可以工作在整流状态，

也可以工作在逆变状态。

电感负载时，其整流输出电压 Ud 与阳极电压 Uy 和控制角 α 的关系式为：

Ud=1.35UyCOSα ，

当负载为感性负载时，整流电流的平均值 Id 与交流电流 Iy 的关系式为：

Iy=0.816Id 。

A

YGK

+A +B +C

-A -B -C

C C C

C C C

R R R

RRR

KRD KRD KRD

KRD KRD KRD

ZDK

图 2-3 三相全控整流桥原理接线图

并联在可控硅两端的 RC 回路主要作用有：（ 1 ）、吸收可控硅的换相过电压（ 2 ）、限制可控硅两端的电压上升率

Ud

ωt

图 2-4 α=60° 时可控硅全控整流桥的输出电压波形

在运行中，可控硅脉冲掉相是励磁功率柜最常见的故障。当功率柜有一只可控硅不导通时 ，这个功率柜的输出电流比 与其并联运行的功率柜要小 1/3 左右。

Ud

ωt

图 2-5 有一只可控硅不导通时可控硅全控整流桥的输出电压波形

在实际运行中，由于整流柜阳极电抗的存在，使得换相过程不能瞬间完成，要持续一段时间。使得功率柜的输出电压波形与图 2-4 所画的理想波形有一些差别，出现了换相电压缺口和可控硅关断尖峰电压，功率柜的阳极电压波形也不是标准的交流波。

图 2-6 功率柜输出直流电压波形

逆变失败与最小逆变角的限制（ 1 ）、逆变失败的原因主要有：a 、触发电路工作不可靠b 、可控硅发生故障，在应阻断时失去阻断能力，或应导通时不能导通。c 、在逆变时，交流电源发生缺相或突然消失。d 、换相的裕量角不足，引起换相失败。

（ 2 ）最小逆变角 βmin 的确定 βmin =δ+γ+θ 式中： δ 为可控硅关断时间 tq 折合的电角度 γ 为换相重叠角 θ 为安全裕度 一般 δ 约 4°~5° ， γ 随直流平均电流和换相电抗的增大而增大，考虑安全裕度， βmin 一般取 30°~35° 。设计电路时，要保证 β≥βmin

葛洲坝电厂励磁功率柜逆变时 α=120° ，即逆变角 β=180°- α=60°

1 F 设 备 技 术 规 范

项目

技术参数 名 称出厂编号

功率整流柜 型 式制造厂

STR-1600/800

葛电能达公司

出厂日期投产日期

 

序号 参 数 名 称 符号 单位 数值 备注

1 功率柜额定输入电压 Uye 伏 800  

2 功率柜额定输出电流 Ide 安培 4800 单柜 1600A

3 功率柜均流系数     0.85  

4 整流元件技术参数：     KPX1650/4200 强迫风冷元件

5 通态平均电流 IT 安培 1650  

6 通态峰值电压 UTM 伏 1.5  

7 断态重复峰值电压 UDRM 伏 4200  

8 反向重复峰值电压 URRM 伏 4200  

9 断态重复峰值电流 IDRM 毫安 300

10 反向重复峰值电流 IRRM 毫安 200

11 断态电压上升率 dv/dt 1000v/s

12 通态电流上升率 di/dt 100A/s

13 门极触发电压 UGT 伏 4.5

14 门极触发电流 IGT 毫安 250

15 阻容元件参数： 原始参数

16 瓷管电阻 R RCYX-20-75/3

17 油沁铁壳聚乙稀电容 C CBB-2f/1400×2

谢谢大家（待续）

2004/7/30