[摘 要]文章以山西铝厂电厂发电机无功摆动为题，通过对励磁机特性曲线的分析，提出了励磁机输出电压不稳定是造成发电机无功摆动的主要原因，针对这个问题，作者提出了解决问题的对策，并提出了建设性的意见。

[关键词]无功 励磁机 励磁特性

前 言
　　山西铝厂电厂有12MW和25MW汽轮发电机各3台，发电机励磁采用与发电机同轴的励磁机进行励磁，励磁方式为自并励，由于装备落后，发电机并没有配置配套的自动励磁调节装置。几年来，发电机无功频繁摆动，由于不能确定原因，无功摆动成为困扰生产稳定和影响发电的主要障碍之一，解决这一问题已迫在眉睫。

1.励磁机介绍:
山西铝厂电厂励磁机的有关参数见表1:
表1: 励磁机的有关参数:

山西铝厂电厂励磁机的工作原理见图1:
图1: 励磁机二次回路原理图


2.发电机无功摆动分析
　　2.1发电机无功摆动现象及原因:
　　2.1.1励磁机的输出电压不稳定造成发电机的无功摆动: 由于励磁机的输出电压无法稳定，造成发电机转子电压和电流波动，从而引起发电机的无功发生大幅摆动。
　　2.1.2系统电压变化时发电机之间无功的分配:
　　　　系统的电压发生微小的变化时，发电机的无功也会发生较大的变化，这是由于发电机的电压和无功的关系决定的。
发电机的具有如下的调节特性: 见图2。

　　由发电机的调节特性可知，当发电机的励磁电流不变时，发电机的出口电压即系统电压的变化会引起发电机无功电流的变化，电压升高时无功电流减小，电压降低时，无功电流将增大。当多台发电机并列运行且励磁电流不变时，系统电压或无功变化引起的发电机无功的变化量由发电机的调差特性决定，系统无功波动时，调差系数小的发电机承担较多的无功分配。

　　 2.2励磁机输出电压波动的原因:
　　　　2.2.1励磁机及二次回路缺陷造成输出电压的波动: 励磁机励磁绕组及电枢匝间的不稳定短路及开路，以及二次回路、元器件虚接等不可靠因素，都有可能引起励磁机输出电压的不稳定，经过多次的停机并对二次回路紧固、检查、实验，我们排除了励磁机及二次回路缺陷可能造成的输出电压的波动。
　　　　2.2.2我厂励磁机的特性曲线分析:
以四号机为例励磁机的空载特性实验数据（表2）:
表2:


四号机励磁机的负载特性数据（表3）:
表3:

注: 发电机的有功负荷为15MW。
由表2、3，可绘出励磁机的空载特性及负载特性曲线，见图3。

　　通过励磁机的空载特性和负载特性，可得出以下结论:
　　⑴励磁机空载特性在电压低于200V时曲线基本为一直线段，只有当电压高于200V以后，曲线才发生拐头现象，既空载特性曲线在电压高于200V时才发生饱和。
　　⑵实测励磁机负载工作段在特性曲线的起始段部分，即工作在直线部分。
　　⑶负载曲线比空载曲线略低，即同样的励磁电流输出电压略低,电压越高负载特性偏离空载特性越远。这是由于电流越大，电枢压降越大，同时电枢反应也越强烈，因此电流越大，空载曲线和负载曲线偏离也越大。
　　⑷由表1、2看出，发电机无功从3Mvar→17.5Mvar时，励磁电压从61→112V,尤其无功从10Mvar→17.5Mvar，发电机电压仅从85.5V→112V，电压增量仅26.5V。而励磁回路电阻仅有3.3Ω的变化，这就是说，发电机带较大无功时，励磁回路电阻的较小变化就可能引起发电机无功的较大变化。
　　2.2.3发电机无功摆动的原因分析: 从励磁机的负载特性曲线可以看到，励磁机带负载时的工作特性段是在励磁特性的起始段，而励磁机的励磁特性起始部分是直线段，此时场阻线与励磁特性曲线有一部分几乎重合，没有明显交点，是励磁机的不稳定区，励磁回路的任何扰动造成励磁电流的变化都将引起励磁电压的相应变化，励磁电压的变化又使励磁电流的这一变化进一步增大。因此在励磁特性的直线区域，输出的电压总会有 20～30V的波动，从而引起无功的大幅变化。
当励磁机的工作点在励磁特性的饱和区时，励磁电流的任何微小变化不会引起电枢电压的变化，从而不会使这一变化放大，因此励磁机的输出电压是相对稳定的。
　　2.2.4同型号励磁机空载特性曲线对比:
　　由于我厂二期发电机和励磁机的型号、厂家相同，因此电枢可以互换，以五号机励磁机为例，2#电枢和5#电枢的励磁特性见表3、4，并由表3、4做出图4 所示励磁特性曲线。
表4: 2#电枢的空载特性数据:

　　以上数据和曲线表明，同一励磁机采用不同电枢时，励磁特性完全不同。五号电枢4A时的电枢电压为238V，二号电枢4A时仅190V。因此，更换电枢后，必须对励磁机电枢重新实验并设定顶值电压。
　　2.2.5结论: 一般直流发电机在60～70%额定电压下稳定工作是不可能的，我厂二期励磁机的额定电压为230V，70%额定电压值为161V,从上面的分析知道，我厂励磁机只有在电压达到200V后才开始饱和，而励磁机的实际工作电压范围不超过150V，因此励磁机的电压有20～30V的摆动是正常的，这一电压摆动造成发电机的无功的大幅摆动。

3.励磁机输出电压不稳定的解决办法:
　　3.1磁极垫片: 在磁极的极靴下垫入良性导磁材料，减小励磁间隙，可以在较小的励磁电流时就使输出特性饱和，从而使励磁机的输出电压达到稳定。
　　3.2在励磁回路的磁场调节电阻两端并接一个合适的灯泡，利用灯泡在发热后的阻值变化，得到非线性的电阻特性，使场阻线在励磁特性起始段有较大的交角，得到明显的交点，从而使励磁机在较低电压时也会有稳定的工作点，如图5所示。
图5: 非线性场阻线与空载特性交点示意图


　　3.3采用发电机自动励磁调节装置: 现代发电机自动励磁调节装置有良好的励磁特性，具有恒无功、恒功率因数等多种调节方式，对提高系统的稳定和暂态反应能力非常有效，同时能解决因励磁机输出电压不稳及系统电压波动造成的发电机无功摆动问题。

4.总结及建议:
　　励磁机工作在励磁特性的不饱和段造成励磁机输出电压不稳定及系统电压的波动是发电机无功摆动的原因，也是我厂发电机系统不稳定的主要因素，因此这一问题必须解决。
　　几年来励磁机的维护检修一直是影响我厂发电量的主要因素，99年，仅我厂二期励磁机检修17次，共447小时; 2000年二期励磁机检修17次，共341小时; 2001年，二期励磁机检修13次，共273小时，影响发电675万KWh，损失巨大。
　　建议将我厂励磁系统改为静态微机励磁调节系统，一次性投资（三台机共需投资120万），可解决励磁机运行带来的一系列问题，一年即可收回投资成本，经济效益将十分可观。