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摘要：核电站与常规火力发电厂在汽轮发电机组的原理和结构方面非常相似，核电站采用半速机的较多，火电厂采用全速机的较多，有关汽轮发电机的励磁系统并没有太大的差别。在我国的核电站中，受各国设备供货商的设计理念、专利和成熟技术等多方面因素的影响，汽轮发电机的励磁系统存在多种方式，设备配置也存在较大的差异。文章重点讲述我国核电汽轮发电机的励磁系统状况。
关键词：励磁方式；励磁机；静态励磁
作者简介：王宪坤（1977-），男，山东济宁人，山东核电有限公司调试管理部，工程师。（山东 海阳 265116）
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）27-0084-02
一、概述
汽轮发电机是根据电磁感应原理而工作的，转子的磁场是由转子绕组内的直流励磁电流形成，它的大部分磁通穿过气隙与定子绕组相连，旋转的转子磁场切割定子线圈，定子绕组内便会感应出电势，定子电流产生的电枢反应旋转磁场而产生的同步转矩对转子是个制动转矩，汽轮机转矩克服同步转矩而作功，实现了将汽轮机的机械能转化为电能的过程。发电机转子锻件表面铣有嵌线槽，分为大齿（磁极）和小齿（线圈），利用槽楔固定转子绕组，转子绕组采用同心式绕组，由若干个线圈组成。汽轮发电机转子的直流励磁系统主要功能包括六个方面：向发电机转子磁极提供可控的励磁电源；对发电机机端电压进行精确控制，保持发电机运行在设定值的允许范围之内；当发电机内部出现故障时，对发电机进行灭磁，避免事故的扩大；合理分配并列运行机组间的无功，控制发电机无功的输出；提高电力系统静态稳定极限，确保并网运行的稳定；在电力系统发生故障时，按给定的要求强行励磁，改善系统运行的动态稳定性。
二、同步发电机的励磁方式
同步发电机的励磁方式主要有三种。
1.直流励磁机供电的励磁方式
它是靠机械整流子换向整流的，受换向器电流大小的影响，仅适用于小型同步发电机，我国核电站不存在这种励磁方式。
2.交流励磁机弘整流供电的励磁方式
这种励磁方式是用与发电机同轴的交流励磁机经整流后变为直流电供给发电机励磁；发电机的励磁电流由交流主励磁机交流电源经硅二极管整流或整流柜供给，交流主励磁机的励磁，由三相可控硅整流电路供给，也可采用永磁发电机；由AVR改变可控硅的导通角，根据需要来改变励磁机的输出电压，以达到调节同步发电机励磁电流的目的。该方式比较典型的有二极管无刷励磁系统，我国核电大部分利用无刷励磁机的方式进行励磁。
3.静止电源供电的励磁方式
这类励磁方式的励磁电源取自同步发电机或电力系统本身，也称自励式励磁方式。自并励静止励磁方式是自励式励磁方式中接线最简单的一种，发电机的励磁由接在机端的励磁变压器经可控硅整流后供给，AVR改变可控硅的导通角即可实现励磁调节，励磁变与发电机分相封闭母线的接口在发电机与GCB（出口断路器）之间。
机端静态整流柜的励磁方式与励磁机的励磁方式相比较，静态励磁系统具有以下优缺点：取消了励磁机，缩短了主机轴系长度和汽机房长度，汽轮机组的振动值降低，接线简单，造价低，维护方便且可靠性高；响应速度快。无刷励磁等采用励磁机使得机组设备和尺寸增加，故有较大的迟滞作用，响应速度较慢；静态励磁因为取消励磁机而采用励磁变压器，响应速度快；可实现发电机不停机状态下整流器的维修；需设置调试试验电源和起励回路，因副励磁机（永磁机）可作为起励回路；发电机及其所连接的电力系统运行状态，对励磁系统工作影响较大，发电机机端短路时励磁电源电压严重下降会影响强励；由于静止整流后的电流通过滑环和碳刷导入到旋转的转子绕组上，静态励磁系统需要做好碳刷的运行维护工作，且系统容量受滑环极限容量的限制，而无刷励磁不需滑环和碳刷；静态励磁采用大功率、高电压、可控硅励磁整流柜，必然在励磁变压器交流系统产生大量的谐波；在静态励磁可控硅元件通断换相过程中，不可避免地将产生换相过电压。
三、我国核电站的励磁方式
1.秦山一期核电站
秦山一期核电站是一台上海电机厂制造的300兆瓦汽轮发电机组，运用的是20世纪80年代很成熟的励磁技术，由主励磁机、副励磁机、两套整流柜和两套碳刷组成，主励磁机在发电机和副励磁机的中间，与汽轮机同轴，利用汽轮机拖动转子进行作功，有的地方也称这种方式为三级励磁。副励磁机的转子是永久磁铁，定子产生的三相交流电利用副励磁机整流柜整流为可控的直流电源，通过主励磁机的碳刷和滑环为主励磁机的转子供应励磁电源；主励磁机定子发出的三相交流电源利用主励磁机整流柜整流为可控的直流电源，通过汽轮发电机的碳刷和滑环为发电机的转子供应励磁电源。这种励磁方式受汽轮机组轴系太长、励磁设备过于繁多等因素的影响，在特大型汽轮发电机组上应用得比较少。
2.秦山二期、大亚湾和岭澳一期核电站
如图1所示，汽轮发电机的励磁系统包括副励磁机（永磁机）、副励磁机整流柜、无刷励磁机等，这种励磁方式是参考法国Alstom公司核电汽轮发电机组，与秦山一期的励磁方式相比较，也是有两个励磁机，只是将主励磁机、主励磁机的整流柜、汽轮发电机的碳刷和滑环等设备等效为无刷励磁机，整个励磁系统通过副励磁机的整流柜调节器进行控制。
无刷励磁机的结构原理如图2所示，因为励磁机输出是由转子三相绕组通过安装在转子上的二极管整流桥直接与发电机励磁绕组联接，不是用传统的炭刷和滑环引入，又因励磁机本身结构是定子为磁极，转子布置三相绕组，其输入和输出均没通过炭刷和滑环，所以该励磁机通常被称为无刷励磁机，因此该系统也被称为无刷励磁系统。这种励磁方法相对秦山一期的励磁方式缩短了汽轮机组的轴长、减少了中间控制环节等优势，相对提高了稳定性，但是无刷励磁机不利于在线检修，其中不可控旋转整流器是薄弱环节。无刷励磁机也有碳刷和滑环，碳刷一般为3至6组，它们的作用是执行对发电机转子进行测量、监测和接地等保护功能。
秦山二扩的汽轮发电机的额定容量为733. 33兆伏安，额定励磁电流为 4493安，额定励磁电压为441伏；无刷交流励磁机额定参数为417伏、200赫兹、2484千瓦、3820安，永磁机的额定参数为250伏±15%、400赫兹、90.52千伏安、208安。大亚湾核电站的汽轮发电机的额定功率为900兆瓦，发电机的转子电压569伏、电流5340安；岭澳一期的汽轮发电机的容量为1158兆伏安，发电机励磁电流为5430安。以上核电站的汽轮机组额定转速均为3000转/分钟，永磁机作为启励方式。
3.岭澳二期、红沿河、宁德、福清、方家山、阳江、防城港、田湾核电站
图3表示了励磁变、整流柜、无刷励磁机的励磁方式，励磁变输出的电源，经过调节器和整流器的整流后输出可控的直流电源，为无刷励磁机的定子提供励磁电源。
二代改进型压水堆核电站多采用这种励磁方式，励磁变的电源取自汽轮发电机和发电机的出口断路器之间的分相封闭母线，如图4。岭澳二期的汽轮发电机的容量为1278MVA，发电机励磁电流为5791A；福清和方家山核电站的汽轮发电机组额定有功功率为1150兆瓦，发电机的额定励磁电压为454伏、励磁电流为5861安，励磁变的额定功率为51千伏安、变比为24000伏/220伏，无刷励磁机的定子额定励磁电压为90伏、励磁电流为150安。岭澳二期、福清核电、宁德、阳江、防城港、红沿河、方家山核电站是二代改进型核电机组，汽轮发电机的励磁方式原理和结构相同，包括一个励磁变、一个整流柜、一个无刷励磁机，汽轮机转轴的转速为1500转/分钟，为半速机。
田湾核电是引进俄罗斯的VVER技术，发电机的额定励磁电压为400伏、励磁电流为7600安，励磁变的额定功率为160千伏安、变比为380伏/400伏，无刷励磁机的定子额定励磁电压为37伏、励磁电流为145安。与法国二代改进型相比较，主要有三个不同点：第一，汽轮机转轴的转速为3000转/分钟，为全速机；第二，励磁变的电源取自厂用电380伏，无额外设置的启励回路；第三，励磁机设置了两个完全独立的励磁控制和调节系统（通道），包括独立的励磁交流外部电源、励磁变压器、可控硅整流器、可控硅移相和触发脉冲发生器、自动电压调节器、发电机电流电压测量回路等，两个独立的系统（通道）正常运行时一个工作，一个热备用（空载运行）。
4.秦山第三核电、三门核电和山东核电公司
励磁变压器取自汽轮发电机的出口端，供给整流柜三相交流电源，经整流后，通过碳刷和滑环等为汽轮发电机的转子提供可控的励磁电源，如图5所示。秦山第三核电是引进加拿大的重水堆CANDU项目，汽轮发电机组为日立技术；三门核电和山东核电是引进的三代核电技术西屋AP1000项目，汽轮发电机组为三菱技术。它们的励磁方式和结构相同，汽轮机的转速均为1500转/分钟。
山东核电的汽轮发电机主要参数为：额定有功功率为1250兆瓦，发电机的额定励磁电压为561伏、励磁电流为9265安，励磁变的额定功率为3×5500千伏安、变比为24000伏/1137伏，如图6所示。主要特点：励磁系统包括励磁变压器、励磁调节器、可控硅整流器、起励及灭磁回路四个主要电气部分，励磁调节器控制部分采用了三套相互独立的冗余配置，包括两个容量相同（均为100%容量）的自动调节器和一个100%容量的手动备用调节器，只需一路运行；可控硅整流器按标准n-1冗余原则，设置了六个整流柜；起励回路以残压起励为主，它励起励电源为辅，在可控硅整流器的输入端电压不低于5V时，可实现低残压起励。
参考文献：
[1]GB/T 7409.1-7409.3.同步电机励磁系统[S].
[2]DL/T843-2003.大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件[S].
（责任编辑：刘辉）
关键词：励磁方式；励磁机；静态励磁
作者简介：王宪坤（1977-），男，山东济宁人，山东核电有限公司调试管理部，工程师。（山东 海阳 265116）
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）27-0084-02
一、概述
汽轮发电机是根据电磁感应原理而工作的，转子的磁场是由转子绕组内的直流励磁电流形成，它的大部分磁通穿过气隙与定子绕组相连，旋转的转子磁场切割定子线圈，定子绕组内便会感应出电势，定子电流产生的电枢反应旋转磁场而产生的同步转矩对转子是个制动转矩，汽轮机转矩克服同步转矩而作功，实现了将汽轮机的机械能转化为电能的过程。发电机转子锻件表面铣有嵌线槽，分为大齿（磁极）和小齿（线圈），利用槽楔固定转子绕组，转子绕组采用同心式绕组，由若干个线圈组成。汽轮发电机转子的直流励磁系统主要功能包括六个方面：向发电机转子磁极提供可控的励磁电源；对发电机机端电压进行精确控制，保持发电机运行在设定值的允许范围之内；当发电机内部出现故障时，对发电机进行灭磁，避免事故的扩大；合理分配并列运行机组间的无功，控制发电机无功的输出；提高电力系统静态稳定极限，确保并网运行的稳定；在电力系统发生故障时，按给定的要求强行励磁，改善系统运行的动态稳定性。
二、同步发电机的励磁方式
同步发电机的励磁方式主要有三种。
1.直流励磁机供电的励磁方式
它是靠机械整流子换向整流的，受换向器电流大小的影响，仅适用于小型同步发电机，我国核电站不存在这种励磁方式。
2.交流励磁机弘整流供电的励磁方式
这种励磁方式是用与发电机同轴的交流励磁机经整流后变为直流电供给发电机励磁；发电机的励磁电流由交流主励磁机交流电源经硅二极管整流或整流柜供给，交流主励磁机的励磁，由三相可控硅整流电路供给，也可采用永磁发电机；由AVR改变可控硅的导通角，根据需要来改变励磁机的输出电压，以达到调节同步发电机励磁电流的目的。该方式比较典型的有二极管无刷励磁系统，我国核电大部分利用无刷励磁机的方式进行励磁。
3.静止电源供电的励磁方式
这类励磁方式的励磁电源取自同步发电机或电力系统本身，也称自励式励磁方式。自并励静止励磁方式是自励式励磁方式中接线最简单的一种，发电机的励磁由接在机端的励磁变压器经可控硅整流后供给，AVR改变可控硅的导通角即可实现励磁调节，励磁变与发电机分相封闭母线的接口在发电机与GCB（出口断路器）之间。
机端静态整流柜的励磁方式与励磁机的励磁方式相比较，静态励磁系统具有以下优缺点：取消了励磁机，缩短了主机轴系长度和汽机房长度，汽轮机组的振动值降低，接线简单，造价低，维护方便且可靠性高；响应速度快。无刷励磁等采用励磁机使得机组设备和尺寸增加，故有较大的迟滞作用，响应速度较慢；静态励磁因为取消励磁机而采用励磁变压器，响应速度快；可实现发电机不停机状态下整流器的维修；需设置调试试验电源和起励回路，因副励磁机（永磁机）可作为起励回路；发电机及其所连接的电力系统运行状态，对励磁系统工作影响较大，发电机机端短路时励磁电源电压严重下降会影响强励；由于静止整流后的电流通过滑环和碳刷导入到旋转的转子绕组上，静态励磁系统需要做好碳刷的运行维护工作，且系统容量受滑环极限容量的限制，而无刷励磁不需滑环和碳刷；静态励磁采用大功率、高电压、可控硅励磁整流柜，必然在励磁变压器交流系统产生大量的谐波；在静态励磁可控硅元件通断换相过程中，不可避免地将产生换相过电压。
三、我国核电站的励磁方式
1.秦山一期核电站
秦山一期核电站是一台上海电机厂制造的300兆瓦汽轮发电机组，运用的是20世纪80年代很成熟的励磁技术，由主励磁机、副励磁机、两套整流柜和两套碳刷组成，主励磁机在发电机和副励磁机的中间，与汽轮机同轴，利用汽轮机拖动转子进行作功，有的地方也称这种方式为三级励磁。副励磁机的转子是永久磁铁，定子产生的三相交流电利用副励磁机整流柜整流为可控的直流电源，通过主励磁机的碳刷和滑环为主励磁机的转子供应励磁电源；主励磁机定子发出的三相交流电源利用主励磁机整流柜整流为可控的直流电源，通过汽轮发电机的碳刷和滑环为发电机的转子供应励磁电源。这种励磁方式受汽轮机组轴系太长、励磁设备过于繁多等因素的影响，在特大型汽轮发电机组上应用得比较少。
2.秦山二期、大亚湾和岭澳一期核电站
如图1所示，汽轮发电机的励磁系统包括副励磁机（永磁机）、副励磁机整流柜、无刷励磁机等，这种励磁方式是参考法国Alstom公司核电汽轮发电机组，与秦山一期的励磁方式相比较，也是有两个励磁机，只是将主励磁机、主励磁机的整流柜、汽轮发电机的碳刷和滑环等设备等效为无刷励磁机，整个励磁系统通过副励磁机的整流柜调节器进行控制。
无刷励磁机的结构原理如图2所示，因为励磁机输出是由转子三相绕组通过安装在转子上的二极管整流桥直接与发电机励磁绕组联接，不是用传统的炭刷和滑环引入，又因励磁机本身结构是定子为磁极，转子布置三相绕组，其输入和输出均没通过炭刷和滑环，所以该励磁机通常被称为无刷励磁机，因此该系统也被称为无刷励磁系统。这种励磁方法相对秦山一期的励磁方式缩短了汽轮机组的轴长、减少了中间控制环节等优势，相对提高了稳定性，但是无刷励磁机不利于在线检修，其中不可控旋转整流器是薄弱环节。无刷励磁机也有碳刷和滑环，碳刷一般为3至6组，它们的作用是执行对发电机转子进行测量、监测和接地等保护功能。
秦山二扩的汽轮发电机的额定容量为733. 33兆伏安，额定励磁电流为 4493安，额定励磁电压为441伏；无刷交流励磁机额定参数为417伏、200赫兹、2484千瓦、3820安，永磁机的额定参数为250伏±15%、400赫兹、90.52千伏安、208安。大亚湾核电站的汽轮发电机的额定功率为900兆瓦，发电机的转子电压569伏、电流5340安；岭澳一期的汽轮发电机的容量为1158兆伏安，发电机励磁电流为5430安。以上核电站的汽轮机组额定转速均为3000转/分钟，永磁机作为启励方式。
3.岭澳二期、红沿河、宁德、福清、方家山、阳江、防城港、田湾核电站
图3表示了励磁变、整流柜、无刷励磁机的励磁方式，励磁变输出的电源，经过调节器和整流器的整流后输出可控的直流电源，为无刷励磁机的定子提供励磁电源。
二代改进型压水堆核电站多采用这种励磁方式，励磁变的电源取自汽轮发电机和发电机的出口断路器之间的分相封闭母线，如图4。岭澳二期的汽轮发电机的容量为1278MVA，发电机励磁电流为5791A；福清和方家山核电站的汽轮发电机组额定有功功率为1150兆瓦，发电机的额定励磁电压为454伏、励磁电流为5861安，励磁变的额定功率为51千伏安、变比为24000伏/220伏，无刷励磁机的定子额定励磁电压为90伏、励磁电流为150安。岭澳二期、福清核电、宁德、阳江、防城港、红沿河、方家山核电站是二代改进型核电机组，汽轮发电机的励磁方式原理和结构相同，包括一个励磁变、一个整流柜、一个无刷励磁机，汽轮机转轴的转速为1500转/分钟，为半速机。
田湾核电是引进俄罗斯的VVER技术，发电机的额定励磁电压为400伏、励磁电流为7600安，励磁变的额定功率为160千伏安、变比为380伏/400伏，无刷励磁机的定子额定励磁电压为37伏、励磁电流为145安。与法国二代改进型相比较，主要有三个不同点：第一，汽轮机转轴的转速为3000转/分钟，为全速机；第二，励磁变的电源取自厂用电380伏，无额外设置的启励回路；第三，励磁机设置了两个完全独立的励磁控制和调节系统（通道），包括独立的励磁交流外部电源、励磁变压器、可控硅整流器、可控硅移相和触发脉冲发生器、自动电压调节器、发电机电流电压测量回路等，两个独立的系统（通道）正常运行时一个工作，一个热备用（空载运行）。
4.秦山第三核电、三门核电和山东核电公司
励磁变压器取自汽轮发电机的出口端，供给整流柜三相交流电源，经整流后，通过碳刷和滑环等为汽轮发电机的转子提供可控的励磁电源，如图5所示。秦山第三核电是引进加拿大的重水堆CANDU项目，汽轮发电机组为日立技术；三门核电和山东核电是引进的三代核电技术西屋AP1000项目，汽轮发电机组为三菱技术。它们的励磁方式和结构相同，汽轮机的转速均为1500转/分钟。
山东核电的汽轮发电机主要参数为：额定有功功率为1250兆瓦，发电机的额定励磁电压为561伏、励磁电流为9265安，励磁变的额定功率为3×5500千伏安、变比为24000伏/1137伏，如图6所示。主要特点：励磁系统包括励磁变压器、励磁调节器、可控硅整流器、起励及灭磁回路四个主要电气部分，励磁调节器控制部分采用了三套相互独立的冗余配置，包括两个容量相同（均为100%容量）的自动调节器和一个100%容量的手动备用调节器，只需一路运行；可控硅整流器按标准n-1冗余原则，设置了六个整流柜；起励回路以残压起励为主，它励起励电源为辅，在可控硅整流器的输入端电压不低于5V时，可实现低残压起励。
参考文献：
[1]GB/T 7409.1-7409.3.同步电机励磁系统[S].
[2]DL/T843-2003.大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件[S].
（责任编辑：刘辉）