浅析同步发电机的励磁系统

刘元斌 李辉

摘要：国民经济的迅猛发展使得当前人们对电力系统运行状态的关注度较高，需要功能完善的同步发电机励磁系统为电力系统运行进行控制与保护。本文基于兰州石化励磁系统，对同步发电机的励磁系统所发挥的作用进行概述，并提出了关于励磁系统非正常运行时的调节方法，希望为相关企业的系统运维提供借鉴。

关键词：同步发电机;励磁系统;励磁调节

引言：随着社会生产与生活对电能需求量的增大，我国的发电行业正积极进行发电系统的优化与改造，数据表示，2019年我国社会用电总量为72255亿千瓦时，发电总量为7503.4TWh，其中同步发电机的励磁系统在发电过程中的控制作用不容小觑，随着发电量的不断增大，需要系统平稳运行才能更好的发挥其作用。

1设备概况

励磁系统指的是同步发电机励磁电流所控制、保护的电源和其他相关设备的总和，对安全生产与经济效益的提升都至关重要，中国石油兰州石化炼油厂300万吨/年重油催化装置（以下称300万重催）1#发电机的励磁系统，即在国家发展新常态背景下进行了全面的升级与改造。

其原有励磁系统是从2003年开始投用的上海发电设备成套设计研究院（以下简称上海成套院）所生产的DERS-4B型号国产励磁系统，随着生产压力的逐渐加大，该励磁系统内部电子元器件老化严重运行状态不稳定，保护装置性能失灵，给企业生产带来了极大的负面影响。当前兰州石化采用的是ABB上海发电机成套设计院所研发的励磁系统（主电路图如下所示），其励磁调节装置具有高质量、高可靠性、调试时间短、维护时间短的应用优势，适用于国内300MW及以下等级机组的三机励磁方式。

2同步发电机的励磁系统的作用

2.1控制机端电压分配无功功率

当生产作业中的发电机系统正常运行时，励磁系统应对机端电压进行给定水平的维持，如果系统发生运行不稳定的现象，此时励磁系统能够利用励磁电流的调节作用促使机端电压始终保持在额定值，避免机端电压超过负荷，给发电机造成不良影响。发电机运行过程中会形成有功功率与无功功率，当其正常运行时其有功功率会由原动机所决定和分配，而无功功率此时会被励磁电流所影响，对并联运行过程的发电机组无功功率进行合理的分配，避免机端电压受到影响。

2.2确保发电机运行稳定

一般发电机组都会采用并联运行的方式进行工作，此种方式下机组的正常有序运行会受到多重因素的影响，从而降低发电的稳定性，给企业用电带来负面影响。静态稳定法主要指的是当电力系统运行状况受到影响时，发电机机组不会因失稳现象而产生非周期失步的情况，同时能够逐渐自动恢复到稳定运行的状态，在励磁系统的调解下，这种静态稳定的能力将被大幅提升，必要时还能够通过提高强励倍数而改善系统的暂态稳定性能，从而为发电机运行稳定提供保障。

2.3增强继电保护性能

励磁系统能够有效增强发电机系统的继电保护性能，当电力系统处于低负荷运行状态时，发电机自身的励磁电流相对较小，一旦发生短路现象，将导致继电保护装置无法接收到故障信息，不能对系统进行安全保护。在励磁调控系统的支撑下，能够对发电机进行强励的调节，以此来推动电力系统正常稳定运行，促使短路电流有效增强，从而提高继电保护装置所发挥的作用。

2.4优化电力系统运行条件

由于发电机的运行环境相对比较恶劣，在一定情况下会影响电力系统的运行条件，使其无法实现标准化的运行状态。通过发电机励磁系统的调节，能够有效改善电力系统的运行状态，一般可通过增加励磁强行励磁以及强行减磁的方式为其正常运行创造条件，以此实现发电机的失磁异步运行、电机自启动并避免过电压情况的产生，从而达到改善电力系统运行状态的目的[1]。

3 300万重催1#机非正常运行方式下的励磁调节

3.1发电机进相运行时的励磁调节

发电机进相运行时，其电流I超前于端电压U，有功功率P﹥0，而无功功率Q﹤0（即从向系统提供无功功率变为了吸收系统的无功功率）。进相运行将导致：①发电机失稳运行甚至系统震荡事故;②发电机端部漏磁通的发热;③发电机出口电压降低，甚至导致炼油厂区中1变电站系统电压的降低。可见，控制发电机的进相运行，不仅对300万催化装置，对整个炼油厂区都尤为重要。当300万1#机发生进相运行时，可按下列顺序处理：①通过1#主机室的励磁控制柜对励磁系统进行增励操作，将发电机调整至迟相运行;②检查有功、无功的变化情况，判断是否是向系统提供无功而非向系统吸收无功;③如在自行运行方式下，将发电机不能调整至迟相运行，应转为手动运行方式下进行上述调整。

3.2发电机过负荷运行时的励磁调节

发电机的过负荷运行是指发电机的定子电流和转子电流超过了额定值的运行。可能引起短时过负荷的原因是系统发生短路故障、发电机失磁运行、强行励磁装置动作以及成群电机启动等。过负荷运行的危害是，发电机绕组的温度会超过允许值，若过负荷数值较大，时间也较长的话，将引起发电机绕组绝缘加速老化，甚至因温度过高而造成发电机机械损坏;300万重催1#机如果损坏，造成机经济损失将是巨大的。1#机过负荷运行时，可将励磁系统进行如下调节：通过1#主机室的励磁控制柜减少励磁，降低无功负荷，从而减少定子电流，在此过程中要注意发电机电压不能低于规定值。

3.3发电机失磁时的励磁调节

发电机如果发生失磁，以我厂300万重催1#主机室为例，现场的表计将可能发生的现象有：①转子电流表的示值降为零或降到接近于零;②定子电流表指针摆动并且指示增大;③有功功率表指示较小且指针摆动;④无功功率表指示负值，功率因数表指示进相，发电机母线电压表示值下降并摆动;⑤发电机转子各部分溫度升高。300万重催1#机若发生上述现象时，应尽快增加励磁，若经过多次增加励磁后，发电机转子励磁仍然不能恢复，运行人员应立即手动将机组解列，避免引起整个厂区电网电压的崩溃。

3.4发电机失步时的励磁调节

发电机发生震荡或失步时，其电磁功率减小，在转子上出现转矩不平衡，过剩的机械转矩驱使发电机加速，转子超出同步转速运行，即出现了失步，最终导致异步运行。300万重催1#主机发生失步时，定子电流指示超出正常值，且往复剧烈摆动;定子电压表低于正常值，且往复摆动;有功负荷及无功负荷大幅度剧烈摆动;转子电压和电流表指针在正常值附近摆动。运行人员应立即增加发电机励磁电流，提高发电机电势，以增加发电机的稳定性。如果是由于发电机功率因数过高引起，则应降低有功功率，同时增加励磁电流。

结论：综上所述，同步发电机励磁系统对电力系统运行稳定安全有着积极的推动作用，随着国家对供电方面重视程度的提高，当前电力系统正逐渐升级，对励磁系统进行升级与改造是企业改善电力系统运行环境的重要方法，并需要企业切实按照相关运行规范严格进行励磁操作，以此来为电力系统正常运行提供保障。

参考文献：

[1]王道云. 同步发电机励磁控制系统智能优化研究[D].山东大学，2019.

[2]范晓明.同步发电机励磁控制系统的应用研究[J].电工技术，2018（20）：70-71.