相复励励磁系统功率源断线故障现象及原因分析

巩 洁，魏雨谷

相复励励磁系统功率源断线故障现象及原因分析

巩 洁，魏雨谷

（中船重工电机科技股份有限公司，太原 030027）

励磁电流的输出是通过主机、励磁机、励磁器件和自动电压调节器AVR共同作用来提供，AVR功率源的稳定对整个系统稳定性的至关重要。本文结合相复励励磁系统功率源断线后引发的一系列故障现象，分析了各个故障现象产生的原因，并实现了故障复现。

发电机 相复励励磁系统 自动电压调节器

1 故障现象概述

由我公司承制的某型相复励励磁系统发电机在联调试验中，带100%负载运行时突然发生电压下跌导致主开关跳闸，重新起机后空载电压由原先的396 V升高至405 V，通过外附电位器调节电压不起作用。通过故障发生的电压波形可以看出，发电机电压由385 V下跌到200 V左右（且是个瞬间过程），约3 s后电压升高至405V。主开关异常跳闸后，我们现场检查了发电机内部可视部分及各器件接线情况，均无异常；更换自动电压调节器（以下简称AVR）、电抗器、整流变压器等器件，故障现象仍存在。最后检查发电机主汇流排处的线路时，发现V相汇流排电源信号线端子断开（见图1中圈I处），重新接好V相引线后，发电机空载电压恢复正常且可调节，带载运行也一切正常，上述问题得到解决。此次故障原因为发电机V相汇流排电源信号线端子断开所致。

2 故障现象原因分析及试验模拟

2.1 相复励系统及AVR工作原理

该发电机采用相复励励磁系统（见图1），该系统从发电机输出端获取一定的功率，同时取三相电压和电流信号以及它们之间的相位信号，按一定的方式耦合经整流及调控后为励磁机提供一合适的励磁电流，从而实现发电机的恒压输出，主要包括相复励装置和AVR两部分。相复励装置从发电机输出端取三相电压经电抗器L1移相产生励磁电流的空载分量（I），并将该电流分量送入整流变压器T6的原边；从发电机输出端通过电流互感器T1、T2、T3取发电机电流信号，该电流即为励磁电流的负载分量（I），将其输入T6副边的线圈中，T6将空载分量和负载分量电磁耦合后经带功率组件的AVR整流后即为发电机所需的励磁电流。同时，AVR从发电机出线端V、W相取电压信号经变压器降压后与电位器上电压矢量迭加输入整流桥交流侧进行整流，整流后的电压一方面作为AVR的取样信号，另一方面为整个线路板提供工作电源和基准电压信号。

理论上只要励磁装置各器件参数设计合理即可实现发电机的恒压输出，但实际上励磁装置只是提供一个适当的励磁电流，更精确的调整需要靠带功率组件的AVR来实现。AVR的调整是通过一个分流回路将励磁装置产生的励磁电流来分掉一小部分，而分掉这部分电流的大小取决于发电机输出电压的高低。若输出电压高于整定值，则AVR分流就增大，使发电机端电压下降；反之则分流减小使端电压升高。为保证AVR能够起到分流控制作用，就需要在AVR不起作用时，在整个负载范围内励磁装置提供的励磁电流必须大于发电机所需的励磁电流，也就是在AVR不起作用时，整个负载范围内发电机的端电压必须高于其整定值，这样才能有一小部分励磁电流供AVR来分掉。

图1 相复励励磁系统原理图

2.2 电压突然下跌原因分析

根据“2.1相复励系统及AVR工作原理”可知，当AVR功率电源断开后，AVR不能分流，发电机工作所需的励磁电流由励磁装置提供，而励磁装置在AVR不起作用时提供的励磁电流大于发电机所需的励磁电流，所以发电机电压应该升高。而此次故障现象却是发电机电压短暂下跌后再升高，要分析清楚这一短暂过程整套励磁系统的工作状态，首先需了解相复励励磁装置的自励过程（不带AVR）。

2.2.1相复励励磁装置自励过程

根据《电机学》及相关励磁系统文献可知，自励恒压同步发电机的自励过程是一种瞬态相应过程，自励系统是一种直接反馈系统，对同步发电机来说，即其输出信号由输出端经整流装置后，返回到输入端的一种系统；就性质而言，自励也是一种正反馈作用，其输出量返回到输入端会加强系统的输入量，所以同步发电机的自励都是依靠正反馈作用激发自励，建立电压的过程，在某些电磁量之间，必须满足物理上的约束和具有一定的数学关系。

2.2.2自励系统的简易数学模型

根据电机磁路特性，发电机空载特性曲线可表示为：

若忽略励磁装置的压降，空载电压按正弦规律变化，则自励过程的方程式为：

显然式（2）所表达的自励过程的非线性的，难以求解，作一些假定，可近似的求解为：

式（3）中的0与i又满足式（1）所表示的空载特性，因此自励过程的运动方程式可近似表示为：

从式（4）可以看出，发电机的自励过程是一个由多种元素构成的复杂方程式，发电机在正常运行时，任一变量的变化都会使整个励磁系统不稳定，轻者电压下跌、不稳定；重者发电机自励不正常，不能建立起空载电压。而此次功率源断线后表面是AVR失去功率源不能正常工作，但瞬间断线过程产生的电磁反映也使发电机的励磁装置工作稳定性被打破，所以出现了电压瞬间跌落的故障现象。

2.3 断线稳定后电压不可调及上升原因分析

根据“2.1相复励系统及AVR工作原理”可知，当V相断开后，AVR失去功率电源不能工作，重新起机后再通过外附电位器调节电压时，出现了电压不可调故障；而此时发电机的励磁电流由励磁装置提供，而励磁装置提供的励磁电流大于发电机所需的励磁电流，所以发电机电压会升高。

2.4 电压突然下跌原因试验模拟

在与故障现象同型号的相复励系统发电机V相汇流排电源信号线间接入开关，进行带100%负载试验。在试验过程中突然断开开关，用示波器对电压波形进行记录，通过图2可以看出，在开关断开瞬间，发电机电压突然下跌，由396.5 V跌至350.7V，与联调现场故障现象基本一致（电压下跌值的大小与具体发电机的特性有关）。

同时，在不同负载下，对V相断线前后的励磁电流进行了测量，具体数值见表1。

图2 试验模拟故障波形

表1

状态电压(V)电流(A)励磁电流(A) 空载正常接线390.501.13 断开V相397.501.29 330 kW正常接线390.1578.22.45 断开V相408.2583.62.92 625 kW正常接线390.21157.24.04 断开V相408.81163.54.50 937 kW正常接线389.81735.25.60 断开V相403.51736.45.88 1250 kW正常接线389.72313.57.28 断开V相408.82314.37.76

从表1可以看出，在同样的负载工况下， V相断线后，发电机电压和励磁电流均大于正常接线的电压和电流值，和故障产品的现象一致。

3 结论

相复励励磁系统励磁装置多、AVR控制回路复杂，任一器件的故障都会造成发电机不能正常工作，只有充分掌握相复励励磁系统工作原理，才能在处理具体的故障现象准确定位，避免问题的进一步扩大。

[1] 许实章. 电机学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1985.

[2] 陈世坤. 电机设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1982.

[3] 姚守猷, 张世栋. 自励恒压同步发电机的励磁系统[M]. 北京: 机械工业出版社,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

巩洁（1986-），女，工程师，从事电机设计及试验。E-mail：420261983@qq.com