相復勵勵磁系統(tǒng)功率源斷線故障現(xiàn)象及原因分析

鞏 潔，魏雨谷

相復勵勵磁系統(tǒng)功率源斷線故障現(xiàn)象及原因分析

鞏 潔，魏雨谷

（中船重工電機科技股份有限公司，太原 030027）

勵磁電流的輸出是通過主機、勵磁機、勵磁器件和自動電壓調(diào)節(jié)器AVR共同作用來提供，AVR功率源的穩(wěn)定對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的至關(guān)重要。本文結(jié)合相復勵勵磁系統(tǒng)功率源斷線后引發(fā)的一系列故障現(xiàn)象，分析了各個故障現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并實現(xiàn)了故障復現(xiàn)。

發(fā)電機 相復勵勵磁系統(tǒng) 自動電壓調(diào)節(jié)器

1 故障現(xiàn)象概述

由我公司承制的某型相復勵勵磁系統(tǒng)發(fā)電機在聯(lián)調(diào)試驗中，帶100%負載運行時突然發(fā)生電壓下跌導致主開關(guān)跳閘，重新起機后空載電壓由原先的396 V升高至405 V，通過外附電位器調(diào)節(jié)電壓不起作用。通過故障發(fā)生的電壓波形可以看出，發(fā)電機電壓由385 V下跌到200 V左右（且是個瞬間過程），約3 s后電壓升高至405V。主開關(guān)異常跳閘后，我們現(xiàn)場檢查了發(fā)電機內(nèi)部可視部分及各器件接線情況，均無異常；更換自動電壓調(diào)節(jié)器（以下簡稱AVR）、電抗器、整流變壓器等器件，故障現(xiàn)象仍存在。最后檢查發(fā)電機主匯流排處的線路時，發(fā)現(xiàn)V相匯流排電源信號線端子斷開（見圖1中圈I處），重新接好V相引線后，發(fā)電機空載電壓恢復正常且可調(diào)節(jié)，帶載運行也一切正常，上述問題得到解決。此次故障原因為發(fā)電機V相匯流排電源信號線端子斷開所致。

2 故障現(xiàn)象原因分析及試驗?zāi)M

2.1 相復勵系統(tǒng)及AVR工作原理

該發(fā)電機采用相復勵勵磁系統(tǒng)（見圖1），該系統(tǒng)從發(fā)電機輸出端獲取一定的功率，同時取三相電壓和電流信號以及它們之間的相位信號，按一定的方式耦合經(jīng)整流及調(diào)控后為勵磁機提供一合適的勵磁電流，從而實現(xiàn)發(fā)電機的恒壓輸出，主要包括相復勵裝置和AVR兩部分。相復勵裝置從發(fā)電機輸出端取三相電壓經(jīng)電抗器L1移相產(chǎn)生勵磁電流的空載分量（I），并將該電流分量送入整流變壓器T6的原邊；從發(fā)電機輸出端通過電流互感器T1、T2、T3取發(fā)電機電流信號，該電流即為勵磁電流的負載分量（I），將其輸入T6副邊的線圈中，T6將空載分量和負載分量電磁耦合后經(jīng)帶功率組件的AVR整流后即為發(fā)電機所需的勵磁電流。同時，AVR從發(fā)電機出線端V、W相取電壓信號經(jīng)變壓器降壓后與電位器上電壓矢量迭加輸入整流橋交流側(cè)進行整流，整流后的電壓一方面作為AVR的取樣信號，另一方面為整個線路板提供工作電源和基準電壓信號。

理論上只要勵磁裝置各器件參數(shù)設(shè)計合理即可實現(xiàn)發(fā)電機的恒壓輸出，但實際上勵磁裝置只是提供一個適當?shù)膭畲烹娏鳎_的調(diào)整需要靠帶功率組件的AVR來實現(xiàn)。AVR的調(diào)整是通過一個分流回路將勵磁裝置產(chǎn)生的勵磁電流來分掉一小部分，而分掉這部分電流的大小取決于發(fā)電機輸出電壓的高低。若輸出電壓高于整定值，則AVR分流就增大，使發(fā)電機端電壓下降；反之則分流減小使端電壓升高。為保證AVR能夠起到分流控制作用，就需要在AVR不起作用時，在整個負載范圍內(nèi)勵磁裝置提供的勵磁電流必須大于發(fā)電機所需的勵磁電流，也就是在AVR不起作用時，整個負載范圍內(nèi)發(fā)電機的端電壓必須高于其整定值，這樣才能有一小部分勵磁電流供AVR來分掉。

圖1 相復勵勵磁系統(tǒng)原理圖

2.2 電壓突然下跌原因分析

根據(jù)“2.1相復勵系統(tǒng)及AVR工作原理”可知，當AVR功率電源斷開后，AVR不能分流，發(fā)電機工作所需的勵磁電流由勵磁裝置提供，而勵磁裝置在AVR不起作用時提供的勵磁電流大于發(fā)電機所需的勵磁電流，所以發(fā)電機電壓應(yīng)該升高。而此次故障現(xiàn)象卻是發(fā)電機電壓短暫下跌后再升高，要分析清楚這一短暫過程整套勵磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)，首先需了解相復勵勵磁裝置的自勵過程（不帶AVR）。

2.2.1相復勵勵磁裝置自勵過程

根據(jù)《電機學》及相關(guān)勵磁系統(tǒng)文獻可知，自勵恒壓同步發(fā)電機的自勵過程是一種瞬態(tài)相應(yīng)過程，自勵系統(tǒng)是一種直接反饋系統(tǒng)，對同步發(fā)電機來說，即其輸出信號由輸出端經(jīng)整流裝置后，返回到輸入端的一種系統(tǒng)；就性質(zhì)而言，自勵也是一種正反饋作用，其輸出量返回到輸入端會加強系統(tǒng)的輸入量，所以同步發(fā)電機的自勵都是依靠正反饋作用激發(fā)自勵，建立電壓的過程，在某些電磁量之間，必須滿足物理上的約束和具有一定的數(shù)學關(guān)系。

2.2.2自勵系統(tǒng)的簡易數(shù)學模型

根據(jù)電機磁路特性，發(fā)電機空載特性曲線可表示為：

若忽略勵磁裝置的壓降，空載電壓按正弦規(guī)律變化，則自勵過程的方程式為：

顯然式（2）所表達的自勵過程的非線性的，難以求解，作一些假定，可近似的求解為：

式（3）中的0與i又滿足式（1）所表示的空載特性，因此自勵過程的運動方程式可近似表示為：

從式（4）可以看出，發(fā)電機的自勵過程是一個由多種元素構(gòu)成的復雜方程式，發(fā)電機在正常運行時，任一變量的變化都會使整個勵磁系統(tǒng)不穩(wěn)定，輕者電壓下跌、不穩(wěn)定；重者發(fā)電機自勵不正常，不能建立起空載電壓。而此次功率源斷線后表面是AVR失去功率源不能正常工作，但瞬間斷線過程產(chǎn)生的電磁反映也使發(fā)電機的勵磁裝置工作穩(wěn)定性被打破，所以出現(xiàn)了電壓瞬間跌落的故障現(xiàn)象。

2.3 斷線穩(wěn)定后電壓不可調(diào)及上升原因分析

根據(jù)“2.1相復勵系統(tǒng)及AVR工作原理”可知，當V相斷開后，AVR失去功率電源不能工作，重新起機后再通過外附電位器調(diào)節(jié)電壓時，出現(xiàn)了電壓不可調(diào)故障；而此時發(fā)電機的勵磁電流由勵磁裝置提供，而勵磁裝置提供的勵磁電流大于發(fā)電機所需的勵磁電流，所以發(fā)電機電壓會升高。

2.4 電壓突然下跌原因試驗?zāi)M

在與故障現(xiàn)象同型號的相復勵系統(tǒng)發(fā)電機V相匯流排電源信號線間接入開關(guān)，進行帶100%負載試驗。在試驗過程中突然斷開開關(guān)，用示波器對電壓波形進行記錄，通過圖2可以看出，在開關(guān)斷開瞬間，發(fā)電機電壓突然下跌，由396.5 V跌至350.7V，與聯(lián)調(diào)現(xiàn)場故障現(xiàn)象基本一致（電壓下跌值的大小與具體發(fā)電機的特性有關(guān)）。

同時，在不同負載下，對V相斷線前后的勵磁電流進行了測量，具體數(shù)值見表1。

圖2 試驗?zāi)M故障波形

表1

狀態(tài)電壓(V)電流(A)勵磁電流(A) 空載正常接線390.501.13 斷開V相397.501.29 330 kW正常接線390.1578.22.45 斷開V相408.2583.62.92 625 kW正常接線390.21157.24.04 斷開V相408.81163.54.50 937 kW正常接線389.81735.25.60 斷開V相403.51736.45.88 1250 kW正常接線389.72313.57.28 斷開V相408.82314.37.76

從表1可以看出，在同樣的負載工況下， V相斷線后，發(fā)電機電壓和勵磁電流均大于正常接線的電壓和電流值，和故障產(chǎn)品的現(xiàn)象一致。

3 結(jié)論

相復勵勵磁系統(tǒng)勵磁裝置多、AVR控制回路復雜，任一器件的故障都會造成發(fā)電機不能正常工作，只有充分掌握相復勵勵磁系統(tǒng)工作原理，才能在處理具體的故障現(xiàn)象準確定位，避免問題的進一步擴大。

[1] 許實章. 電機學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1985.

[2] 陳世坤. 電機設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1982.

[3] 姚守猷, 張世棟. 自勵恒壓同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)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

鞏潔（1986-），女，工程師，從事電機設(shè)計及試驗。E-mail：420261983@qq.com