第二节 发电机励磁系统的组成
尽管不同的发电机励磁系统，包括不同的组成部份，但我们依然可以用三个大的部分来概括：调节控制部分，包括自动励磁调节器、自动恒压装置、手动调节器电阻等；电源部分，包括直流励磁机、交流励磁机、励磁整流装置、励磁变压器等；灭磁与起励部分，包括灭磁开关、灭磁电阻、过电压保护和起励回路等。
下面，以自并励静止励磁系统为重点，简要介绍各组成部分及其作用。
一、自并励静止励磁系统的组成
自并励静止励磁系统主要由励磁变压器、晶闸管整流桥、自动励磁调节器及起励装置、转子过电压保护与灭磁装置等组成，其原理接线如图1－13所示。目前，水电站都采用自并励静止励磁系统。
1．励磁变压器
励磁变压器为励磁系统提供励磁能源。对于励磁变二次侧自动开关，如果这个开关联动灭磁电阻的投切，则是交流灭磁开关；如果不联动灭磁电阻，这个开关仅仅起了隔离作用，则是交流隔离开关。无论是交流灭磁开关还是交流隔离开关，可以在停机后隔离励磁装置和励磁变压器回路，方便检修试验。
励磁变压器可设置过电流保护、温度保护。容量较大的油浸励磁变压器还设置瓦斯保护。小容量励磁变压器一般自己不设保护。变压器高压侧接线必须包括在发电机的差动保护范围之内。
早期的励磁变压器一般都采用油浸式变压器。近年来，随着干式变压器制造技术的进步及考虑防火、维护等因素的影响，现在都采用环氧树脂变压器。对于大容量的励磁变压器，往往采用三个单相干式变压器组合而成。励磁变压器的联接组别，通常采用Y/△组别。与普通配电变压器一样，励磁变压器的短路压降为4%～8%。
2．晶闸管整流桥
自并励励磁系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接法。这种接法的优点是半导体元件承受的电压低，励磁变压器的利用率高。三相桥式电路可采用半控或全控桥方式。这两者增磁的能力相同，但在减磁时，半控桥只能把励磁电压控制到零，而全控桥在逆变运行时可产生负的励磁电压，把励磁电流急速下降到零，并将能量反馈到电网和发电机中。现在自并励励磁系统中几乎全部采用全控桥。
晶闸管整流桥采用相控方式。对三相全控桥，当负载为感性负载时，控制角在0o～90o之间为整流状态（产生正向电压与正向电流）；控制角在90o～150o（理论上控制角可以达到180o，考虑到实际存在换流重叠角，以及触发脉冲有一定的宽度，所以一般{zd0}控制角取150o）之间为逆变状态（产生负向电压与正向电流）。因此当发电机负载发生变化时，通过改变晶闸管的控制角来调整励磁电流的大小，以保证发电机的机端电压恒定。
对于大型励磁系统，为保证足够的励磁电流，采用数个整流桥并联。整流桥并联支路数的选取原则为：（N+1），N为保证发电机正常励磁的整流桥个数。即当一个整流桥因故障退出时，不影响励磁系统的正常励磁能力。有些资料用(N-1)方式来表达励磁整流柜的冗余，其含义同(N+1)。
3．励磁控制装置
励磁控制装置包括自动电压调节器和起励控制回路。对于大型机组的自并励励磁系统中的自动电压调节器（AVR），多采用微机型数字电压调节器。励磁调节器测量发电机机端电压，并与给定值（设定值）进行比较，当机端电压高于给定值时，增大晶闸管的控制角，减小励磁电流，使发电机机端电压回到设定值。当机端电压低于给定值时，减小晶闸管的控制角，增大励磁电流，维持发电机机端电压为设定值。
4．灭磁及转子过电压保护
发电机灭磁就是由灭磁开关和灭磁电阻配合，安全迅速的切断励磁电流并吸收转子能量。非线性电阻灭磁方式在大型发电机组，特别是水轮发电机组中得到了大量应用。对于灭磁电阻，国内一般采用高能氧化锌阀片（ZnO），而国外采用碳化硅电阻（SiC）。对于采用线性电阻或采用灭弧栅方式灭磁时，须设单独的转子过电压保护装置（跨接器）。而采用非线性电阻灭磁时，可以同时兼顾转子的过电压保护。
二、UNITROL 5000励磁系统的配置介绍
UNITROL
5000是瑞士ABB公司生产的大型静止励磁装置，在我国得到广泛应用，其装置整体前视图如1－14所示。左起{dy}个柜是励磁调节器柜；第二个柜是灭磁柜兼直流出线柜，包括灭磁开关、灭磁电阻、转子过电压保护装置等；第三至第五个柜是整流柜，包括交流侧过电压保护装置；第六个柜是交流进线柜和起励回路等。
UNITROL
5000励磁系统典型原理图如图1－15所示，主要由励磁变压器（T02）、晶闸管整流装置（EG31至EG34）、双自动电压调节器（A10和A20）、灭磁开关（Q02）、灭磁非线性电阻R02、跨接器（F02、A02）、直流测阻容吸收器（F04、R04、C04）、起励装置（Q03、V03、R03）、分流器R06和必要的监测、保护、报警辅助装置等组成。
在自动电压调节器框图中，由测量板MUB、主控板COB和阳极电源信号接口板PSI1/2、快速IO接口板FIO1/2、LCP就地控制面板、手持编程器SPA、Modbus通讯适配器MBA、CMT调试和维护电脑、ARCnet现场总线等组成。在整流柜原理框图中，主回路由整流柜输入输出隔离开关（可选）、快熔、晶闸管、正负极电流测量传感器组成。脉冲回路由整流器接口板CIN、脉冲驱动板GDI、整流柜显示板CDP组成。风机回路由风机电源开关、风机切换继电器和风机组成。F05、T05、Q05、Z05、G05组成自用电交流输入稳压电源回路，Q80、Q15、G15组成直流输入稳压电源回路，Q90是厂用交流辅助电源开关。UNITROL
5000还可以选配独立的扩展门极控制板（EGC）作为后备通道，也就是一个手动通道。
UNITROL
5000具有强大的串行通信功能。一方面，它可以通过串行通信实现与电站监控系统的接口，支持MODUS和PROFIBUS等协议。另一方面在励磁系统内，控制和状态信号的交换是通过ARCNET现场总线实现连接的，这些连接板有现场总线连接器FBC、开关量输入接口板DII、继电器输出接口板ROI、开关量输入输出接口板DIO、模拟量输入输出接口板AIO、PT100接口板等。
1．自动电压调节装置(AVR)
AVR采用双通道数字式微机励磁调节器，具有稳定发电机电压和合理分配无功以及提高电力系统稳定性的作用。本调节器具有手动和双自动通道，各通道之间相互独立，可随时停用任一通道进行检修。各备用通道可相互跟踪，保证无扰动切换。AVR与监控装置DCS接口实现控制室内对AVR的远方操作。
AVR采用强迫通风，风机故障时能保证AVR正常运行。AVR柜为封闭式，进风口有空气过滤器，柜体的保护接地与工作接地分开，以提高设备的抗干扰能力。
UNITROL 5000励磁装置的主要配置及其功能和技术参数如下：
（1）电压调节、监测和保护功能
a：
发电机电压调节：给定值调整；有功补偿和无功功率补偿；V/Hz限制器；软起励；自动跟踪；PID控制器。
b：监视和保护功能：PT 故障检测；转子温度测量；励磁变压器温度测量；反时限过流保护和瞬时过流保护；失励保护（P/Q
保护）；过激磁保护（V/Hz 继电器）；电子控制板自诊断功能。
c：具有下列晶闸管整流器监视功能：电力电子器件具有带熔断报警接点的熔断器；导通监视；冷却流量及风机监视；整流桥温度监视；整流桥柜门锁闭监视。
（2）交流侧过压保护具有带熔断报警接点的熔断器。
（3）AVR的自动调节模式为PID+PSS，手动调节采用PI方式。
（4）AVR各通道设恒电流调节手动单元，手动跟踪自动，切换无扰动。
（5）AVR两个通道设独立PT接口，每个通道功能齐全，都具有独立工作能力。
（6）AVR可显示和修改参数并可故障自检。
（7）AVR工作逻辑：正常时，双通道自动运行，同时发脉冲；运行通道故障时，故障通道无扰动退出、报警。
（8）AVR主要性能。空载到额定负载调压精度：不大于±0.5%；调差率±10%可调。
（9）调节范围：自动调节范围20%～110%Un；手动调节范围10%Ifo～110%Ifn。
（10）AVR报警信号和显示：AVR1通道故障；AVR2通道故障；过磁通报警；低励限制动作报警；转子反时限限制动作报警；有功/无功限制报警；励磁电流限制报警；定子电流限制/过励限制报警；PT断线报警；强励动作信号；励磁控制回路电源消失信号；自动运行显示；手动运行显示；AVR正常运行显示；PSS投入显示；PSS退出显示。
2．晶闸管整流装置
（1）整流方式为三相全控桥，具有逆变能力。
（2）整流柜数量4～5个，如一个柜故障退出报警，剩下的柜可满足包括1.1倍额定励磁和强励在内的各种运行工况的要求；退出二个柜能保证发电机在额定工况下连续运行。
（3）每个晶闸管元件设快速熔断器保护，可及时切除短路故障电流。
（4）每柜交流侧设尖峰过电压吸收器。
（5）冷却方式采用强迫开启风冷，具有{bfb}容量备用。在风压或风量不足时备用风机能自动投入。提供二路冷却风机电源，二路电源能自动切换。
（6）晶闸管整流装置报警信号：任一个整流柜退出运行报警；晶闸管熔丝熔断报警；散热器或空气过热报警；冷却风扇故障报警；空气流量过低报警。
3．交流侧过压保护装置
置于每个整流桥的交流侧过压保护装置可吸收晶闸管换相过压尖峰。主要由1个三相二极管整流桥及其直流侧连接的电容组成。在出现高频过电压时，电容器呈现出低阻抗特性，起到滤波作用。将一个放电电阻器与电容并联，可以吸收电容器内储存的过压能量。在二极管整流桥的交流侧装有带报警接点的保护熔断器。
4．灭磁与过电压保护装置
灭磁与过电压保护装置主要由直流灭磁开关、跨接器（触发电子板、雪崩转折二极管BOD、两个正反相连接的晶闸管）及相串联的碳化硅非线性电阻组成。其作用是在发电机正常或故障时迅速切除励磁电源并灭磁、抑制正向和反向转子过电压或出现发电机大滑差以及非全相运行时保护转子。
发电机正常停机时，可切断灭磁开关或使晶闸管桥逆变退励磁；当发电机故障时，直接跳开灭磁开关的同时触发跨接器，使发电机磁场回路与整流器断开而与非线性电阻短接成回路。当发电机转子回路中产生正或反向过电压时，跨接器中的雪崩二极管被击穿，相连的晶闸管被触发，立即将灭磁电阻器串联到转子回路中，同时发跳闸令使灭磁开关断开。
5．转子接地保护装置
转子接地保护的目的是监视转子绕组对地的绝缘水平。保护的测量回路采用惠斯顿电桥原理，由两个电容建立测量桥的平衡；一个连接在正极和地之间，另一个连接在负极和地之间。该继电器不仅能检测励磁绕组的绝缘水平，还能检测包括励磁变压器的次级线圈在内的所有主回路设备的绝缘水平。继电器具有两段设置，接地电阻整定值和延时时间分别可调的。接地故障报警具有自保持功能，可以由继电器面板上的按钮复归。继电器还具有在线试验功能。
6．起励回路
该起励回路具有如下功能：起励时，当发电机电压不大于10%，起励装置应保证AVR能可靠投入；当发电机电压上升到规定值时，起励回路自动脱开；设有“起励投入”和“起励故障”远方信号。
一般情况下，UNITROL 5000 可实现残压起励。控制回路能够正常工作所需的整流桥输入电压为
10～20V。如果电压大于或等于该值，首先使用残压起励，连续触发晶闸管整流桥，将电压升至额定值；如果整流桥输入电压小于10～20V，起励回路会自动闭合，为整流桥提供输入电压；当机端电压达到发电机额定电压的10%时（根据软件参数设定），整流桥已能正常工作，起励开关自动退出，软起励过程开始并将发电机电压升到额定值。整个起励过程的控制和监测都是由AVR
软件实现的。
三、EX2100励磁系统的配置简介
EX2100是美国GE公司生产的大型静止励磁装置，在我国火电应用较为广泛。图1－16是EX2100励磁装置典型配置整体图。左起{dy}个柜是励磁控制柜，前面是励磁调节器，后面是灭磁电阻、跨接器和起励回路；第二个柜至第三个柜是整流柜，上面是脉冲控制板，中间是晶闸管组件，下面是输入输出五极隔离开关；第四个柜是励磁控制辅助柜，主要是阳极过电压保护装置和主回路测量保险；第五个柜是直流灭磁开关柜和直流出线母排。
四、THYRIPOL励磁系统的配置简介
THYRIPOL是德国西门子公司生产的大型静止励磁系统，在我国水火电都有应用。图1－17是某大型水电站所采用的西门子THYRIPOL励磁装置整体前视。左起{dy}个柜是励磁调节器柜；第二个柜是励磁控制辅助柜，包括电源变压器、接触器和继电器等；第三至第七个柜是整流柜；第八至第九柜是直流灭磁开关柜，包括起励回路；第十个柜灭磁电阻柜（后面），前面是交流辅助灭磁开关和制动输出开关；第十一个柜是电气制动整流柜。
该THYRIPOL励磁系统图如图1－18所示。这里最显著的特点是采用交直流双灭磁开关，交流侧采用SIEMENSI 3AH3
078-8真空开关，直流侧采用LENOIR 2CEX98 5500
4.2灭磁开关。正常停机后只跳交流灭磁开关，事故停机先跳直流灭磁开关，紧接着跳交流灭磁开关。
第三节 发电机励磁系统检修的主要标准和规范
1．引用的主要标准和规范
（1） GB/T 7409.3-2007 同步电机励磁系统，大、中型同步电机励磁系统技术要求；
（2） DL/T 583-2006
大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件；
（3） DL/T 650—1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件；
（4） DL/T 489-2006
大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程；
（5） DL/T 1013-2006
大中型水轮发电机微机励磁调节器试验与调整导则；
2．主要参考资料
（1） 许其品等.三峡右岸励磁系统培训教材.南京南瑞集团电气控制公司.2006年.
（2） 陈小明.三峡励磁软件及调试学习手册.三峡水力发电厂.2005年.
（3） 陈小明.励磁维护检修与试验.中国励磁专业网{dy}届学术研讨会论文集.2007年.
（4） 马铁军. Q5S-0/U241-S6000型静态励磁调节器检修规程.内蒙古国华准格尔发电有限责任公司.2007年.
(5) 张照林、曾涛等.励磁系统检修作业指导书.葛洲坝水力发电厂.2007年.
