双绕组电抗分流式励磁装置的工作原理

双绕组电抗分流式励磁装置的工作原理2009-03-31 20:05:44|分类：默认分类|字号 订阅双绕组电抗分流式励磁装置的工作原理及其有关问题的处理（一）河海大学黄宝南编者按 在我国众多小型水电站中，单机容量 250千瓦及以下的水轮发电 机，广泛采用双绕组电抗分流式自励恒压装置。它的结构简单，运行方便，维护 工作量小。但目前发现采用此装置的小型水轮发电机组在并网运行时发生了一些 困难.本文就此从该装置的基本工作原理、 励磁性能、发电机空载并列时的稳定 问题、无功调节等方百进行了较详尽的论述，希望对广大读者有所帮助。、基本工作原理双绕组电抗分流式自励恒压励硷装置的主要组成部分有：定子附加励 磁绕组.它与发电机主绕组一起嵌放在发电机定子铁芯槽中，在相位上它比发电机定子主绕组滞后一个角度 B。图1所示的电气原理接线图中，D1D6为发电 机定子主绕组，did6为发电机附加励磁绕组。这就是双绕组励磁装置名称的 由来；分流电抗器，即图中的 W1和W2绕组，每个绕组都有几个中间抽头， 以供使用中改变抽头调整励磁之用；三相桥式全波整流电路和阻容过电压保护 回路.在发电机励磁绕组两端并联接入磁场变阻器（R2和R3），用来在运行中 分流一部分励磁电流，来调节发电机的端电压（当发电机孤立运行时），或调节 发电机的无功负荷（当发电机并网并列运行时）.由于磁场变阻器不是象其他发 电机那样串联在励磁机励磁绕组中，因此调节范围有限，其调个范围约在10%左右。水轮发电机组在启动过程中，依靠发电机转于绕组中的剩磁，在附加励磁绕 组中感应产生一定大小的三相交流电势，经二极管三相全波桥式整流器整流输出 直流电压，加在发电机转子励磁绕组FLQ上，转子励磁绕组流有直流励磁电流， 转子磁场逐渐增强，发电机定于电压逐步升高，在较短的时间内发电机定子端电 压可升至空载额定电压。这就是发电机靠剩磁自励建立电压的过程。J| 竺他亠57OABCd5-dffi 1双统组电抗分流式自励恒压励磁装置原理給线图发电机定子主绕组和附加励磁绕组通过三相分流电抗器连接起来，在发 电机带负荷运行时，发电机的负荷电流将有一部分通过分流电抗器的 W2绕组输 入二极管三相全波桥式整流器，经过整流后输入发电机的励磁绕组，供给发电机励磁.这就是说，发电机在带负荷运行时，其励磁电流是由两部分组成的，一是 发电机的附加励磁绕组供给的励磁电流 Ilu即电压分量；另一部分是由发电机定 子、负荷电流If的一部分lie,供给的，即复励分量.因此，总的励孩电流lie。（lie为发电机励磁电流的等效交流侧电流）为：人“+九（1 ）双绕组电抗分流式自励恒压励磁装置的等值电路如图2所示随着发电机负荷的增加，或负荷功率因数的下降，复励电流lli;会相应的增加，则总的励磁电流lieo也将增加，以弥补发电机因负荷电流的增加或负 荷功率因数的下降而引起的发电机电枢反应加强而导致的发电机端电压的下降， 使得发电机的端电压基本保持不变，它具有相位复式励磁的作用，这就是自励恒压这一名称的来源。这里其所以要通过带有气隙的电抗器将，复励电流lli与附加励磁绕组产生的励磁电流llu迭加供给励磁电流的原因有两个：一是在分接头固定的情况下， 带有可调气隙的电抗器铁芯不饱和， 绕在电抗器铁芯上的两个绕组 w1和W2的 阻抗（这里主要表现为电抗值x1和x2）为线性。因而，在同一负荷情况下，通 过改变电抗器气隙的大小，可以改变等值电抗 x1或x2的大小，也就改变了分 流到励磁绕组中的复励电流lli;的大小，从而达到调节励磁电流的目的。电抗器 气隙在出厂时已经调好，一般不需调整.在现场，如果发电机的空载电压高于额 定电压或系统电压时，可将电抗器的气隙调小，这相当于增大线圈 W1或W2的 等值电抗x1或x2的值；反之，如发电机的空载电压低于额定值或电网电压时， 可将电抗器的气隙调大，这相当于减小线圈 W1或W2的等值电抗x1或x2的 值。这种在空载情况下调电抗器间隙其实质是改变励磁回路交流部分的回路阻 抗，使得在一定的附加励磁绕组感应电势下整流桥的输出直流电压泄足空载励磁 电压的要求；在带负载的情况下，调电抗器气隙除有上述作用外，还同时调节了 分流到励磁整流器中去的负荷电流lli ;的大小。图2双绕组电抗分流式自励恒压励磁装置等值电路 （图中表示圈头部）XI、 X2分流电抗器两部分的电抗；xm 电抗器两部分的互感电抗；RLC 折算到 交流侧的励磁绕组回路等值电阻；UL 附加励磁绕组的电压；If发电机负荷电 流；ILe励磁电流的等效交流值；1x2 流过x1的电流；ILu 由附加励磁绕组 供给的励磁电流，也即励磁电流的空载分量；ILi 励磁电流的复励分量；Ixix2 中的分流电流。其第二个原因是，电抗器线圈W1和W2分别带有几个中间抽头，改变这些 中间抽头的位置，可以改变发电机在额定负载时的电压。这些中间抽头的位置一 般在电抗器出厂时也已经选择接好， 不必调整。如果发电机在额定负载时，其电 压显著低于额定值，可以增加 W1或减小W2的匝数，这相当于增加x1或减小 x2的等值电抗值，以增大复励电流Ili的值，提高发电机端电压至额定值；反之， 如果发电机电压显著高山于额定值，可减小W1或增大W2的以减小复励电流Ili 的值，降低发电机的端电压至额定值。（待续）双绕组电抗分流发电机运行经验几则河南省浙川县水利水保局杨吉坤双绕组电抗分流自励恒压发电机（图一），以它简单的励磁结构，良好的恒 压性能，赢得了在小水电中的重要地位.这种机型在单机运行时性能非常优越， 但在几台机并列运行或与大电网联网运行时，就暴露出了它由于本身特性所引起 的不容忽视的缺点，如无功负载不能合理分配，运行不稳定易发生振荡，有的机 组甚至不能运行。究其原因，一是发电机的外特性不适于并网， 二是各发电机的 外特性不尽相同。叫1ra 2我们知道，单独运行的发电机带负载时，要求发电机的端电压不随负载的 大小和性质而变化，需要平坦的外特性（图二）。而双绕组电抗分流发电机带负 载时，励磁电流随负载变化的能力很强， 其本身是一个正反馈闭环调节系统， 具 有无差调节特性。这种机组并入电网时，往往抢带无功，使并列合闸的瞬间，励 磁电流及定子电流都达到或超过额定值， 空气开先跳闸，不能并列。如果是几台 同容量的机组并列运行，也往往是有的机组带无功多，有的机组带无功少，且极 易扰动，不能稳定运行。从图二可以看出，当机组具有无差调节特性时，在端电 压为同一电压的情况下，定于电流可以适应于无限多个值。即使具有下降的外特 性，也会因为特性不完全一致而导致各机组所带的无功负载有很大的差异。还有一种情况是单机运行时正常，而并网运行时则励磁电流上不去，带不上无功负载。 因电站的出口电能计量装置一般是装在变压器高压倒， 发电机不但要向电网输送 无功，还要承担升压变压器的无功损耗， 励磁电流的减小，有时还会使机组吸收 系统无功.这种现象的原因是励磁部分接线有错误或复励强度太低， 同样不适于 并网运行。为使这类机组能适应各种运行情况，人们想出了各种办法来克服上述缺点。单独供电的电站几台同容量机组并列运行时， 行之有效的方法是在各机组励磁直 流电源两端加均衡线，以抑制由于各机组外特性不同而引起的推拉无功的现 象.由于各机组的励磁电流相互补偿， 外特性斜率小的机组励磁电压升高时， 要 被励磁电压较低的机组分流一部分，使得励磁电压较低的机组励磁电流被动地增 加，相互补偿的结果，使外特性斜率小的机组斜率变大， 而外特性斜率大的机组 斜率变小（图三），最后稳定在相同的外特性下运行。阳3均衡线的接法不同，所起的效果也不一样，通过实践我们认为：均衡线 的投入必须与发电机主开关同步，才能使机组顺利并列。如果用闸刀投切均衡线， 一是不能很好地同步，二是若一台机停机时忘了拉闸，则这台机的转于绕组一直 在起分流作用，影响其他机组正常运行。我们采用的方法是：两台以上同容量机 组并列时，加一条均衡母线，用均衡线接触器 JC投入（图四），均衡线接触器 则与发电机主开关联锁动作。因发电机出口有的只装空气开关ZK，有的还装有刀开关DK这两种开关都要与均衡线联锁才能使之同步。这样，任意一个开关不 合均衡线就不会投入，用任意一个开关并列都会使均衡线投入， 在事故情况下及 机组手动解列时，无论断开哪个开关均衡线都会退出，从而保证了均衡线与主开 关同步。由于市售的刀开关均无辅助接点。采用这种方法时，需加装一个与主开 关同步的辅助开关，这个辅助开关用行程开关或按钮都可以，且只用一对常开触 点。加装的方法是：先把辅助开关固定在刀开关旁的支架上， 然后在刀开关拉杆 的调节螺杆上加装一个接触杆（图五），调节接触杆的位置，使刀开关触头刚闭 合时，辅助开关的常开触头也闭合，刀开关断开时辅助开关也应可靠断开.此外, 接触杆还要有一定的弹性，防止刀开关合到位时顶坏辅助开关。如果机组是与大电网并列运行，这要先看机组是否有过励磁的能力并 网合闸的瞬间，加定于电流及励磁电流都达到或者超过额定值，说明机组的复励 能力强，这种机组可采用可控硅分流的办法来解决（图六），其调节部分用手动 也可，自动也可。若用自动则必须按正调差方式，以便使机组有下降的外特性.或 采用按恒功率因数的方式调节。这种方案适应于任意容量的低压机组.若机组复 励强度不够，可用改变副绕组首端相序的方法来确定原来的接线是否最合理，特别是经过拆修且出线标志不清的机组，这种方法尤为见效。改变的方法依次为：1 . abc;2. acb;3. cab;4. cba; 5. bca; 6. bac.这六种接法中，其中一种的复励强度最强，其现象是合上阐后，励磁电流和三相定于电流 都很大.若找不出一种复磁强度比较大的接法，可能是电抗器的匝数比配合不当， 可适当增加X1的匝数来增加复励强度。有的机组电抗器线圈间的间隙太小，无 法增加匝数，就只有另加一励磁能源来进行补偿。图七團7a是用自耦变压器调节，发电机相电压经 B1调节，B2降压并隔离，D1至 D4整流后加在励磁绕组L1、L2两端，输出电流的大小由B1进行手动控制。图 七b的方案是利用可控硅调节，调节的方法可用手动或自动。图中的ZK及SJC 分别是自动空气开关及防止飞车用水电阻接触器的辅助接点， 正常运行时两接点 都接通，机端电压经B降压，D1、D2、KG1、KG2可控整流后，加在Ll、L2 两端输出电流的大小靠改变 KG1、KG2的导通角来实现。若ZK跳闸或水电 阻投入，这部分励磁能源即被切断，防止发电机电压升得太高.这种方案适应于 200kw以下机组，机组容量过大，所需补偿的顾磁功率也大，最好采用三相式.另一种方案是彻底甩掉副绕组、电抗器和六只二极管，只用发电机主绕组。 励磁电源由发电机端电压经 KG1半波可控整流后取得（图八）调节方式可用 恒压及恒功率因数结合的方式.空载及单机运行时由恒压环节来维持发电机端电 压为一定值，并网时输出励磁电流的大小由恒功率因数环节根据所整定的功率因 数值自动调节.为防止励磁电流超调引起定于过电流， 同时设置了限流环节。这 种调节方式不受电网电压的限制，无功动车严格地按照与有功功率的比值进行自 动调节，在电机事故跳闸时，电流消失，恒功率因数环节失去作用，只有空载励 磁电压.这种方式适用于75kw以下机组.小型机组的过电压保护也是不可忽视的，有的电站运行时，经常发生整 流二极管损坏的情况，通常误认为是电流大烧坏的.其实，大多数损坏的原因是 过电压保护不完善而使硅元件过电压引起的硅整流元件承受过电压的能力很 弱，大气过电压，操作过电压，硅元件的换相都会产生过电压。一般发电机只在 直流侧装阻容吸收装置，而交流倒无任何保护，如果在发电机电压母线上装设一 组氧化锌低压避雷器，三相整流桥的输入端装一组阻容保护元件或压敏电阻 （图 九），二极管损坏的机率就会大大减小，有类似情况的电站不妨一试。C R lTyM电抗分流式发电机励磁系统改造1前言双绕组电抗分流式发电机组曾在小型水力发电站应用较多，由于其励磁系统简单，单机运行时能适应农村 负荷的变化，维护也比较方便，许多发电机运行了十几年，还维持原运行方式联入网上或多机组并列运行。 根据我县多台电抗分流式发电机运行情况，当空载调整好其电抗线圈匝数后，在负荷变化时外特性较差， 不能保证电压稳定。目前，因电网覆盖面广，农村小型水电站已进入了并网运行。在并网运行中，稳定性也较差，容易产生振荡，过励或欠励，甚至失磁等现象，难以调整无功功率来适应无功负荷需要。为了解 决这一发电机励磁系型式，我们配合有关厂家对励磁系统进行过多方面的改造和研究。如改变副绕组和主 绕组的相位关系，改变电抗器的匝数比；在交流侧加装晶闸管分流的励磁调节器；在并列的多台发电机转 子绕组之间加装均压线等，效果都不理想，满足不了发电机多机并列或并网运行的稳定性和无功调节的要 求。因此，针对这一现状，结合小型水电站的技术能力，设计了一套简单实用的可控硅励磁系统。甩掉了 原励磁系统中的电抗器，将发电机的主绕组和副绕组的尾端分别短接，同时改三相桥式不可控整流电路为 三相桥式半控整流电路（见图1、图2），其主要特点是技术和结构简单，仅对其接线端进行接线处理，不占 用主绕组的容量，运行稳定可靠，改造费用低。1988年在改造县水电公司沙港电站 3台320kw双绕组电抗分流式发电机时，就配置了该套励磁装置。通过几年的运行，实践证明，其使用维护方便，运行稳定可靠， 特别是联网运行中，稳定性更佳，无功功率能根据网上要求任意调节，解决了过励或欠励现象；同时，又 能保证单机独立运行或多机并列运行的电压稳定。我们认为该可控硅励磁装置结构简单，实用性强，适合 小型水电站双绕组电抗分流式发电机的励磁改造，有推广使用的价值。2工作原理该励磁装置由三相桥式半控整流电路、自动励磁调节器以及残压起动电路组成。运行时，发电机副绕组产生的三相交流电通过由可控硅（1 3）SCR和整流二极管（1 3）Z组成的三相桥式半控整流电路整流后， 供给励磁绕组L1;励磁电流的大小，决定于可控硅的导通角 B,而可控硅的导通角 B由自动励磁调节器 ZLT 自动控制。当发电机的端电压高于整定值时，自动励磁调节器产生的触发脉冲信号推迟，使可控硅的导通 角B减小，励磁电流减小，发电机端电压降低；当发电机的端电压低于整定值时，自动励磁调节器产生的 触发脉冲信号提前，使可控硅的导通角增大，从而导致励磁电流增大，发电机端电压升高。通过运行实测， 静态调压范围+ 10%+ 15%，运行电压稳定值为2%,瞬时最大电压降小于10%，电压恢复时间小于 0.2s。 由于机组起动时，主副绕组中产生的剩磁电压比较低（约为额定值的2%3%），这时，励磁调节器还不能正常工作，可控硅不导通，只有利用由按钮QA、熔断器RD、电压继电器CJ、整流二极管5Z等组成的残压起励电路进行起励操作（按住按钮QA ）；当发电机端相电压上升到 100V左右，电压继电器 CJ启动，其常闭接点断开起励回路，自动进入自动励磁调节器工作状态，避免了可能产生的过电压现象，把机组稳定 在正常情况下。3安装按照图2提供的励磁系统接线，要改变原励磁系统接线的部位，主要有3处：一是拆除电抗器，将发电机的主绕组和副绕组尾端分别短接；二是原三相桥式整流电路中的3只共阴极整流二极管换为 3只可控硅；三是在三相桥式整流电路输岀端并接一只正向压降低的硅整流二极管，起续流二极管的作用。自动励磁调节器和三相桥式半控整流电路改接完成后，可接入发电机的励磁回路中，开机前将调压电位器 旋到空载位置，特发电机各项空载指标达到要求，则可进行负荷调试。4结论本励磁装置，在小型水力发电机励磁系统改造中效果十分明显，具有很好的推广价值。从已改造的320kw以下机组运行实践表明，电压调整范围、调压精度、调差率非常满意，并列运行稳定，而且容易维护。根 据已改造发电机的类型，该励磁装置，不仅用于双绕组电抗分流式发电机中，同样可用于其它多种类型发 电机的励磁改造。（注：联系人：李明才地址：靖安县水务局电话：0795-4668070）