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1、雙繞組電抗分流式勵磁裝置的工作原理2009-03-31 20:05:44|分類：默認分類|字號 訂閱雙繞組電抗分流式勵磁裝置的工作原理及其有關(guān)問題的處理（一）河海大學黃寶南編者按 在我國眾多小型水電站中，單機容量 250千瓦及以下的水輪發(fā)電 機，廣泛采用雙繞組電抗分流式自勵恒壓裝置。它的結(jié)構(gòu)簡單，運行方便，維護 工作量小。但目前發(fā)現(xiàn)采用此裝置的小型水輪發(fā)電機組在并網(wǎng)運行時發(fā)生了一些 困難.本文就此從該裝置的基本工作原理、 勵磁性能、發(fā)電機空載并列時的穩(wěn)定 問題、無功調(diào)節(jié)等方百進行了較詳盡的論述，希望對廣大讀者有所幫助。、基本工作原理雙繞組電抗分流式自勵恒壓勵鹼裝置的主要組成部分有：定子附加勵

2、磁繞組.它與發(fā)電機主繞組一起嵌放在發(fā)電機定子鐵芯槽中，在相位上它比發(fā)電機定子主繞組滯后一個角度 B。圖1所示的電氣原理接線圖中，D1D6為發(fā)電 機定子主繞組，did6為發(fā)電機附加勵磁繞組。這就是雙繞組勵磁裝置名稱的 由來；分流電抗器，即圖中的 W1和W2繞組，每個繞組都有幾個中間抽頭， 以供使用中改變抽頭調(diào)整勵磁之用；三相橋式全波整流電路和阻容過電壓保護 回路.在發(fā)電機勵磁繞組兩端并聯(lián)接入磁場變阻器（R2和R3），用來在運行中 分流一部分勵磁電流，來調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓（當發(fā)電機孤立運行時），或調(diào)節(jié) 發(fā)電機的無功負荷（當發(fā)電機并網(wǎng)并列運行時）.由于磁場變阻器不是象其他發(fā) 電機那樣串聯(lián)在勵磁機勵磁

3、繞組中，因此調(diào)節(jié)范圍有限，其調(diào)個范圍約在10%左右。水輪發(fā)電機組在啟動過程中，依靠發(fā)電機轉(zhuǎn)于繞組中的剩磁，在附加勵磁繞 組中感應產(chǎn)生一定大小的三相交流電勢，經(jīng)二極管三相全波橋式整流器整流輸出 直流電壓，加在發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組FLQ上，轉(zhuǎn)子勵磁繞組流有直流勵磁電流， 轉(zhuǎn)子磁場逐漸增強，發(fā)電機定于電壓逐步升高，在較短的時間內(nèi)發(fā)電機定子端電 壓可升至空載額定電壓。這就是發(fā)電機靠剩磁自勵建立電壓的過程。J| 竺他亠57OABCd5-dffi 1雙統(tǒng)組電抗分流式自勵恒壓勵磁裝置原理給線圖發(fā)電機定子主繞組和附加勵磁繞組通過三相分流電抗器連接起來，在發(fā) 電機帶負荷運行時，發(fā)電機的負荷電流將有一部分通過分流電

4、抗器的 W2繞組輸 入二極管三相全波橋式整流器，經(jīng)過整流后輸入發(fā)電機的勵磁繞組，供給發(fā)電機勵磁.這就是說，發(fā)電機在帶負荷運行時，其勵磁電流是由兩部分組成的，一是 發(fā)電機的附加勵磁繞組供給的勵磁電流 Ilu即電壓分量；另一部分是由發(fā)電機定 子、負荷電流If的一部分lie,供給的，即復勵分量.因此，總的勵孩電流lie。（lie為發(fā)電機勵磁電流的等效交流側(cè)電流）為：人“+九（1 ）雙繞組電抗分流式自勵恒壓勵磁裝置的等值電路如圖2所示隨著發(fā)電機負荷的增加，或負荷功率因數(shù)的下降，復勵電流lli;會相應的增加，則總的勵磁電流lieo也將增加，以彌補發(fā)電機因負荷電流的增加或負 荷功率因數(shù)的下降而引起的發(fā)電機

5、電樞反應加強而導致的發(fā)電機端電壓的下降， 使得發(fā)電機的端電壓基本保持不變，它具有相位復式勵磁的作用，這就是自勵恒壓這一名稱的來源。這里其所以要通過帶有氣隙的電抗器將，復勵電流lli與附加勵磁繞組產(chǎn)生的勵磁電流llu迭加供給勵磁電流的原因有兩個：一是在分接頭固定的情況下， 帶有可調(diào)氣隙的電抗器鐵芯不飽和， 繞在電抗器鐵芯上的兩個繞組 w1和W2的 阻抗（這里主要表現(xiàn)為電抗值x1和x2）為線性。因而，在同一負荷情況下，通 過改變電抗器氣隙的大小，可以改變等值電抗 x1或x2的大小，也就改變了分 流到勵磁繞組中的復勵電流lli;的大小，從而達到調(diào)節(jié)勵磁電流的目的。電抗器 氣隙在出廠時已經(jīng)調(diào)好，一般不

6、需調(diào)整.在現(xiàn)場，如果發(fā)電機的空載電壓高于額 定電壓或系統(tǒng)電壓時，可將電抗器的氣隙調(diào)小，這相當于增大線圈 W1或W2的 等值電抗x1或x2的值；反之，如發(fā)電機的空載電壓低于額定值或電網(wǎng)電壓時， 可將電抗器的氣隙調(diào)大，這相當于減小線圈 W1或W2的等值電抗x1或x2的 值。這種在空載情況下調(diào)電抗器間隙其實質(zhì)是改變勵磁回路交流部分的回路阻 抗，使得在一定的附加勵磁繞組感應電勢下整流橋的輸出直流電壓泄足空載勵磁 電壓的要求；在帶負載的情況下，調(diào)電抗器氣隙除有上述作用外，還同時調(diào)節(jié)了 分流到勵磁整流器中去的負荷電流lli ;的大小。圖2雙繞組電抗分流式自勵恒壓勵磁裝置等值電路 （圖中表示圈頭部）XI、

7、X2分流電抗器兩部分的電抗；xm 電抗器兩部分的互感電抗；RLC 折算到 交流側(cè)的勵磁繞組回路等值電阻；UL 附加勵磁繞組的電壓；If發(fā)電機負荷電 流；ILe勵磁電流的等效交流值；1x2 流過x1的電流；ILu 由附加勵磁繞組 供給的勵磁電流，也即勵磁電流的空載分量；ILi 勵磁電流的復勵分量；Ixix2 中的分流電流。其第二個原因是，電抗器線圈W1和W2分別帶有幾個中間抽頭，改變這些 中間抽頭的位置，可以改變發(fā)電機在額定負載時的電壓。這些中間抽頭的位置一 般在電抗器出廠時也已經(jīng)選擇接好， 不必調(diào)整。如果發(fā)電機在額定負載時，其電 壓顯著低于額定值，可以增加 W1或減小W2的匝數(shù)，這相當于增加x

8、1或減小 x2的等值電抗值，以增大復勵電流Ili的值，提高發(fā)電機端電壓至額定值；反之， 如果發(fā)電機電壓顯著高山于額定值，可減小W1或增大W2的以減小復勵電流Ili 的值，降低發(fā)電機的端電壓至額定值。（待續(xù)）雙繞組電抗分流發(fā)電機運行經(jīng)驗幾則河南省浙川縣水利水保局楊吉坤雙繞組電抗分流自勵恒壓發(fā)電機（圖一），以它簡單的勵磁結(jié)構(gòu)，良好的恒 壓性能，贏得了在小水電中的重要地位.這種機型在單機運行時性能非常優(yōu)越， 但在幾臺機并列運行或與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行時，就暴露出了它由于本身特性所引起 的不容忽視的缺點，如無功負載不能合理分配，運行不穩(wěn)定易發(fā)生振蕩，有的機 組甚至不能運行。究其原因，一是發(fā)電機的外特性不適于

9、并網(wǎng)， 二是各發(fā)電機的 外特性不盡相同。叫1ra 2我們知道，單獨運行的發(fā)電機帶負載時，要求發(fā)電機的端電壓不隨負載的 大小和性質(zhì)而變化，需要平坦的外特性（圖二）。而雙繞組電抗分流發(fā)電機帶負 載時，勵磁電流隨負載變化的能力很強， 其本身是一個正反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 具 有無差調(diào)節(jié)特性。這種機組并入電網(wǎng)時，往往搶帶無功，使并列合閘的瞬間，勵 磁電流及定子電流都達到或超過額定值， 空氣開先跳閘，不能并列。如果是幾臺 同容量的機組并列運行，也往往是有的機組帶無功多，有的機組帶無功少，且極 易擾動，不能穩(wěn)定運行。從圖二可以看出，當機組具有無差調(diào)節(jié)特性時，在端電 壓為同一電壓的情況下，定于電流可以適應于無限

10、多個值。即使具有下降的外特 性，也會因為特性不完全一致而導致各機組所帶的無功負載有很大的差異。還有一種情況是單機運行時正常，而并網(wǎng)運行時則勵磁電流上不去，帶不上無功負載。 因電站的出口電能計量裝置一般是裝在變壓器高壓倒， 發(fā)電機不但要向電網(wǎng)輸送 無功，還要承擔升壓變壓器的無功損耗， 勵磁電流的減小，有時還會使機組吸收 系統(tǒng)無功.這種現(xiàn)象的原因是勵磁部分接線有錯誤或復勵強度太低， 同樣不適于 并網(wǎng)運行。為使這類機組能適應各種運行情況，人們想出了各種辦法來克服上述缺點。單獨供電的電站幾臺同容量機組并列運行時， 行之有效的方法是在各機組勵磁直 流電源兩端加均衡線，以抑制由于各機組外特性不同而引起的推

11、拉無功的現(xiàn) 象.由于各機組的勵磁電流相互補償， 外特性斜率小的機組勵磁電壓升高時， 要 被勵磁電壓較低的機組分流一部分，使得勵磁電壓較低的機組勵磁電流被動地增 加，相互補償?shù)慕Y(jié)果，使外特性斜率小的機組斜率變大， 而外特性斜率大的機組 斜率變小（圖三），最后穩(wěn)定在相同的外特性下運行。陽3均衡線的接法不同，所起的效果也不一樣，通過實踐我們認為：均衡線 的投入必須與發(fā)電機主開關(guān)同步，才能使機組順利并列。如果用閘刀投切均衡線， 一是不能很好地同步，二是若一臺機停機時忘了拉閘，則這臺機的轉(zhuǎn)于繞組一直 在起分流作用，影響其他機組正常運行。我們采用的方法是：兩臺以上同容量機 組并列時，加一條均衡母線，用均衡

12、線接觸器 JC投入（圖四），均衡線接觸器 則與發(fā)電機主開關(guān)聯(lián)鎖動作。因發(fā)電機出口有的只裝空氣開關(guān)ZK，有的還裝有刀開關(guān)DK這兩種開關(guān)都要與均衡線聯(lián)鎖才能使之同步。這樣，任意一個開關(guān)不 合均衡線就不會投入，用任意一個開關(guān)并列都會使均衡線投入， 在事故情況下及 機組手動解列時，無論斷開哪個開關(guān)均衡線都會退出，從而保證了均衡線與主開 關(guān)同步。由于市售的刀開關(guān)均無輔助接點。采用這種方法時，需加裝一個與主開 關(guān)同步的輔助開關(guān)，這個輔助開關(guān)用行程開關(guān)或按鈕都可以，且只用一對常開觸 點。加裝的方法是：先把輔助開關(guān)固定在刀開關(guān)旁的支架上， 然后在刀開關(guān)拉桿 的調(diào)節(jié)螺桿上加裝一個接觸桿（圖五），調(diào)節(jié)接觸桿的位置

13、，使刀開關(guān)觸頭剛閉 合時，輔助開關(guān)的常開觸頭也閉合，刀開關(guān)斷開時輔助開關(guān)也應可靠斷開.此外, 接觸桿還要有一定的彈性，防止刀開關(guān)合到位時頂壞輔助開關(guān)。如果機組是與大電網(wǎng)并列運行，這要先看機組是否有過勵磁的能力并 網(wǎng)合閘的瞬間，加定于電流及勵磁電流都達到或者超過額定值，說明機組的復勵 能力強，這種機組可采用可控硅分流的辦法來解決（圖六），其調(diào)節(jié)部分用手動 也可，自動也可。若用自動則必須按正調(diào)差方式，以便使機組有下降的外特性.或 采用按恒功率因數(shù)的方式調(diào)節(jié)。這種方案適應于任意容量的低壓機組.若機組復 勵強度不夠，可用改變副繞組首端相序的方法來確定原來的接線是否最合理，特別是經(jīng)過拆修且出線標志不清的

14、機組，這種方法尤為見效。改變的方法依次為：1 . abc;2. acb;3. cab;4. cba; 5. bca; 6. bac.這六種接法中，其中一種的復勵強度最強，其現(xiàn)象是合上闡后，勵磁電流和三相定于電流 都很大.若找不出一種復磁強度比較大的接法，可能是電抗器的匝數(shù)比配合不當， 可適當增加X1的匝數(shù)來增加復勵強度。有的機組電抗器線圈間的間隙太小，無 法增加匝數(shù)，就只有另加一勵磁能源來進行補償。圖七團7a是用自耦變壓器調(diào)節(jié)，發(fā)電機相電壓經(jīng) B1調(diào)節(jié)，B2降壓并隔離，D1至 D4整流后加在勵磁繞組L1、L2兩端，輸出電流的大小由B1進行手動控制。圖 七b的方案是利用可控硅調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的方法可用

15、手動或自動。圖中的ZK及SJC 分別是自動空氣開關(guān)及防止飛車用水電阻接觸器的輔助接點， 正常運行時兩接點 都接通，機端電壓經(jīng)B降壓，D1、D2、KG1、KG2可控整流后，加在Ll、L2 兩端輸出電流的大小靠改變 KG1、KG2的導通角來實現(xiàn)。若ZK跳閘或水電 阻投入，這部分勵磁能源即被切斷，防止發(fā)電機電壓升得太高.這種方案適應于 200kw以下機組，機組容量過大，所需補償?shù)念櫞殴β室泊?，最好采用三相?另一種方案是徹底甩掉副繞組、電抗器和六只二極管，只用發(fā)電機主繞組。 勵磁電源由發(fā)電機端電壓經(jīng) KG1半波可控整流后取得（圖八）調(diào)節(jié)方式可用 恒壓及恒功率因數(shù)結(jié)合的方式.空載及單機運行時由恒壓環(huán)節(jié)

16、來維持發(fā)電機端電 壓為一定值，并網(wǎng)時輸出勵磁電流的大小由恒功率因數(shù)環(huán)節(jié)根據(jù)所整定的功率因 數(shù)值自動調(diào)節(jié).為防止勵磁電流超調(diào)引起定于過電流， 同時設置了限流環(huán)節(jié)。這 種調(diào)節(jié)方式不受電網(wǎng)電壓的限制，無功動車嚴格地按照與有功功率的比值進行自 動調(diào)節(jié)，在電機事故跳閘時，電流消失，恒功率因數(shù)環(huán)節(jié)失去作用，只有空載勵 磁電壓.這種方式適用于75kw以下機組.小型機組的過電壓保護也是不可忽視的，有的電站運行時，經(jīng)常發(fā)生整 流二極管損壞的情況，通常誤認為是電流大燒壞的.其實，大多數(shù)損壞的原因是 過電壓保護不完善而使硅元件過電壓引起的硅整流元件承受過電壓的能力很 弱，大氣過電壓，操作過電壓，硅元件的換相都會產(chǎn)生

17、過電壓。一般發(fā)電機只在 直流側(cè)裝阻容吸收裝置，而交流倒無任何保護，如果在發(fā)電機電壓母線上裝設一 組氧化鋅低壓避雷器，三相整流橋的輸入端裝一組阻容保護元件或壓敏電阻 （圖 九），二極管損壞的機率就會大大減小，有類似情況的電站不妨一試。C R lTyM電抗分流式發(fā)電機勵磁系統(tǒng)改造1前言雙繞組電抗分流式發(fā)電機組曾在小型水力發(fā)電站應用較多，由于其勵磁系統(tǒng)簡單，單機運行時能適應農(nóng)村 負荷的變化，維護也比較方便，許多發(fā)電機運行了十幾年，還維持原運行方式聯(lián)入網(wǎng)上或多機組并列運行。 根據(jù)我縣多臺電抗分流式發(fā)電機運行情況，當空載調(diào)整好其電抗線圈匝數(shù)后，在負荷變化時外特性較差， 不能保證電壓穩(wěn)定。目前，因電網(wǎng)覆蓋

18、面廣，農(nóng)村小型水電站已進入了并網(wǎng)運行。在并網(wǎng)運行中，穩(wěn)定性也較差，容易產(chǎn)生振蕩，過勵或欠勵，甚至失磁等現(xiàn)象，難以調(diào)整無功功率來適應無功負荷需要。為了解 決這一發(fā)電機勵磁系型式，我們配合有關(guān)廠家對勵磁系統(tǒng)進行過多方面的改造和研究。如改變副繞組和主 繞組的相位關(guān)系，改變電抗器的匝數(shù)比；在交流側(cè)加裝晶閘管分流的勵磁調(diào)節(jié)器；在并列的多臺發(fā)電機轉(zhuǎn) 子繞組之間加裝均壓線等，效果都不理想，滿足不了發(fā)電機多機并列或并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和無功調(diào)節(jié)的要 求。因此，針對這一現(xiàn)狀，結(jié)合小型水電站的技術(shù)能力，設計了一套簡單實用的可控硅勵磁系統(tǒng)。甩掉了 原勵磁系統(tǒng)中的電抗器，將發(fā)電機的主繞組和副繞組的尾端分別短接，同時改三相

19、橋式不可控整流電路為 三相橋式半控整流電路（見圖1、圖2），其主要特點是技術(shù)和結(jié)構(gòu)簡單，僅對其接線端進行接線處理，不占 用主繞組的容量，運行穩(wěn)定可靠，改造費用低。1988年在改造縣水電公司沙港電站 3臺320kw雙繞組電抗分流式發(fā)電機時，就配置了該套勵磁裝置。通過幾年的運行，實踐證明，其使用維護方便，運行穩(wěn)定可靠， 特別是聯(lián)網(wǎng)運行中，穩(wěn)定性更佳，無功功率能根據(jù)網(wǎng)上要求任意調(diào)節(jié)，解決了過勵或欠勵現(xiàn)象；同時，又 能保證單機獨立運行或多機并列運行的電壓穩(wěn)定。我們認為該可控硅勵磁裝置結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，適合 小型水電站雙繞組電抗分流式發(fā)電機的勵磁改造，有推廣使用的價值。2工作原理該勵磁裝置由三相橋式半

20、控整流電路、自動勵磁調(diào)節(jié)器以及殘壓起動電路組成。運行時，發(fā)電機副繞組產(chǎn)生的三相交流電通過由可控硅（1 3）SCR和整流二極管（1 3）Z組成的三相橋式半控整流電路整流后， 供給勵磁繞組L1;勵磁電流的大小，決定于可控硅的導通角 B,而可控硅的導通角 B由自動勵磁調(diào)節(jié)器 ZLT 自動控制。當發(fā)電機的端電壓高于整定值時，自動勵磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號推遲，使可控硅的導通 角B減小，勵磁電流減小，發(fā)電機端電壓降低；當發(fā)電機的端電壓低于整定值時，自動勵磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的 觸發(fā)脈沖信號提前，使可控硅的導通角增大，從而導致勵磁電流增大，發(fā)電機端電壓升高。通過運行實測， 靜態(tài)調(diào)壓范圍+ 10%+ 15%，運行

21、電壓穩(wěn)定值為2%,瞬時最大電壓降小于10%，電壓恢復時間小于 0.2s。 由于機組起動時，主副繞組中產(chǎn)生的剩磁電壓比較低（約為額定值的2%3%），這時，勵磁調(diào)節(jié)器還不能正常工作，可控硅不導通，只有利用由按鈕QA、熔斷器RD、電壓繼電器CJ、整流二極管5Z等組成的殘壓起勵電路進行起勵操作（按住按鈕QA ）；當發(fā)電機端相電壓上升到 100V左右，電壓繼電器 CJ啟動，其常閉接點斷開起勵回路，自動進入自動勵磁調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)，避免了可能產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象，把機組穩(wěn)定 在正常情況下。3安裝按照圖2提供的勵磁系統(tǒng)接線，要改變原勵磁系統(tǒng)接線的部位，主要有3處：一是拆除電抗器，將發(fā)電機的主繞組和副繞組尾端分別短

22、接；二是原三相橋式整流電路中的3只共陰極整流二極管換為 3只可控硅；三是在三相橋式整流電路輸岀端并接一只正向壓降低的硅整流二極管，起續(xù)流二極管的作用。自動勵磁調(diào)節(jié)器和三相橋式半控整流電路改接完成后，可接入發(fā)電機的勵磁回路中，開機前將調(diào)壓電位器 旋到空載位置，特發(fā)電機各項空載指標達到要求，則可進行負荷調(diào)試。4結(jié)論本勵磁裝置，在小型水力發(fā)電機勵磁系統(tǒng)改造中效果十分明顯，具有很好的推廣價值。從已改造的320kw以下機組運行實踐表明，電壓調(diào)整范圍、調(diào)壓精度、調(diào)差率非常滿意，并列運行穩(wěn)定，而且容易維護。根 據(jù)已改造發(fā)電機的類型，該勵磁裝置，不僅用于雙繞組電抗分流式發(fā)電機中，同樣可用于其它多種類型發(fā) 電機的勵磁改造。（注：聯(lián)系人：李明才地址：靖安縣水務局電話：0795-4668070）