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摘 要：介绍某电厂发电机励磁系统辅助强励回路的构成及工作原理，分析该电厂一起励磁机励磁绕组、辅助强励回路直流电源侧设备损坏的异常事件。为提高励磁系统设备的可靠性，基于励磁系统强励功能的分析，提出了有效避免类似故障发生的解决方案，同时对国内外励磁系统强励回路功能设计、参数配置、故障处理等也具有较高的技术指导价值。
关键词：发电机励磁系统 辅助强励 原理 故障 解决方案
Abstract：This paper introduces the structure and working principle of the boosting excitation circuit of the generator excitation system in a power plant，and analyzes the abnormal events of the damage of the stator winding of the exciter and the equipment on the side of the boosting excitation circuit.In order to improve the reliability of the excitation system equipment and based on the analysis of the excitation function of the excitation system，this paper puts forward the effective solution to avoid the occurrence of similar faults.At the same time，it has high technical guidance value for the function design，parameter configuration and fault treatment of the excitation circuit of the excitation system at home and abroad.
Keywords：generator excitation system;boosting excitation;theory;fault;solution
前言
我国各大电网互联、电力系统结构复杂，其中不断接入的大容量机组在提高电力系统稳定性方面起到了重要的作用。同步发电机的运行特性与空载电势Eq值的大小有关，而Eq值是发电机励磁电流Ifd的函数，改变励磁电流就可直接影响发电机在电力系统中的运行特性。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配;在某些故障情况，要求发电机迅速增大励磁电流，维持电网的电压水平及稳定性。因此，同步发电机励磁系统在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统的运行可靠性方面起着极为重要的作用。在诸多改善电力系统、发电机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制性能，被公认为最有效和经济的措施之一。
1 发电机励磁系统的构成
国内某电厂发电机采用带机端励磁变的自并励无刷励磁系统，主要有励磁变压器、励磁调节器、无刷励磁机、发电机旋转二极管检测装置等组成，其中励磁调节器采用法国ALSTOM公司生产的P320-AVR V2型微机励磁调节器。
正常工况下励磁电源取自发电机机端励磁变压器，发电机机端电压经励磁变降压后提供给励磁调节器晶闸管整流器，经晶闸管整流后送至励磁机励磁绕组。励磁机的转子切割励磁绕组磁场产生交流电流，此交流电流经旋转二极管整流器整流后供给发电机转子绕组以建立发电机磁场。
2 辅助强励回路工作原理
为防止机端发生短路时强励能力不足、继电保护拒动，造成机组和电网严重事故，在发电机励磁系统中配置了辅助强励回路，该回路只允许在自动电压调节及发电机并网运行期间投入，电源取自厂用220V直流系统。
在机组未并网时辅助强励回路自动退出，辅助强励开关LC002JA分闸;机组并网后辅助强励回路自动投入，辅助强励开关自动合闸，辅助强励回路晶闸管关断;当机端电压降至70%Un以下时，由励磁调节器发出脉冲触发辅助强励回路晶闸管导通，由辅助强励电源ZL001JA为励磁机的励磁绕组供电;直流系统绝缘监测仪采用平衡桥测量母线绝缘，平衡桥接入母线正负极;当机端电压恢复至72%Un及以上时，辅助强励开关自动短时断开，迫使辅助强励回路晶闸管关断，经延时后辅助强励开关恢复合闸，允许再次强励。
3 故障分析
該机组并网运行期间，曾出现过ZL直流系统电压异常升高，充电模块黑屏无显示，绝缘监测仪电桥负极回路烧毁，信号采集回路正负极熔丝熔断，工作电源开关跳闸;AVR直流侧励磁电流较大波动，后续检查发现励磁机磁极绝缘低，励磁机定子磁极12点方向（第11磁极）绕组与铁芯之间毛毡和绝缘板有多处间歇性放电痕迹。
经过系统性的分析知，励磁系统辅助强励回路设计不合理。
当机组正常运行时，直流电源（高阻接地系统）与励磁机励磁绕组（不接地系统）通过辅助强励回路负极直接相连，使励磁机定子成为实际上的高阻接地系统，导致两者相互影响。在故障或异常情况下，回路中电气参数发生变化，产生暂态过电压，使系统不稳定，导致故障扩大、设备损毁。
当回路中产生另一个不稳定接地点时，有可能导致回路中产生不稳定的两点接地，从而感应出异常电流;而设计上原本应该分开的不同阻容回路串联到一起，有可能形成特殊频率下的谐振回路。
辅助强励回路上存在不稳定接地点，导致间歇性放电，由于回路存在电感，产生感应电势，又由于并非稳定的接地点，导致回路频繁充放电，产生暂态过电压，导致励磁机定子绝缘薄弱环节被击穿。 4 故障处理方案
为解决励磁系统中辅助强励回路的共性问题，联合系统内各家单位、业内专家，从故障根本原因着手，对励磁辅助强励功能影响进行研究，提出了退出辅助强励回路，增加励磁机励磁绕组接地监测装置的解决方案。
4.1对国内外机组励磁系统调研，梳理辅助强励功能配置情况
对国内外发电机励磁系统是否配置辅助强励回路统计如下：
综上所述，全球范围内的励磁主要供应商均可满足规程规范要求的强励能力。仅ALSTOM对中国供货的励磁设计了辅助强励特殊要求。
4.2对规程规范的研读，分析对辅助强励功能配置的要求
国标《同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求》（GB/T 7409.3-2007）关于强励的要求如下：
5.3 励磁顶值电压倍数应根据电网情况及发电机在电网中的地位确定：
a）100MW及以上汽轮发电机一般为1.8倍;
对于励磁电源取自发电机端的电势源静止励磁系统，其励磁顶值电压倍数按80%的发电机额定电压计算。
5.4励磁系统的顶值电流应不超过2倍额定励磁电流，允许持续时间应不小于10s。
5.5 a）50MW及以上水轮发电机和100MW及以上的汽轮发电机励磁系统的标称响应不低于每秒2倍额定励磁电压。
经过对规程规范、反事故措施等文件的研读，取消辅助强励回路并未违反规程规范相关要求：仅对强励功能进行要求，并未提出对辅助强励的相关要求。
4.3对机组强励能力计算，分析退出辅助强励功能的可行性
在发电机机端电压下降至80%额定电压时，励磁变压器短时提供强励电压和电流的能力分析;
（1）励磁系统参数
该电厂发电机组，当发电机强励倍数为1.8 倍时，对应的励磁机励磁电压为254V（120℃），励磁机励磁电流为222A;励磁变压器设计变比：24000/300V，短路阻抗：△uk=6%;AVR限制晶闸管整流桥的最小触发角αmin=10°，即强励时AVR的触发角度最小可以到10°;AVR 整流桥整流电源取自发电机端，当发电机机端电压下降至额定值的80%时，励磁变二次侧电压300×80%=240V;励磁机励磁绕组阻值为1.147Ω（120℃）;线路和其他压降按10V考虑。
（2）励磁系统强励能力核算
机端电压下降至80%额定电压时，励磁变压器的副边电压经整流后，送到励磁机励磁绕组的直流电压最大可以达到：
励磁设备可提供的最大强励电压310V，大于机组所需顶值电压254V。同时，强励时间限定为10s。
因此，在发电机机端电压为额定值80%时，依靠励磁变压器供电，能够满足1.8 倍强励要求。
4.4结合机组/电网现状仿真，论证退出辅助强励回路的可行性
联合电科院对该电厂发电机励磁系统退出辅助强励对系统和机组影响研究，根据辅助强励功能现状，从发电机励磁系统对暂态、动态稳定的影响分析，机组在有/无辅助强励回路对系统稳定性仿真等全面分析后，得出如下结论：
该机组采用有辅助强励的励磁系统时，暂态水平更高，说明辅助强励对系统暂态稳定有更好的支撑作用;
该机組采用无辅助强励的励磁系统，系统暂态稳定水平可以满足该电厂满发送出。
总体而言，采用无辅助强励的励磁系统可以保证该电厂满发送出，能够满足电网和电厂安全稳定性要求，鉴于ALSTOM P320型励磁系统辅助强励在实际运行过程中存在不同电气系统间的配合问题，存在励磁机损毁导致机组跳机、影响机组安全和电网稳定运行的风险，建议退出辅助强励回路。
4.5对励磁机绝缘监测现状的分析，论证增加励磁机绝缘监测功能的可行性
在辅助强励回路退出后，已彻底将励磁机与辅助强励直流电源侧回路分开，目前该机组励磁机励磁绕组无独立的绝缘监测装置。虽然励磁回路一点接地故障对同步电机不会造成直接危害，但若发展成两点接地，由于故障点会流过很大故障电流，使励磁绕组因为电流增加导致过热而烧坏;若被短路的励磁绕组匝数较多，将会造成同步电机气隙中的主磁通量大量减少，使同步电机向电网输送的无功功率（感性无功）显著减少，励磁电压及机端电压下降，而同步电机机端电流有可能会大增，因此两点接地故障带来的后果非常严重，必须装设励磁绕组接地监测。
现有的微机式励磁绕组接地监测原理的产品比较成熟，制造工艺比较高，可靠性也比较高。但为避免绝缘监测装置对励磁系统运行的影响，建议设备选型时考虑以下几点：
（1）通过对非注入式和注入式的各类接地监测原理分析比较，建议采取单端注入直流电源原理的接地监测装置。该方案在停机和有励磁电源情况下都具备全程监测励磁绕组绝缘功能，测量误差不随励磁电压波动而变大，避免励磁机励磁绕组正负极出现短路情况等优势。
（2）接地监测装置具备可靠的隔离措施，耐压等级按照不低于励磁机励磁回路的耐压水平，且励磁机励磁回路的耐压试验不会造成装置本身的故障的设计要求选型。
（3）接地监测装置具有自动和手动测量功能，测量周期、整定值可设定。每次测量完毕后，装置通过逻辑回路使得装置的测量回路与励磁负极对地形成隔离。
（4）接地监测装置测量回路通过励磁机励磁绕组负极和励磁机接地端之间注入电压，和励磁调节器工作的电气回路不是同一个回路，避免相互干扰。
（5）接地监测装置内部设有内置电阻，即使励磁机励磁绕组在发生短路的情况下，装置注入到励磁机励磁绕组的电流都是毫安级的电流，相对于励磁机励磁绕组额定工况下的工作电流是很小的，基本上不会对励磁机励磁绕组及励磁机调节器产生电气上的影响。
（6）因励磁系统配置了直流起励回路，需考虑在测量回路中增加投退功能，避免在起励过程中起励回路接地监测装置与励磁机励磁绕组接地监测装置同时工作对设备的影响。
5 结论
（1）无辅助强励的励磁系统中，在机端电压下降至80%额定电压时，依靠励磁变压器供电能够满足国标对强励、标称响应等励磁性能要求，且系统暂态稳定水平也可以满足该电厂机组功率满发送出。考虑到辅助强励回路设计不合理，存在励磁机损毁导致机组跳机、影响机组安全和电网稳定运行的风险，建议退出辅助强励回路。
（2）建议对励磁机励磁绕组配置独立的绝缘监测装置，宜选取单端注入直流原理。在励磁机励磁绕组出现一点接地情况下，及时提醒运行和维修人员检查处理，避免了长时间接地导致励磁机烧毁、发电机跳机等严重事故。
此改进方案已在各电厂实施应用，有效避免了类似故障的发生，保障了机组及电网的安全稳定运行。文中阐述的分析方法、故障处理方案等可为同型励磁装置提供借鉴和参考。
参考文献
[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]GB/T7409.3-2007同步电机励磁系统大、中型同步励磁系统技术要求[S].中国国家标准化管理委员会，2007.
[3]余秀月.核电机组励磁控制系统异常及仿真分析[J].研究与探讨，2019：32-46
[4]方思立.大型发电机自并励系统强励倍数计算[J].电力标准化与技术经济，2007：39-50.
[5]范琳.一起发电机励磁系统误强励事故分析[J].电力安全技术，2013：31-33.
作者简介
刘刚强：男，工程师，主要从事核电站电气改造工作。
关键词：发电机励磁系统 辅助强励 原理 故障 解决方案
Abstract：This paper introduces the structure and working principle of the boosting excitation circuit of the generator excitation system in a power plant，and analyzes the abnormal events of the damage of the stator winding of the exciter and the equipment on the side of the boosting excitation circuit.In order to improve the reliability of the excitation system equipment and based on the analysis of the excitation function of the excitation system，this paper puts forward the effective solution to avoid the occurrence of similar faults.At the same time，it has high technical guidance value for the function design，parameter configuration and fault treatment of the excitation circuit of the excitation system at home and abroad.
Keywords：generator excitation system;boosting excitation;theory;fault;solution
前言
我国各大电网互联、电力系统结构复杂，其中不断接入的大容量机组在提高电力系统稳定性方面起到了重要的作用。同步发电机的运行特性与空载电势Eq值的大小有关，而Eq值是发电机励磁电流Ifd的函数，改变励磁电流就可直接影响发电机在电力系统中的运行特性。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配;在某些故障情况，要求发电机迅速增大励磁电流，维持电网的电压水平及稳定性。因此，同步发电机励磁系统在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统的运行可靠性方面起着极为重要的作用。在诸多改善电力系统、发电机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制性能，被公认为最有效和经济的措施之一。
1 发电机励磁系统的构成
国内某电厂发电机采用带机端励磁变的自并励无刷励磁系统，主要有励磁变压器、励磁调节器、无刷励磁机、发电机旋转二极管检测装置等组成，其中励磁调节器采用法国ALSTOM公司生产的P320-AVR V2型微机励磁调节器。
正常工况下励磁电源取自发电机机端励磁变压器，发电机机端电压经励磁变降压后提供给励磁调节器晶闸管整流器，经晶闸管整流后送至励磁机励磁绕组。励磁机的转子切割励磁绕组磁场产生交流电流，此交流电流经旋转二极管整流器整流后供给发电机转子绕组以建立发电机磁场。
2 辅助强励回路工作原理
为防止机端发生短路时强励能力不足、继电保护拒动，造成机组和电网严重事故，在发电机励磁系统中配置了辅助强励回路，该回路只允许在自动电压调节及发电机并网运行期间投入，电源取自厂用220V直流系统。
在机组未并网时辅助强励回路自动退出，辅助强励开关LC002JA分闸;机组并网后辅助强励回路自动投入，辅助强励开关自动合闸，辅助强励回路晶闸管关断;当机端电压降至70%Un以下时，由励磁调节器发出脉冲触发辅助强励回路晶闸管导通，由辅助强励电源ZL001JA为励磁机的励磁绕组供电;直流系统绝缘监测仪采用平衡桥测量母线绝缘，平衡桥接入母线正负极;当机端电压恢复至72%Un及以上时，辅助强励开关自动短时断开，迫使辅助强励回路晶闸管关断，经延时后辅助强励开关恢复合闸，允许再次强励。
3 故障分析
該机组并网运行期间，曾出现过ZL直流系统电压异常升高，充电模块黑屏无显示，绝缘监测仪电桥负极回路烧毁，信号采集回路正负极熔丝熔断，工作电源开关跳闸;AVR直流侧励磁电流较大波动，后续检查发现励磁机磁极绝缘低，励磁机定子磁极12点方向（第11磁极）绕组与铁芯之间毛毡和绝缘板有多处间歇性放电痕迹。
经过系统性的分析知，励磁系统辅助强励回路设计不合理。
当机组正常运行时，直流电源（高阻接地系统）与励磁机励磁绕组（不接地系统）通过辅助强励回路负极直接相连，使励磁机定子成为实际上的高阻接地系统，导致两者相互影响。在故障或异常情况下，回路中电气参数发生变化，产生暂态过电压，使系统不稳定，导致故障扩大、设备损毁。
当回路中产生另一个不稳定接地点时，有可能导致回路中产生不稳定的两点接地，从而感应出异常电流;而设计上原本应该分开的不同阻容回路串联到一起，有可能形成特殊频率下的谐振回路。
辅助强励回路上存在不稳定接地点，导致间歇性放电，由于回路存在电感，产生感应电势，又由于并非稳定的接地点，导致回路频繁充放电，产生暂态过电压，导致励磁机定子绝缘薄弱环节被击穿。 4 故障处理方案
为解决励磁系统中辅助强励回路的共性问题，联合系统内各家单位、业内专家，从故障根本原因着手，对励磁辅助强励功能影响进行研究，提出了退出辅助强励回路，增加励磁机励磁绕组接地监测装置的解决方案。
4.1对国内外机组励磁系统调研，梳理辅助强励功能配置情况
对国内外发电机励磁系统是否配置辅助强励回路统计如下：
综上所述，全球范围内的励磁主要供应商均可满足规程规范要求的强励能力。仅ALSTOM对中国供货的励磁设计了辅助强励特殊要求。
4.2对规程规范的研读，分析对辅助强励功能配置的要求
国标《同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求》（GB/T 7409.3-2007）关于强励的要求如下：
5.3 励磁顶值电压倍数应根据电网情况及发电机在电网中的地位确定：
a）100MW及以上汽轮发电机一般为1.8倍;
对于励磁电源取自发电机端的电势源静止励磁系统，其励磁顶值电压倍数按80%的发电机额定电压计算。
5.4励磁系统的顶值电流应不超过2倍额定励磁电流，允许持续时间应不小于10s。
5.5 a）50MW及以上水轮发电机和100MW及以上的汽轮发电机励磁系统的标称响应不低于每秒2倍额定励磁电压。
经过对规程规范、反事故措施等文件的研读，取消辅助强励回路并未违反规程规范相关要求：仅对强励功能进行要求，并未提出对辅助强励的相关要求。
4.3对机组强励能力计算，分析退出辅助强励功能的可行性
在发电机机端电压下降至80%额定电压时，励磁变压器短时提供强励电压和电流的能力分析;
（1）励磁系统参数
该电厂发电机组，当发电机强励倍数为1.8 倍时，对应的励磁机励磁电压为254V（120℃），励磁机励磁电流为222A;励磁变压器设计变比：24000/300V，短路阻抗：△uk=6%;AVR限制晶闸管整流桥的最小触发角αmin=10°，即强励时AVR的触发角度最小可以到10°;AVR 整流桥整流电源取自发电机端，当发电机机端电压下降至额定值的80%时，励磁变二次侧电压300×80%=240V;励磁机励磁绕组阻值为1.147Ω（120℃）;线路和其他压降按10V考虑。
（2）励磁系统强励能力核算
机端电压下降至80%额定电压时，励磁变压器的副边电压经整流后，送到励磁机励磁绕组的直流电压最大可以达到：
励磁设备可提供的最大强励电压310V，大于机组所需顶值电压254V。同时，强励时间限定为10s。
因此，在发电机机端电压为额定值80%时，依靠励磁变压器供电，能够满足1.8 倍强励要求。
4.4结合机组/电网现状仿真，论证退出辅助强励回路的可行性
联合电科院对该电厂发电机励磁系统退出辅助强励对系统和机组影响研究，根据辅助强励功能现状，从发电机励磁系统对暂态、动态稳定的影响分析，机组在有/无辅助强励回路对系统稳定性仿真等全面分析后，得出如下结论：
该机组采用有辅助强励的励磁系统时，暂态水平更高，说明辅助强励对系统暂态稳定有更好的支撑作用;
该机組采用无辅助强励的励磁系统，系统暂态稳定水平可以满足该电厂满发送出。
总体而言，采用无辅助强励的励磁系统可以保证该电厂满发送出，能够满足电网和电厂安全稳定性要求，鉴于ALSTOM P320型励磁系统辅助强励在实际运行过程中存在不同电气系统间的配合问题，存在励磁机损毁导致机组跳机、影响机组安全和电网稳定运行的风险，建议退出辅助强励回路。
4.5对励磁机绝缘监测现状的分析，论证增加励磁机绝缘监测功能的可行性
在辅助强励回路退出后，已彻底将励磁机与辅助强励直流电源侧回路分开，目前该机组励磁机励磁绕组无独立的绝缘监测装置。虽然励磁回路一点接地故障对同步电机不会造成直接危害，但若发展成两点接地，由于故障点会流过很大故障电流，使励磁绕组因为电流增加导致过热而烧坏;若被短路的励磁绕组匝数较多，将会造成同步电机气隙中的主磁通量大量减少，使同步电机向电网输送的无功功率（感性无功）显著减少，励磁电压及机端电压下降，而同步电机机端电流有可能会大增，因此两点接地故障带来的后果非常严重，必须装设励磁绕组接地监测。
现有的微机式励磁绕组接地监测原理的产品比较成熟，制造工艺比较高，可靠性也比较高。但为避免绝缘监测装置对励磁系统运行的影响，建议设备选型时考虑以下几点：
（1）通过对非注入式和注入式的各类接地监测原理分析比较，建议采取单端注入直流电源原理的接地监测装置。该方案在停机和有励磁电源情况下都具备全程监测励磁绕组绝缘功能，测量误差不随励磁电压波动而变大，避免励磁机励磁绕组正负极出现短路情况等优势。
（2）接地监测装置具备可靠的隔离措施，耐压等级按照不低于励磁机励磁回路的耐压水平，且励磁机励磁回路的耐压试验不会造成装置本身的故障的设计要求选型。
（3）接地监测装置具有自动和手动测量功能，测量周期、整定值可设定。每次测量完毕后，装置通过逻辑回路使得装置的测量回路与励磁负极对地形成隔离。
（4）接地监测装置测量回路通过励磁机励磁绕组负极和励磁机接地端之间注入电压，和励磁调节器工作的电气回路不是同一个回路，避免相互干扰。
（5）接地监测装置内部设有内置电阻，即使励磁机励磁绕组在发生短路的情况下，装置注入到励磁机励磁绕组的电流都是毫安级的电流，相对于励磁机励磁绕组额定工况下的工作电流是很小的，基本上不会对励磁机励磁绕组及励磁机调节器产生电气上的影响。
（6）因励磁系统配置了直流起励回路，需考虑在测量回路中增加投退功能，避免在起励过程中起励回路接地监测装置与励磁机励磁绕组接地监测装置同时工作对设备的影响。
5 结论
（1）无辅助强励的励磁系统中，在机端电压下降至80%额定电压时，依靠励磁变压器供电能够满足国标对强励、标称响应等励磁性能要求，且系统暂态稳定水平也可以满足该电厂机组功率满发送出。考虑到辅助强励回路设计不合理，存在励磁机损毁导致机组跳机、影响机组安全和电网稳定运行的风险，建议退出辅助强励回路。
（2）建议对励磁机励磁绕组配置独立的绝缘监测装置，宜选取单端注入直流原理。在励磁机励磁绕组出现一点接地情况下，及时提醒运行和维修人员检查处理，避免了长时间接地导致励磁机烧毁、发电机跳机等严重事故。
此改进方案已在各电厂实施应用，有效避免了类似故障的发生，保障了机组及电网的安全稳定运行。文中阐述的分析方法、故障处理方案等可为同型励磁装置提供借鉴和参考。
参考文献
[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]GB/T7409.3-2007同步电机励磁系统大、中型同步励磁系统技术要求[S].中国国家标准化管理委员会，2007.
[3]余秀月.核电机组励磁控制系统异常及仿真分析[J].研究与探讨，2019：32-46
[4]方思立.大型发电机自并励系统强励倍数计算[J].电力标准化与技术经济，2007：39-50.
[5]范琳.一起发电机励磁系统误强励事故分析[J].电力安全技术，2013：31-33.
作者简介
刘刚强：男，工程师，主要从事核电站电气改造工作。