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摘要：通过介绍发电机自并励静止励磁系统近年来在大中型汽轮发电机中的应用，说明该励磁方式与过去的励磁方式相比有較大的优越性。分析和探讨大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统的优越性在设计、选型、和运行中应注意的问题。
关键词：静态励磁；改造应用
中图分类号：TM303
绪 论
随着电力系统的迅速发展，电网的稳定性问题日益突出，这对励磁系统的静态和动态调节性能以及可靠性等提出了更高的要求。近十几年来，计算机应用技术、微机控制理论、电力电子技术的发展促进了自并励静止励磁制造技术逐渐趋向于成熟、稳定、可靠。相对其它励磁方式而言，自并励静止励磁系统具有主回路简单、调节性能优良、可靠性高的优点，已取代直流励磁机励磁方式和相复励方式，在各电厂得到普遍使用。最近几年，自并励静止励磁方式也取代了三机励磁方式，成为新建火电厂的首选方案，逐渐在大型汽轮发电机组中推广应用。也成为老机组励磁系统改造的首选方案。下面介绍我公司#1、#2机组改静态励磁的一些体会。
一：改造原因
我公司的#1、#2发电机是运行十多年的老机组，原来的励磁系统是直流励磁机，励磁调节器为KFD-3励磁调节装置。主要参数如下：
我公司#1、#2励磁机均是因为基础台板沉降松动造成励磁机末瓦振动超标，使励磁机无法正常运行。我公司于2003年5月份和2004年4月份先后对#2、#1励磁系统进行了改造，由静态励磁系统取代了原有的直流励磁机。改造前励磁系统维护、检修工作量很大，改造后大大降低了维护检修工作量而且提高了运行可靠性。#2机励磁系统采用的是河北工大生产的DWLZ-2C型静态励磁装置。#1机励磁系统采用的是广州电器科学研究院生产的EXC9000型静态励磁装置，两个厂家的自并励静止励磁系统从结构原理上基本相同，由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、发电机灭磁及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。#2机由于励磁电流小，功率柜和灭磁柜合并为一个柜。并且由于整个静态励磁装置只有两个柜，占用空间小，所以设计安装在电气主控室内。#1机由于是双水内冷机组，励磁电流大，有两个功率柜，并且需要单独的灭磁柜，刀闸柜，切换柜（切换备励用），占地面积较大，所以设计安装在汽机厂房内。
二：#1、2机静态励磁装置性能比较
两个厂家的产品虽然基本原理相同，但从我们使用后发现两套装置各有特点。
2.1 #2机采用的DWLZ-2C型简单实用，在调节器调节通道的组成上，采用热备用双通道单模冗余结构，即调节器包含两个独立的通道。这两个通道软硬件结构完全相同，调节模式、工作原理完全一致，一套工作，一套备用。调节器以16位CPU字长的工业控制计算机为核心，调节器操作界面为英文标识，没有故障追忆，智能化不高操作相对复杂；功率管为液管冷却加风冷，优点是冷却效率高，缺点是一旦泄漏，会影响安全运行。该型号内部设有试验回路，装置试验时，不用外接试验电源，调试方便，整套造价相对较低，经济实用。
2.2 #1机采用的EXC9000型智能化程度高，技术先进，故障检测系统齐全，并且调节器是三通道冗余系统，该调节器由两个自动电压调节通道（A、B）和一个手动调节通道（C）组成，这三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。A套调节器和B套调节器是以STD总线工控机为核心的数字式调节器，而C套调节器则是基于集成电路的模拟式调节器，可靠性大大提高（DWLZ-2C型为双通道）。热备用双通道模式冗余结构的励磁调节器，即主通道采用总线工控机为核心的数字式调节器，而备用通道采用以可编程控制器为核心的模数混合式调节器，这两个通道软硬件结构、调节模式、工作原理完全不同，因而被称为双模结构。调节器以32位CPU字长的工业控制计算机为核心，操作界面为中文标识，触摸屏操作智能化，并且有故障报警及追忆记录，对故障分析、判断、处理帮助很大，提高了运行人员分析处理故障的效率。
三：自并励静止励磁系统的优点
通过对我厂#1、#2机励磁系统的改造，我们感觉到自并励静止励磁系统与旧的励磁方式相比，具有以下几方面的优点。
3.1励磁系统可靠性增强
旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的一部分，但由于自并励静止励磁方式取消了旋转部件，大大减少了事故隐患，可靠性明显优于直流励磁机励磁系统，而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。该励磁系统提高了运行可靠性、经济性，使运行维护量降低了。
3.2电力系统的稳态、暂态稳定水平提高
由于自并励静止励磁系统响应速度快，电力系统静态稳定性大大提高。自并励方式保持在发电机端电压不变的情况下大大提高了静态稳定极限。对于可能引起的系统低频震荡，可采用先进的控制规律或配置PSS电力系统稳定器加以解决。发电机出口三相短路是自并励静止励磁系统最不利的工况，此时机端电压及整流电源电压严重下降，即使故障切除时间很短，短路期间励磁电流衰减不大，但在故障切除后机端电压的恢复需一定的时间，自并励系统的强励能力有所下降。为解决这一问题，在系统设计中计算强励倍数时，整流电源电压按发电机额定电压值的80%计算，即机端电压为额定时强励能力提高25%，且目前大中型机组发电机出口均采用了封闭母线，发电机机端三相短路的可能性大大减少。因此，自并励系统强励倍数高，电压响应速度快，再加上选择先进的控制规律，能够有效地提高系统暂态稳定水平。
3.3减少发电机轴系扭振
自并励静止系统与直流励磁机励磁系统相比，取消了励磁机，缩短了机组长度，减少了大轴联接环节，因而缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性。
3.4降低了运行、检修维护工作量及维护资金
改造静态励磁后运行人员不必再去更换调整碳刷、压簧及对励磁机进行日常的维护，使运行人员的工作量大大降低了，检修人员在大、小修期间不必再从事繁重的体力工作，进行解体回装等工作，并且节省了大量的每年更换碳刷、压簧及检修材料等维护资金。 3.5提高了设备运行的可靠性
静态励磁自动化、智能化水平的提高大大的提高了設备运行的可靠性及稳定性，充分体现了自动控制原理在这方面应用的优点。
四：老机组静态励磁改造中应注意的问题
通过对我厂#1、#2机励磁系统的改造，我们认为应注意以下问题。
4.1励磁变压器的计算及选择
励磁变压器的计算和选择应考虑以下几方面：
4.1.1使用环氧树脂干式变压器，一般采用空气自然冷却，不配外壳，户内使用，亦可根据实际情况加装外壳，配置风冷系统，同时需要设置温控及温显系统，便于监视变压器的运行状态。
4.1.2为改善可控硅整流桥电压波形，变压器采用星形-三角形 （Y /Δ）接线，它的额定容量取决于励磁系统应提供的直流功率值，一次电压与发电机端电压相同，二次电压由励磁系统的顶值电压所决定，同时应考虑到在一次电压为80%额定电压值时仍能保证所需的顶值电压值，提高系统的强励能力。
4.1.3由于励磁变压器的绕组间存在寄生电容，励磁变压器的电源投入或切除以及大气过电压均会在变压器中产生过电压，所以必须采取相应措施来限制操作过电压，应要求在二次绕组接入对地电容、安装过电压吸收装置。
4.1.4还需要考虑变压器的阻抗电压、过载能力、保护配置，尤其是过流保护，由于变压器负载为可控硅整流桥及发电机转子，直流侧短路等效于励磁变压器二次绕组短路，对此故障保护方式有很多种，如采用快速熔断器、快速过流检测继电器、在直流侧串入扼流电抗、配置变压器电流反时限或定时限保护。
4.2发电机起励问题
4.2.1在发电机电压建立前，励磁变压器不能提供励磁电源，所以在系统设计时必须考虑起励回路及相应设备。通常方式是首先利用起励电源对发电机进行励磁，待发电机电压达到或大于10%时通过切换装置自动退出起励回路，转换为励磁变压器提供励磁电源，需要考虑设置起励电源会相应增加厂用电源容量。
4.2.2发电机第一次启动及大修结束后，需要作发电机短路、空载试验，并且需对励磁系统做全面检查，此时必须为自并励系统提供一试验电源，通常做法是从380 V厂用电源直接拉电缆至可控硅整流桥以提供整流电源。但有些厂家如河北工大的静态励磁装置在柜内设计有试验回路，可以很方便的通过把手切换到试验状态，但切试验状态时，灭磁开关自动断开，在运行时运行人员要注意防止误操作。在系统设计时需考虑到将来试验时采取何种方案并做相应准备工作。
4.3可控硅励磁功率柜的选择
4.3.1励磁功率整流桥的接线方式采用可控硅全控桥。随着电力电子技术的飞速发展，大容量、高参数的励磁功率柜相继问世，其特点是在单个可控硅元件选择上向大电流、高电压方向发展以简化由过多的串、并联元件组成的整流桥，单个可控硅元件的参数已达2000 A/4000 V，使得可控硅整流桥得以简化，方便装置检修、运行，同时使各支路均流、均压问题相对易解决。
4.3.2可控硅励磁功率柜中应配置有交流过电压保护装置，据现场情况采用风冷、液管等不同的冷却方式，并采取一定措施保证并联整流柜均流系数达到要求。
4.3.3为满足检修需要，可在可控硅整流桥支路的交流侧及直流侧设置高绝缘水平刀闸。如果现场场地条件允许，应尽量让每个功率柜只安放一可控硅整流桥，方便功率柜的投入、切除操作，以利运行、检修。
4.4灭磁及过压保护装置的配置
通常在发电机转子回路设置灭磁开关，配备相应的线性或非线性灭磁电阻。转子过压保护装置较多采用非线性电阻ZNO（压敏电阻）来实现，这种方式较普遍采用。
4.4.1 ZNO非线形灭磁电阻优、缺点比较
4.5励磁调节器的选择
随着计算机技术应用的发展，工业控制向数字化方向发展，励磁控制也已由模拟控制向数字化控制方向发展。数字式励磁调节器与老式的模拟调节器相比，在功能、可靠性等方面具有极大的优势。现时投运的新机组及旧机组改造都已选用微机量、线性向非线性发展，使得励磁调节器能够在改善机组、电网稳定性方面励磁调节器，并已取得很好的效果和丰富的经验。而且随着励磁控制规律中单变量向多变起到更大的作用。
结束语：
随着计算机应用技术的广泛应用及自动化水平的不断提高，所要求的操作技能和理论水平就越来越高，只有这样才能从繁重的体力工作中解放出来，不断的提高设备运行的稳定性、经济性、可靠性。电力行业正处于改革巨变的时期，各电厂必将实行独立经营、竞价上网的政策，为了适应发展，现场使用的设备则要求可靠性高、经济性高。同步电机自并励静止励磁系统由于运行可靠性高、技术和经济性能优越的原因，已成为大中型汽轮发电机组的主要励磁方式之一。因此熟悉、掌握励磁系统的技术，是提高机组和电网稳定、安全运行水平必要的条件和保障。
关键词：静态励磁；改造应用
中图分类号：TM303
绪 论
随着电力系统的迅速发展，电网的稳定性问题日益突出，这对励磁系统的静态和动态调节性能以及可靠性等提出了更高的要求。近十几年来，计算机应用技术、微机控制理论、电力电子技术的发展促进了自并励静止励磁制造技术逐渐趋向于成熟、稳定、可靠。相对其它励磁方式而言，自并励静止励磁系统具有主回路简单、调节性能优良、可靠性高的优点，已取代直流励磁机励磁方式和相复励方式，在各电厂得到普遍使用。最近几年，自并励静止励磁方式也取代了三机励磁方式，成为新建火电厂的首选方案，逐渐在大型汽轮发电机组中推广应用。也成为老机组励磁系统改造的首选方案。下面介绍我公司#1、#2机组改静态励磁的一些体会。
一：改造原因
我公司的#1、#2发电机是运行十多年的老机组，原来的励磁系统是直流励磁机，励磁调节器为KFD-3励磁调节装置。主要参数如下：
我公司#1、#2励磁机均是因为基础台板沉降松动造成励磁机末瓦振动超标，使励磁机无法正常运行。我公司于2003年5月份和2004年4月份先后对#2、#1励磁系统进行了改造，由静态励磁系统取代了原有的直流励磁机。改造前励磁系统维护、检修工作量很大，改造后大大降低了维护检修工作量而且提高了运行可靠性。#2机励磁系统采用的是河北工大生产的DWLZ-2C型静态励磁装置。#1机励磁系统采用的是广州电器科学研究院生产的EXC9000型静态励磁装置，两个厂家的自并励静止励磁系统从结构原理上基本相同，由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、发电机灭磁及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。#2机由于励磁电流小，功率柜和灭磁柜合并为一个柜。并且由于整个静态励磁装置只有两个柜，占用空间小，所以设计安装在电气主控室内。#1机由于是双水内冷机组，励磁电流大，有两个功率柜，并且需要单独的灭磁柜，刀闸柜，切换柜（切换备励用），占地面积较大，所以设计安装在汽机厂房内。
二：#1、2机静态励磁装置性能比较
两个厂家的产品虽然基本原理相同，但从我们使用后发现两套装置各有特点。
2.1 #2机采用的DWLZ-2C型简单实用，在调节器调节通道的组成上，采用热备用双通道单模冗余结构，即调节器包含两个独立的通道。这两个通道软硬件结构完全相同，调节模式、工作原理完全一致，一套工作，一套备用。调节器以16位CPU字长的工业控制计算机为核心，调节器操作界面为英文标识，没有故障追忆，智能化不高操作相对复杂；功率管为液管冷却加风冷，优点是冷却效率高，缺点是一旦泄漏，会影响安全运行。该型号内部设有试验回路，装置试验时，不用外接试验电源，调试方便，整套造价相对较低，经济实用。
2.2 #1机采用的EXC9000型智能化程度高，技术先进，故障检测系统齐全，并且调节器是三通道冗余系统，该调节器由两个自动电压调节通道（A、B）和一个手动调节通道（C）组成，这三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。A套调节器和B套调节器是以STD总线工控机为核心的数字式调节器，而C套调节器则是基于集成电路的模拟式调节器，可靠性大大提高（DWLZ-2C型为双通道）。热备用双通道模式冗余结构的励磁调节器，即主通道采用总线工控机为核心的数字式调节器，而备用通道采用以可编程控制器为核心的模数混合式调节器，这两个通道软硬件结构、调节模式、工作原理完全不同，因而被称为双模结构。调节器以32位CPU字长的工业控制计算机为核心，操作界面为中文标识，触摸屏操作智能化，并且有故障报警及追忆记录，对故障分析、判断、处理帮助很大，提高了运行人员分析处理故障的效率。
三：自并励静止励磁系统的优点
通过对我厂#1、#2机励磁系统的改造，我们感觉到自并励静止励磁系统与旧的励磁方式相比，具有以下几方面的优点。
3.1励磁系统可靠性增强
旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的一部分，但由于自并励静止励磁方式取消了旋转部件，大大减少了事故隐患，可靠性明显优于直流励磁机励磁系统，而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。该励磁系统提高了运行可靠性、经济性，使运行维护量降低了。
3.2电力系统的稳态、暂态稳定水平提高
由于自并励静止励磁系统响应速度快，电力系统静态稳定性大大提高。自并励方式保持在发电机端电压不变的情况下大大提高了静态稳定极限。对于可能引起的系统低频震荡，可采用先进的控制规律或配置PSS电力系统稳定器加以解决。发电机出口三相短路是自并励静止励磁系统最不利的工况，此时机端电压及整流电源电压严重下降，即使故障切除时间很短，短路期间励磁电流衰减不大，但在故障切除后机端电压的恢复需一定的时间，自并励系统的强励能力有所下降。为解决这一问题，在系统设计中计算强励倍数时，整流电源电压按发电机额定电压值的80%计算，即机端电压为额定时强励能力提高25%，且目前大中型机组发电机出口均采用了封闭母线，发电机机端三相短路的可能性大大减少。因此，自并励系统强励倍数高，电压响应速度快，再加上选择先进的控制规律，能够有效地提高系统暂态稳定水平。
3.3减少发电机轴系扭振
自并励静止系统与直流励磁机励磁系统相比，取消了励磁机，缩短了机组长度，减少了大轴联接环节，因而缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性。
3.4降低了运行、检修维护工作量及维护资金
改造静态励磁后运行人员不必再去更换调整碳刷、压簧及对励磁机进行日常的维护，使运行人员的工作量大大降低了，检修人员在大、小修期间不必再从事繁重的体力工作，进行解体回装等工作，并且节省了大量的每年更换碳刷、压簧及检修材料等维护资金。 3.5提高了设备运行的可靠性
静态励磁自动化、智能化水平的提高大大的提高了設备运行的可靠性及稳定性，充分体现了自动控制原理在这方面应用的优点。
四：老机组静态励磁改造中应注意的问题
通过对我厂#1、#2机励磁系统的改造，我们认为应注意以下问题。
4.1励磁变压器的计算及选择
励磁变压器的计算和选择应考虑以下几方面：
4.1.1使用环氧树脂干式变压器，一般采用空气自然冷却，不配外壳，户内使用，亦可根据实际情况加装外壳，配置风冷系统，同时需要设置温控及温显系统，便于监视变压器的运行状态。
4.1.2为改善可控硅整流桥电压波形，变压器采用星形-三角形 （Y /Δ）接线，它的额定容量取决于励磁系统应提供的直流功率值，一次电压与发电机端电压相同，二次电压由励磁系统的顶值电压所决定，同时应考虑到在一次电压为80%额定电压值时仍能保证所需的顶值电压值，提高系统的强励能力。
4.1.3由于励磁变压器的绕组间存在寄生电容，励磁变压器的电源投入或切除以及大气过电压均会在变压器中产生过电压，所以必须采取相应措施来限制操作过电压，应要求在二次绕组接入对地电容、安装过电压吸收装置。
4.1.4还需要考虑变压器的阻抗电压、过载能力、保护配置，尤其是过流保护，由于变压器负载为可控硅整流桥及发电机转子，直流侧短路等效于励磁变压器二次绕组短路，对此故障保护方式有很多种，如采用快速熔断器、快速过流检测继电器、在直流侧串入扼流电抗、配置变压器电流反时限或定时限保护。
4.2发电机起励问题
4.2.1在发电机电压建立前，励磁变压器不能提供励磁电源，所以在系统设计时必须考虑起励回路及相应设备。通常方式是首先利用起励电源对发电机进行励磁，待发电机电压达到或大于10%时通过切换装置自动退出起励回路，转换为励磁变压器提供励磁电源，需要考虑设置起励电源会相应增加厂用电源容量。
4.2.2发电机第一次启动及大修结束后，需要作发电机短路、空载试验，并且需对励磁系统做全面检查，此时必须为自并励系统提供一试验电源，通常做法是从380 V厂用电源直接拉电缆至可控硅整流桥以提供整流电源。但有些厂家如河北工大的静态励磁装置在柜内设计有试验回路，可以很方便的通过把手切换到试验状态，但切试验状态时，灭磁开关自动断开，在运行时运行人员要注意防止误操作。在系统设计时需考虑到将来试验时采取何种方案并做相应准备工作。
4.3可控硅励磁功率柜的选择
4.3.1励磁功率整流桥的接线方式采用可控硅全控桥。随着电力电子技术的飞速发展，大容量、高参数的励磁功率柜相继问世，其特点是在单个可控硅元件选择上向大电流、高电压方向发展以简化由过多的串、并联元件组成的整流桥，单个可控硅元件的参数已达2000 A/4000 V，使得可控硅整流桥得以简化，方便装置检修、运行，同时使各支路均流、均压问题相对易解决。
4.3.2可控硅励磁功率柜中应配置有交流过电压保护装置，据现场情况采用风冷、液管等不同的冷却方式，并采取一定措施保证并联整流柜均流系数达到要求。
4.3.3为满足检修需要，可在可控硅整流桥支路的交流侧及直流侧设置高绝缘水平刀闸。如果现场场地条件允许，应尽量让每个功率柜只安放一可控硅整流桥，方便功率柜的投入、切除操作，以利运行、检修。
4.4灭磁及过压保护装置的配置
通常在发电机转子回路设置灭磁开关，配备相应的线性或非线性灭磁电阻。转子过压保护装置较多采用非线性电阻ZNO（压敏电阻）来实现，这种方式较普遍采用。
4.4.1 ZNO非线形灭磁电阻优、缺点比较
4.5励磁调节器的选择
随着计算机技术应用的发展，工业控制向数字化方向发展，励磁控制也已由模拟控制向数字化控制方向发展。数字式励磁调节器与老式的模拟调节器相比，在功能、可靠性等方面具有极大的优势。现时投运的新机组及旧机组改造都已选用微机量、线性向非线性发展，使得励磁调节器能够在改善机组、电网稳定性方面励磁调节器，并已取得很好的效果和丰富的经验。而且随着励磁控制规律中单变量向多变起到更大的作用。
结束语：
随着计算机应用技术的广泛应用及自动化水平的不断提高，所要求的操作技能和理论水平就越来越高，只有这样才能从繁重的体力工作中解放出来，不断的提高设备运行的稳定性、经济性、可靠性。电力行业正处于改革巨变的时期，各电厂必将实行独立经营、竞价上网的政策，为了适应发展，现场使用的设备则要求可靠性高、经济性高。同步电机自并励静止励磁系统由于运行可靠性高、技术和经济性能优越的原因，已成为大中型汽轮发电机组的主要励磁方式之一。因此熟悉、掌握励磁系统的技术，是提高机组和电网稳定、安全运行水平必要的条件和保障。