同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)滅磁及過電壓保護(hù)技術(shù)發(fā)展方向

1、電氣技術(shù)高研班系列培訓(xùn)教材同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)滅磁及過電壓保護(hù)技術(shù)發(fā)展方向第一章 引言11發(fā)展概況滅磁就是在發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部發(fā)生故障時，在轉(zhuǎn)子絕緣允許的情況下，盡快地將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中勵磁電流所產(chǎn)生的磁場減弱到盡可能小的過程。當(dāng)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部發(fā)生短路或發(fā)電機(jī)出口變壓器出現(xiàn)短路故障時，滅磁可使發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢迅速下降至零，盡可能減少故障造成的損失。八十年代以前國內(nèi)由于發(fā)電機(jī)組容量小，主要是直流勵磁機(jī)勵磁。隨著發(fā)電機(jī)機(jī)組容量的增加，又出現(xiàn)了由直流勵磁機(jī)帶交流勵磁機(jī)，再加二極管整流給發(fā)電機(jī)勵磁的三機(jī)勵磁系統(tǒng)。這兩種勵磁系統(tǒng)的勵磁電源輸出電壓平穩(wěn)，電壓紋波系數(shù)小，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度慢，強(qiáng)勵倍數(shù)小，基本上采用滅磁開

2、關(guān)串聯(lián)滅磁。三機(jī)勵磁系統(tǒng)的滅磁電路接線簡單，滅磁速度較直流勵磁機(jī)系統(tǒng)的要快，因開關(guān)動作次數(shù)少，開關(guān)本身一些問題未能暴露出來。到八十年代，發(fā)電機(jī)單機(jī)容量越來越大，三機(jī)勵磁的缺點越明顯，如發(fā)電機(jī)體積龐大，機(jī)軸長，震動大，造價高，頂值倍數(shù)低，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度慢等等。隨著硅元件技術(shù)的不斷成熟，出現(xiàn)了可控硅靜止勵磁系統(tǒng)即自并勵系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有：功耗小，機(jī)軸短，震動小，廠房小，造價低，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，頂值倍數(shù)大的優(yōu)點。隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加，可控硅快速勵磁系統(tǒng)的采用以及勵磁功率的加大，耗能型的短弧柵片滅磁系統(tǒng)能力不足，滅磁開關(guān)拒動及小電流不能吹弧等問題越來越充分地暴露出來，尤其是上個世紀(jì)八十年代初期，曾多次

3、發(fā)生DM2滅磁開關(guān)燒毀事故，甚至因此而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子燒傷的事故。1983年白山電廠投運(yùn)的300MW水電機(jī)組是當(dāng)時國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組中單機(jī)容量最大，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)最長，陽極電壓最高，采用了可控硅自并勵系統(tǒng)的機(jī)組。轉(zhuǎn)子滅磁是用兩臺DM2-2500型滅磁開關(guān)串聯(lián)滅磁方式。正常滅磁時，滅磁速度快；而強(qiáng)勵、誤強(qiáng)勵時，滅磁速度慢，每次滅磁，滅磁開關(guān)的弧觸頭、滅弧室燒損嚴(yán)重；逆變時，威脅轉(zhuǎn)子絕緣電壓，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿；而由于陽極電壓達(dá)1300伏，換向尖峰電壓可達(dá)4200伏，致使勵磁系統(tǒng)常常出問題，引起誤強(qiáng)勵，導(dǎo)致滅磁開關(guān)動作次數(shù)增加，開關(guān)動作次數(shù)的增加，使得開關(guān)本身的許多問題暴露出來。如開關(guān)機(jī)構(gòu)不

4、可靠，弧觸頭與主觸頭配合不易調(diào)節(jié)，有拒動問題，小電流分?jǐn)嗄芰θ?，吹弧不穩(wěn)定，開關(guān)電流、弧電壓、及滅磁能量不易調(diào)節(jié)，弧觸頭和吹弧室燒損嚴(yán)重，開關(guān)動作后必須進(jìn)行處理等。為了解決自并勵系統(tǒng)中串聯(lián)滅磁的滅磁電壓不穩(wěn)定的問題，到1984年，提出了并聯(lián)滅磁方式。并聯(lián)滅磁的滅磁電壓不再受勵磁電源電壓波動的影響，而直接由吸能元件的殘壓決定。開關(guān)僅用作開斷勵磁電源，故又稱之為直流斷路器或磁場斷路器。要求開關(guān)開斷時建立的弧電壓應(yīng)大于勵磁電源電壓和滅磁殘壓之和。否則將無法斷開勵磁電源，將轉(zhuǎn)子電流迫入吸能元件中，導(dǎo)致燒開關(guān)。從84年至94年這十年時間，基本上完成了從串聯(lián)滅磁到并聯(lián)滅磁的轉(zhuǎn)換。為了解決DM2滅磁開關(guān)小電

5、流分?jǐn)嗄芰θ?，吹弧不穩(wěn)定，開關(guān)弧電壓不易調(diào)節(jié)，弧觸頭和吹弧室燒損嚴(yán)重，開關(guān)動作后必須進(jìn)行處理等問題，到八十年代中期，提出了可控硅電子開關(guān)換流開斷方式和熔斷器開斷方式及DM4型磁場斷路器加氧化鋅非線性電阻的滅磁方法。自八十年代中期至九十年代中期，一直圍繞著開關(guān)、熔斷器問題進(jìn)行探討，而對滅磁和過電壓問題的討論趨于低調(diào)。但在這段時間內(nèi)，許多機(jī)組出現(xiàn)過非全相異步運(yùn)行，燒毀滅磁元件。還發(fā)現(xiàn)了可控硅整流時換相尖峰過電壓對勵磁系統(tǒng)造成故障的現(xiàn)象。94年至98年，解決了非全相保護(hù)和換相尖峰過電壓的吸收問題。98年又出現(xiàn)了多臺自并勵機(jī)組事故滅磁時，燒毀DM4開關(guān)的現(xiàn)象。99年1月5日國家勵磁協(xié)會在上海召開會議，

6、專題討論三峽水電站發(fā)電機(jī)滅磁問題。三峽水電站發(fā)電機(jī)的陽極電壓為1500伏，勵磁繞組已按現(xiàn)行絕緣標(biāo)準(zhǔn)訂制，如何解決陽極電壓、開關(guān)弧電壓和轉(zhuǎn)子繞組的絕緣之間的矛盾？開關(guān)如何選擇？會上提出將交流滅磁方式作為2000年的攻關(guān)項目。99年10月17日在合肥召開了交流滅磁研討會，會議期間與會者觀看了交流滅磁的試驗，肯定了交流滅磁方案的可行性。1 2轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)的基本要求和參數(shù)121基本名詞吸能元件是指發(fā)電機(jī)滅磁過程中主要消耗轉(zhuǎn)子繞組貯能的器件。滅磁能量是指在滅磁過程中吸能元件能夠消耗的能量數(shù)。滅磁時間是指從發(fā)電機(jī)開始滅磁到定子電壓下降到定子額定輸出電壓的百分之五的時間。荷電率是指長期加在吸能元件上

7、的最高電壓與其U10mA之比值。當(dāng)荷電率在75%以下，非線性電阻可長期工作。尖峰率是指在可控硅勵磁方式中，勵磁電源由于可控硅換相產(chǎn)生的尖峰電壓與其陽極電壓峰值之比。殘壓是指非線性電阻中流過某一電流Imax時，在線性電阻元件兩端產(chǎn)生的電壓峰值Umax。動作壽命是指吸能元件在正常滅磁過程中，允許滅磁的次數(shù)。一次回路是指勵磁主回路。二次回路是指信號回路或控制回路。非線性系數(shù)是指在非線性電阻的伏安特性曲線中，某一區(qū)域內(nèi)靜態(tài)電阻與動態(tài)電阻的比值?？梢员磉_(dá)非線性電阻的電流隨電壓指數(shù)性變化的情況。漏電流是指在非線性電阻上兩端加上其50%U10mA電壓時，非線性電阻過電壓保護(hù)性能。U10mA是指當(dāng)非線性電阻上

8、流過10mA電流時，在非線性電阻兩端產(chǎn)生的電壓。122轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)的基本要求根據(jù)在任何情況下，過電壓不得超過轉(zhuǎn)子絕緣電壓的0.65倍的原則，對轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)的基本要求如下：（一） 滅磁能量要充分，動作壽命長；應(yīng)能允許在最危險的情況下使用1000次以上。（二） 最大過電壓應(yīng)小于0.65倍轉(zhuǎn)子絕緣電壓。（三） 元器件長期工作壽命應(yīng)在20年以上。（四） 滅磁時間盡可能的短。（五） 開關(guān)應(yīng)能可靠開斷，即開關(guān)建立的弧電壓與勵磁電源電壓之壓差，應(yīng)大于吸能元件的殘壓；一般高200伏左右。（六） 吸能元件的殘壓應(yīng)大于3.5倍勵磁電源電壓。（七） 過電壓保護(hù)值應(yīng)小于0.9倍功率管的耐壓值。（八）

9、一次回路與二次回路的耐壓應(yīng)大于轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電壓。對于可控硅靜止勵磁系統(tǒng)而言，還應(yīng)有：（九） 吸能元件在逆變時的負(fù)半周電壓下也應(yīng)能長期運(yùn)行，即荷電率小于0.5。（十） 應(yīng)將尖峰率壓縮在1.5以內(nèi)。123滅磁及過電壓保護(hù)的基本參數(shù)：滅磁及過電壓保護(hù)的基本參數(shù)主要有下列：（一） 滅磁能量；（二） 滅磁時間；（三） 殘壓；（四） 尖峰率；（五） 正、反向荷電率；（六） 一、二次回路的耐壓；（七） 吸能元件的漏電流；（八） 吸能元件的非線性系數(shù)；（九） 殘壓比。第二章 轉(zhuǎn)子過電壓的來源21、轉(zhuǎn)子過電壓的分類發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中受到較大的擾動時，靜止勵磁的同步發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子勵磁繞組上可能產(chǎn)生正向過電壓或反向過

10、電壓。通常當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)兩相、三相突然短路、失步、非同期合閘、滅磁、非全相運(yùn)行時，由于發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)會使轉(zhuǎn)子電流發(fā)生劇烈擺動。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流企圖擺至負(fù)方向而被硅元件截止時，在轉(zhuǎn)子勵磁繞組內(nèi)可能感應(yīng)很高的正向過電壓，威脅硅元件以及轉(zhuǎn)子勵磁繞組絕緣的安全。靜止可控硅勵磁電源會因可控硅管的關(guān)斷出現(xiàn)換相尖峰過電壓。從交流側(cè)通過勵磁變壓器和氣隙傳遞過來的有大氣過電壓、電網(wǎng)操作過電壓也會出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中。轉(zhuǎn)子過電壓主要分類為：（一） 滅磁過電壓。過電壓的時間短，持續(xù)時間不長，能量較大且集中，目前已得到相當(dāng)重視和熟悉。（二） 可控硅換相尖峰過電壓.其時間極短，持續(xù)時間長，能量小。它是一些機(jī)組誤強(qiáng)勵、誤失磁的根本

11、原因，必需采取保護(hù)措施。（三） 非全相及大滑差異步運(yùn)行過電壓。過電壓劇烈，持續(xù)時間不定，能量無法估計。這種運(yùn)行狀況出現(xiàn)較少，但危害很大，應(yīng)引起重視。22滅磁過電壓及其保護(hù)在發(fā)電機(jī)的內(nèi)部發(fā)生故障時均提出滅磁的要求。簡單的辦法是盡快切斷勵磁電源。但由于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組具有很大的電感。斷開電源時在其兩端會引起很高的電壓，可能造成繞組絕緣被擊穿的危險，這種過電壓稱為滅磁過電壓。 由于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是個大電感，斷開電源的同時，為轉(zhuǎn)子繞組提供一個電流回路，使得轉(zhuǎn)子繞組中儲存的能量能在這個回路中衰滅，同時限制轉(zhuǎn)子繞組兩端的電壓。這就是滅磁過電壓保護(hù)的原理。 滅磁過電壓保護(hù)的設(shè)計，首先需對可能出現(xiàn)的各種

12、故障下的滅磁，進(jìn)行磁場能量的計算，將其中最大磁場能量定為選擇非線性電阻能容量的依據(jù)。最大滅磁能量計算的準(zhǔn)確是滅磁裝置設(shè)計的關(guān)鍵，滅磁時間的快慢是判斷滅磁裝置優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。選擇最佳滅磁電壓，可得到最短滅磁時間。 目前的滅磁元件主要有線性電阻、碳化硅非線性電阻、氧化鋅非線性電阻。221線性電阻滅磁假設(shè)定子繞組開路，且不計飽和和阻尼繞組的影響時，勵磁電流If將按下列規(guī)律衰減，If=Ifoe-Im/Tm Tm=Lf/(Rf+Rm) Tm=Tf/(1+k)式中 If-勵磁電流； tm-滅磁時間；Ifo-滅磁時的起始電流；Tm-滅磁時間常數(shù)； Tf-勵磁繞組時間常數(shù)； Lf-勵磁繞組的自感Rf-勵磁繞組

13、的電阻；Rm-線性電阻。 滅磁時間常數(shù) Tm與線性電阻Rm有關(guān)，從加速滅磁過程來看， Rm 愈大，對滅磁愈有利。但Rm 愈大，滅磁時的起始電壓IfoRm也愈高，可能引起過電壓。因此，假定勵磁繞組兩端所容許的最高電壓為Ufm，則必須 IfoRmUfm即 RmUfm /Ifo= （Ufm/ Uf）/Rm=kRf如k=5，則tm=0.77Tf。線性電阻的伏安特性曲線如圖221a中的曲線3。線性電阻滅磁的缺點是：滅磁電壓隨轉(zhuǎn)子電流的衰減而線性下降，滅磁速度較低，保護(hù)效果不好，不能滿足更高的要求，因而只能用于中等容量的機(jī)組。2U1U3U圖221a222非線性電阻非線性系數(shù)是描述壓敏電阻非線性程度的電參數(shù)

14、.通過實驗可以建立起電流與電壓的函數(shù)關(guān)系,從中可以看出非線性的強(qiáng)弱。取一非線性電阻，在其兩端施加脈沖電壓（脈沖寬度應(yīng)窄到不使非線性電阻發(fā)熱為宜），記錄各電壓值對應(yīng)的電流值，繪制在方格紙上，用平滑的曲線連接各點，即可得該非線電阻伏安特性曲線。在曲線上取一點A（U，I），作該點切線。A點的電壓與電流的比值U/I=Rc,稱為該點的靜態(tài)電阻，該點切線的斜率dU/dI=Rd稱為該點的動態(tài)電阻。稱靜態(tài)電阻與動態(tài)電阻的比值Rc/Rd=為非線性系數(shù)。=Rc/Rd=U/I/dU/dI=dI/I/dU/U或dI/I=dU/U兩邊積分dI/I=dU/U得：lnI=lnU+C1 令C1=-lnU則：lnI=lnU-l

15、nC=ln(U/C) 或I=（U/C） 由上式可知，非線性電阻在A點附近的電流變化范圍由參數(shù)和C值決定，該式是由非線性電阻伏安特性的近似式。值越大，壓敏特性越好，非線性越顯著。但在電流變化很寬的范圍內(nèi)，值并不是一個常數(shù)。一般情況下，在小電流和大電流端，值均有下降。人們常用10mA電流作為非線性電阻的電流隨電壓陡峭上升標(biāo)志，并將此對應(yīng)的電壓值稱為壓敏電壓，寫成U10mA。而在大電流脈沖情況下，人們常用殘壓來說明非線性電阻的伏安特性。一般情況用殘壓比來衡量非線性電阻的過壓保護(hù)性能。非線性系數(shù)越大，非線性越強(qiáng)，殘壓比就越小，過電壓保護(hù)性能就越好。滅磁中常見的非線性電阻有SIC非線性電阻和ZNO非線性

16、電阻。它們的伏安特性曲線與線性電阻的伏安特性如圖221a中的2和1.（一）SIC非線性電阻SIC非線性電阻伏安特性曲線如圖221a曲線2,由于SIC非線性電阻的非線性系數(shù)值?。?4），漏電流大，直接接在電路中作為保護(hù)元件,消耗功率大，需強(qiáng)迫風(fēng)冷。所以一般情況下SIC非線性電阻作為保護(hù)元件，不直接接在電路中,而是通過接觸器、開關(guān)、可控硅器件等設(shè)備進(jìn)行切換。SIC非線性電阻的滅磁時間為理想滅磁時間的4/3倍。用可控硅器件進(jìn)行切換時，一旦過電壓使可控硅導(dǎo)通，SIC非線性電阻動作，可控硅無法自行關(guān)斷。必須加一套復(fù)雜的過電壓動作檢測，發(fā)現(xiàn)SIC非線性電阻動作后，還必須有一套繼電器動作，使全控橋作短期逆變

17、，以關(guān)斷可控硅，然后再使全控橋退出逆變。此外，還必須檢測全控橋逆變是否成功，不成功者還必須指示發(fā)停機(jī)。整套設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且逆變和停機(jī)的要求是電廠無法接受的。（二）ZNO非線性電阻ZNO非線性電阻是一種由陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的材料。它的工作電壓、電流可通過元件的尺寸來調(diào)整，具有制造工藝簡單、成本低廉的優(yōu)點ZNO非線性電阻的伏安特性曲線如圖221a曲線1，ZNO非線性電阻的非線性系數(shù)值越大（=20），在同一工作電壓下，其漏電流比SIC非線性電阻的好，而在大電流沖擊下，ZNO非線性電阻的穩(wěn)壓性能比SIC非線性電阻的好。故一般情況下，可直接接在電路中作為保護(hù)元件，兼有優(yōu)良的轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)功能。

18、由于ZNO非線性電阻漏電流小，如果加在可控硅器件進(jìn)行切換，當(dāng)過電壓過去以后，隨著加在ZNO非線性電阻上電壓跌落，通過可控硅的電流迅速減小到其維持電流以下，使得可控硅自行關(guān)斷。故用ZNO非線性電阻作為吸能元件的滅磁裝置，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)。氧化鋅非線性電阻的伏安特性曲線比碳化硅非線性電阻特性曲線更加平穩(wěn)。這意味著，滅磁時，氧化鋅非線性電阻能將滅磁過電壓限制在一個更平穩(wěn)的范圍內(nèi)，幾乎為恒壓。滅磁時，氧化鋅非線性電阻導(dǎo)通電壓變化很小，可近似看成常數(shù)U1（U1既是閥片的殘壓）如不考慮阻尼和飽和作用，轉(zhuǎn)子電感可看成一常數(shù)L，轉(zhuǎn)子電流下降率di/dt=U1/L為常數(shù)，轉(zhuǎn)子電流是直線下降的。所以氧化鋅非

19、線性電阻滅磁時間要快得多，這在事故滅磁時尤為重要。23整流柜可控硅換相尖峰過電壓及其保護(hù)在靜止可控硅勵磁系統(tǒng)中，勵磁電源輸出的大小由可控硅的導(dǎo)通角控制。在可控硅換相關(guān)斷過程中，由電路中激發(fā)起電磁能量的互相轉(zhuǎn)換和傳遞，其直流側(cè)產(chǎn)生了尖峰過電壓，該尖峰過電壓的峰值可達(dá)陽極電壓的三倍左右，容易引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軟擊穿事故，甚至引起器件燒毀和停機(jī)事故?？煽毓鑴畲烹娫闯霈F(xiàn)誤強(qiáng)勵和誤失磁的幾率比二極管整流電源高得的多，這主要是由于可控硅換相時產(chǎn)生的尖峰過電壓引起的。當(dāng)可控硅觸發(fā)角與重疊角之和，為500左右時，尖峰過電壓UP最大。定義=UP/2 Uac為尖峰率，其中UP為尖峰過電壓的峰值電壓，Uac為陽極電壓的有

20、效值。對未加尖峰過電壓保護(hù)的幾十臺大小機(jī)組（40MW至300MW）的測試表明，其尖峰率為2倍左右，即UP3Uac,設(shè)轉(zhuǎn)子繞組絕緣電壓為U絕，勵磁電源輸出額定電壓為Ud,對于非可控硅勵磁電源，電壓波動率UP/Ud=1,絕緣安全系數(shù)U絕/Ud10。對于靜止可控硅勵磁電源，當(dāng)Ud和U絕均與對于非可控硅勵磁電源相當(dāng)時，由于Ud還不到其陽極電壓Uac一半，所以它的電壓波動率UP/Ud6，緣安全系數(shù)U絕/Ud2。兩種勵磁電源絕緣安全系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，當(dāng)然運(yùn)行可靠性降低。由于靜止可控硅勵磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子絕緣裕度不夠，引起轉(zhuǎn)子絕緣劣化加速，故障疊起。對于換相尖峰電壓引起的勵磁故障，由于過電壓時間短（僅幾微秒），能量小

21、（幾個焦耳），一般對絕緣形成不了直接擊穿，多為閃絡(luò)放電，形成非金屬擊穿，事故后絕緣能恢復(fù)，故障點不易查找。對于可控硅微秒級上升前沿的尖峰電壓來說，通過變壓器高低壓線圈的匝間雜散電容耦合也可產(chǎn)生感應(yīng)過電壓或反射波疊加過電壓。在脈沖變壓器的一側(cè)是可控硅幾千伏的高壓電位，另一側(cè)是十幾伏的低壓電子線路，稍有一點電位擾動，就會從高壓側(cè)傳到低壓側(cè)，引起電子線路的紊亂。這種在高低壓懸殊的連接點、隔離點產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓也是非可控硅電源沒有的，所以勵磁故障多從脈沖變處產(chǎn)生、發(fā)展。對不動聲色這種過電壓曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)脈沖變發(fā)生擊穿，引起多次誤強(qiáng)勵和失磁故障。但更多的是故障發(fā)生后找不到脈沖變的擊穿點。對于上述問題應(yīng)當(dāng)采用兩

22、種方法來解決。一是削去、尖峰過電壓，使尖峰率降至15倍下。方法是在可控硅勵磁電源的直流側(cè)加裝尖峰吸收器，可使安全系數(shù)U絕/Ud2。二是提高脈沖變的絕緣等級，將脈沖變絕緣電壓為陽極電壓的3-4倍提高到8倍以上。這兩種方法曾被白山電廠等單位采納，十多年再未發(fā)生過此類事故。以上方法僅僅是局部和一定范圍內(nèi)的改進(jìn)，要徹底解決問題，建立一個適應(yīng)可控硅勵磁系統(tǒng)的新的可靠的絕緣規(guī)范是必要的。尖峰過電壓必須引起充分的重視，對已運(yùn)行的機(jī)組，可加強(qiáng)尖峰電壓的吸收，并對薄弱的局部加強(qiáng)絕緣，但最終應(yīng)該用新的可靠的規(guī)范來解決問題。對汽輪發(fā)電機(jī)組采用可控硅整流電源的問題應(yīng)慎重，因為提高汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣等級難度較大而且可

23、靠性要求更高。24非全相及大滑差異步運(yùn)行過電壓及其保護(hù)發(fā)電機(jī)組在投合和脫離電網(wǎng)時，因開關(guān)原因出現(xiàn)非全相運(yùn)行是可能的，近年來國內(nèi)就出現(xiàn)過數(shù)次。由于誤操作，發(fā)電機(jī)在大滑差下異步運(yùn)行也會發(fā)生。在這兩種工況下，定子負(fù)序電流產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)磁場以兩倍轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生很強(qiáng)的轉(zhuǎn)子過電壓。其能量來源于電網(wǎng)和機(jī)械能轉(zhuǎn)換，該能量透過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子中，。由于時間不定，這部分能量可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滅磁能量，閥片將全部損壞，與閥片串聯(lián)的熔斷器連續(xù)熔斷，最后一路熔斷時將產(chǎn)生過電壓，并將轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿。既使熔斷器產(chǎn)生的過電壓示擊穿轉(zhuǎn)子繞組（或不配備閥片保護(hù)），反轉(zhuǎn)磁場的感應(yīng)電勢也可能擊穿轉(zhuǎn)子繞組。因此有必要對非全相及大滑差異

24、步運(yùn)行工況下的過電壓進(jìn)行保護(hù)，其作用是當(dāng)出現(xiàn)上述工況時，將轉(zhuǎn)子繞組兩端的電壓牢牢地限制在安全的電壓范圍內(nèi)，確保轉(zhuǎn)子電流有一流通的通道。由于該電流的流過，轉(zhuǎn)子繞組中會產(chǎn)生相反的磁場，抵消定子負(fù)序電流產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)磁場，在一定程度上保護(hù)轉(zhuǎn)子表面及護(hù)環(huán)不至于燒壞。第三章 轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)的發(fā)展過程31、串聯(lián)滅磁方式1984年以前發(fā)電機(jī)滅磁裝置多采用吸能元件與勵磁電源和轉(zhuǎn)子繞組在一個串聯(lián)回路中，稱之為串聯(lián)滅磁方式，又稱滅磁開關(guān)滅磁或滅弧滅磁。相距3-5mm金屬極板間的電弧的電壓降，能夠在電流變化很大的范圍內(nèi)幾乎保持不變（約30-50伏），滅弧柵就是利用柵片間電弧電阻的這種非線性制成的滅磁裝置，其基本接

25、線原理圖如31a，圖中為整流勵磁電源，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；FMK為帶滅弧柵的滅磁開關(guān),開關(guān)用來切斷勵磁電源的供電回路,滅弧柵用來吸收能量,LQ為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。 2 FMK 1 LP LP 3.1a 工作原理：正常工作時，滅磁開關(guān)FMK主觸頭1和滅弧觸頭2均閉合上，勵磁電源LP給轉(zhuǎn)子繞組LQ勵磁；滅磁時，先斷開主觸頭，后斷開滅弧觸頭。當(dāng)滅弧觸斷開時，轉(zhuǎn)子勵磁繞組可等效為電感Lf和電阻Rf的串聯(lián)，勵磁電源的勵磁電壓為Uo。滅磁時起始電流Ifo，由于電感上電流不能突變，該電流仍等于滅磁前的勵磁電流，即Ifo=Uo/Rf,由于是串聯(lián)滅磁方式，滅磁中勵磁繞組端電壓Ui與開關(guān)電壓UK及勵磁電源電壓

26、Uo的關(guān)系為：UI=Uk-Uo，因滅磁開關(guān)的短弧陰極效應(yīng)，在電流由大到小變化范圍內(nèi)，開關(guān)兩端的電壓UK變化很小。但滅磁開關(guān)維持恒壓的特性并不能直接維持轉(zhuǎn)子繞組端電壓的穩(wěn)定，還需取決于勵磁電源電壓Uo的狀況。 當(dāng)勵磁電源為輸出電壓波形平穩(wěn)且變化緩慢的直流勵磁機(jī)時，因UO變化不大，尚可近似為“理想滅磁”。此時，假設(shè)定子繞組開路，且不計飽和阻尼繞組的影響時，勵磁電流由滅磁時的起始值Ifo衰減到零所需的滅磁時間Tm為：TmTfln(1+1/k) k=Ufm/Uo其中Uo-勵磁電壓；Ufm-勵磁繞組兩端所允許的最高電壓；k-過電壓倍數(shù)Tm-為滅磁時間；Tf-為發(fā)電機(jī)勵磁繞組的時間常數(shù)；Ifo-為滅磁時的

27、起始電流。當(dāng)勵磁方式變化時，尤其是采用可控硅靜止勵磁系統(tǒng)后，情況就不同了。這種勵磁電源輸出電壓的特點是：電壓紋波系數(shù)大（交流成份幅值高），電壓變化快，電壓調(diào)節(jié)變化范圍大，甚至可由正幾倍（強(qiáng)勵）到負(fù)幾倍（強(qiáng)減）額定勵磁電壓變化。在這種勵磁方式下，滅磁過程中維持開關(guān)壓降Uk不變與“理想滅磁”中維持勵磁繞組端電壓Ui不變已完全是兩碼事了。由于串聯(lián)滅磁在滅磁過程中勵磁電源、滅磁開關(guān)與轉(zhuǎn)子繞組仍然構(gòu)成回路，勵磁電源工況不但可以影響滅磁過程中勵磁繞組的端電壓，而且在滅磁過程中繼續(xù)輸出電能，滅磁開關(guān)不但要消耗轉(zhuǎn)子繞組貯存的磁場能量，而且還要吸收勵磁電源繼續(xù)提供的能量，這無疑增加了開關(guān)的負(fù)擔(dān)。況且勵磁電源提供

28、的這部分能量并不是一個確定的數(shù)值，它取決于勵磁電源的工況，在某些工況下，這部分能量甚至超過轉(zhuǎn)子繞組貯存的能量。另外，滅磁開關(guān)還存在著分?jǐn)嘈‰娏髂芰θ?、機(jī)構(gòu)動作不可靠，有時拒動、吹弧不穩(wěn)定、弧觸頭和吹弧室燒損嚴(yán)重、開關(guān)動作后絕緣水平下降，動作后必須進(jìn)行處理以及開關(guān)電流、弧電壓、能容不能調(diào)節(jié)等問題。32并聯(lián)滅磁及其開斷方式321并聯(lián)滅磁為了解決串聯(lián)滅磁的滅磁電壓不穩(wěn)定的問題，1984年，提出了并聯(lián)滅磁方式。并聯(lián)滅磁方式是指吸能元件與勵磁電源和轉(zhuǎn)子繞組組成一個并聯(lián)回路。在滅磁開始后，迅速切斷了勵磁電源與勵磁繞組及吸能元件的聯(lián)系，因而避免了串聯(lián)滅磁方式中出現(xiàn)的勵磁電源電壓變化影響滅磁速度和滅磁能量的問

29、題。其基本接線原理圖如下圖所示。LP勵磁電源，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；FMK為滅磁開關(guān)，在滅磁時用于切斷勵磁電源；XR為吸能元件，滅磁時用來吸收轉(zhuǎn)子中的儲能；LQ為轉(zhuǎn)子繞組。 FMK LP XR LQ Lf Rf工作原理：正常工作時，滅磁開關(guān)FMK閉合，勵磁電源LP給轉(zhuǎn)子繞組LQ勵磁；滅磁開關(guān)FMK跳開，切斷勵磁電源LP給轉(zhuǎn)子繞組LQ的勵磁回路，因轉(zhuǎn)子繞組LQ中所儲能量被XR消耗。并聯(lián)滅磁的特點在于：由吸能元件直接控制滅磁過程中的勵磁繞組端電壓，而與勵磁電源電壓變化與否無關(guān)。在并聯(lián)滅磁方式中，常見的吸能元件有線性電阻、SiC非線性電阻和ZnO非線性電阻等。3.2.2并聯(lián)滅磁直流回路開斷方式并

30、聯(lián)滅磁直流回路有多種開斷方式1）、熔斷器開斷方式熔斷器開斷方式是由于滅磁開關(guān)存在以下問題而提出的改進(jìn)方案。a) 滅磁開關(guān)不能建立足夠的弧電壓，迫使能量轉(zhuǎn)移到非線性電阻上。b) 可控硅勵磁電源電壓的波動使滅磁開關(guān)特性不能和非線性電阻特性很好地配合。c) 小電流時滅磁開關(guān)的串聯(lián)磁吹減弱，不能建立足夠的弧電壓，以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。 K LFRRD 上圖是這種滅磁方案的原理圖。當(dāng)系統(tǒng)或發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時需切除勵磁電源時，自動滅磁開關(guān)分閘，建立幾十伏的弧電壓，將電流轉(zhuǎn)入熔斷器中，經(jīng)幾到一百多毫秒延時后，熔斷器的熔體開始熔斷，產(chǎn)生高電壓，導(dǎo)通非線性電阻，而熔斷器熔體熔斷后勵磁電源被切斷，轉(zhuǎn)子的磁場能量由非線性電

31、阻吸收。該方案的好處是：（一） 結(jié)構(gòu)簡單、性能良好、造價便宜、動作可靠。（二） 熔斷器能在幾到一百多毫秒的時間里產(chǎn)生高電壓，可靠分?jǐn)嚯娐?，將磁場能量迫入非線性電阻中，彌補(bǔ)了滅磁開關(guān)弧壓較低、弧壓不穩(wěn)定及不能和非線性電阻很好配合的缺陷。（三） 電路的公斷任務(wù)主要由熔斷器承擔(dān)，滅磁開關(guān)消耗的能量極小，分?jǐn)鄷r無弧光、無聲響，弧室壁的弧跡很小，不需每次清理開關(guān)。開關(guān)只要有足夠的通流和耐壓，在分?jǐn)鄷r能產(chǎn)生幾十伏的電壓即可做滅磁開關(guān)使用。增加了開關(guān)選擇的靈活性。（四） 可選擇不同的熔體長度來滿足調(diào)節(jié)熔斷器的熔斷弧壓的要求。該方案的缺點是：滅磁動作后需手動更換熔斷器，雖與DM2開關(guān)滅磁后需清理的工作量比省時

32、省力，但畢竟需人去更換，換流能否成功，還要依賴機(jī)械開關(guān)的動作可靠性，若開關(guān)拒動，則無法滅磁。對于要求自動化程度較高或無人值守的實施，這一方案的應(yīng)用將會受到限制。84至94年，由于開關(guān)問題，該方案作為臨時措施，我國有幾百臺機(jī)組使用該方案。2）、電子開關(guān)開斷方式。事故時真空放電管導(dǎo)通，早已充好電的電容向可控硅p1放電，p1快速關(guān)斷，轉(zhuǎn)子兩端感應(yīng)的高電壓使非線性電阻導(dǎo)通滅磁。KP1CFDGFMKLFR主要特點是：（） 滅磁無響聲、無弧光；（） 無機(jī)械開關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)卡拒動等問題。存在的主要問題是：（） 可控硅長期通流發(fā)熱，須通風(fēng)冷卻，通風(fēng)系統(tǒng)故障也使系統(tǒng)不能正常工作。（） 此開關(guān)無明顯的斷口，結(jié)線復(fù)雜，檢

33、修維護(hù)不夠方便。（） 長期帶高電壓（約）的充電電容裝在電氣二次設(shè)備的柜子中，不利于二次設(shè)備及檢修人員的人身安全。3）、熱敏元器件（PTC）滅磁方案 PTC與磁場開關(guān)斷口并聯(lián)，滅磁時在PTC兩端產(chǎn)生較高的電壓，若滅磁開關(guān)拒動，PTC滅磁方案將不起作用。33 94年至98年，解決了非全相保護(hù)和換相尖峰過電壓的吸收問題。目前國內(nèi)94年發(fā)明的專利產(chǎn)品（專利號：ZL 94 2 18823.3）非全相及大滑差異步運(yùn)行過電壓保護(hù)器在全國各大中型發(fā)電機(jī)組已得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)非全相及大滑差異步運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生劇烈的過電壓。此時非全相保護(hù)器能可靠地限制轉(zhuǎn)子繞組上的過電壓，并確保轉(zhuǎn)子繞組電流通過

34、非全相保護(hù)器有一條流通通路而不至于開路，且由于該電流的作用，轉(zhuǎn)子繞組將上產(chǎn)生一相反磁場，抵消定子負(fù)序電流產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)磁場，保護(hù)轉(zhuǎn)子表面及護(hù)環(huán)不至于燒損。有效地避免了發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)非全相及大滑差異步運(yùn)行時對發(fā)電機(jī)組造成的危害，對于滅磁氧化鋅電阻及轉(zhuǎn)子絕緣起到了很好的保護(hù)作用。 對于可控硅整流勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)的尖峰過電壓，在勵磁功率柜交流側(cè)加裝浪涌吸收器吸收交流側(cè)過電壓，在勵磁電源直流側(cè)加裝尖峰過電壓吸收器吸收電源側(cè)尖峰過電壓。尖峰過電壓吸收器（專利號：ZL 94 2 17545.X）采用高能氧化鋅閥片與阻容串聯(lián)組合而成，充分利用氧化鋅的非線性伏安特性，將電壓限制在一定范圍內(nèi)的特點，同時考慮到尖峰電壓的能

35、量分布，利用電容兩端電壓不能突變的特點，將尖峰電壓的前段高電壓部分的能量吸收在SPA尖峰吸收器的氧化鋅組件中，從而使得尖峰吸收器能有效地吸收可控硅整流橋直流側(cè)換相尖峰過電壓，將尖峰過電壓限制在安全范圍內(nèi)，大大減少了換相尖峰過電壓對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的破壞作用。隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加，可控硅快速勵磁系統(tǒng)的采用以及勵磁功率的加大，滅磁系統(tǒng)因換流不成功，導(dǎo)致滅磁開關(guān)燒毀，發(fā)電機(jī)跳閘的事故時有發(fā)生，有的雖未發(fā)生事故，但在某種工況下也存在換流不成功的隱患。滅磁系統(tǒng)可靠性的問題，不得不再次提到日程上來。近年來，人們在研究解決換流不成功的問題上做了很多有益的探討和嘗試，盡管方案種類繁多， 但效果并不理想，其主要原因

36、之一就是直流電流的開斷實在是比交流電流開斷難得多。如果能把交流電流過零點熄弧的原理用在直流電流的開斷中，那問題就變得簡單多了。1999年安徽凱立科技股份有限公司提出交流電壓滅磁方案，同年十月在合肥召開了交流滅磁研討會，肯定了交流電壓滅磁的可行性。34 交流滅磁技術(shù)341、交流滅磁的基本原理交流滅磁的一次原理電路圖如圖1所示，滅磁時需要通過一中間繼電器的分閘動作去切除勵磁電源的可控硅觸發(fā)脈沖（簡稱拉脈沖），然后跳滅磁開關(guān)。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是具有儲能的大電感，其釋能的時間常數(shù)為幾秒量級，拉脈沖后。它相當(dāng)于一直流恒流源，也就是使勵磁電源的可控硅始終有兩只導(dǎo)通、四只關(guān)斷；由于可控硅觸發(fā)脈沖被切除，四只關(guān)

37、斷的可控硅管不會導(dǎo)通，但因轉(zhuǎn)子的直流恒源作用，兩只導(dǎo)通的可控硅始終導(dǎo)通，且不可控；又因該直流恒流源的輸出為單方向直流，兩只導(dǎo)通的可控硅在此僅相當(dāng)于導(dǎo)體。這就使用在與勵磁電源輸入端相連接的三相支路中有兩相電流流過，一相無電流，在此過程中，三相勵磁變壓器只相當(dāng)于單相交流電壓源，其輸出僅為單相正弦波電壓，此時，勵磁電源相當(dāng)于一交流恒壓源，拉脈沖以后的電路圖可以等效為如圖2所示。這樣電流回路由于上述單相交流恒壓源與轉(zhuǎn)子形成的直流恒流源串聯(lián)而形成閉合回路。當(dāng)交流滅磁開關(guān)開斷時，就使得交流開關(guān)的斷口處產(chǎn)生弧壓。利用上述交流開關(guān)斷開時的弧壓和勵磁變壓器所輸出的單相交流電壓的疊加，當(dāng)滿足條件時，轉(zhuǎn)子電流全部切

38、換到ZNO中，隨即使開頭斷口點熄弧開關(guān)開斷成功，這樣就將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲存的磁能經(jīng)ZNO釋放，完成快速滅磁。在交流滅磁中，滅磁開關(guān)可以使用直流斷路器，也可以使用交交流開關(guān)。方案之一如圖所示，將開關(guān)放在可控硅直流側(cè)。方案之二如下圖所示，開關(guān)在交流進(jìn)行控制。一般情況下二者滅磁效果相同，但是圖3方案存在下問題：1）當(dāng)發(fā)生可控硅擊穿時，即使開關(guān)K開斷，由于可控硅續(xù)流，仍然無法正常滅磁。2）當(dāng)系統(tǒng)具有起勵設(shè)備、電制動時，實現(xiàn)起勵與正常滅磁的切換相對困難。3）由于交流開關(guān)一般為四斷口，圖3方案實際具有建弧作用的只有兩個斷口，當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部、出口、勵磁變等故障時，由于弧壓較低，無法實現(xiàn)正常滅磁。而圖1方案為四

39、個斷口串聯(lián)，弧壓相對較高，滅磁的可靠性要大的多。所以一般情況下采用圖1方案比較可靠。 3.4.2 實驗室實驗 1999年10月份，在合肥召開了關(guān)于交流滅磁的技術(shù)研討會，與會專家及技術(shù)人員對交流滅磁理論進(jìn)行了進(jìn)一步的分析探討，對其可行性進(jìn)行了論證。為了進(jìn)一步驗證交流滅磁理論，同時證明在大型同步發(fā)電機(jī)自并勵系統(tǒng)中運(yùn)用交流滅磁，在各種工況下都能使ZnO可靠滅磁，會議期間在合肥凱立公司實驗室進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。試驗的接線圖如圖5所示。試驗分四步進(jìn)行，在四種工況下分別測試了勵磁電壓（U0）、勵磁電流（I2）、開關(guān)弧壓（UK）、滅磁電流（I1）、轉(zhuǎn)子電流（I2）、轉(zhuǎn)子電壓（U1）六個參數(shù)的數(shù)據(jù)波形圖。由波形圖

40、可以分析出各種工況下的滅磁過程。a. 只拉脈沖，不跳滅磁開關(guān)：ZnO的殘壓小于陽極電壓的峰值，直接利用交流負(fù)半波電壓將轉(zhuǎn)子電流全部切換到ZnO中。由試驗波形（圖6）可以看出拉脈沖后勵磁電源的第一個負(fù)半波時，隨著勵磁電源電壓幅值增大勵磁電流逐漸減小，ZnO支路的電流逐漸增大，圖5、實驗室試驗接線圖 圖6、只拉脈沖，不跳滅磁開關(guān)當(dāng)勵磁電源電壓幅值增大到一定值時勵磁電流減小到零，可控硅自動關(guān)斷，而此時ZnO支路的電流與轉(zhuǎn)子電流相等，這表明交流滅磁切換成功。交流滅磁切換成功后，轉(zhuǎn)子進(jìn)入恒壓滅磁，電流值隨時間而減小到零，滅磁電流同轉(zhuǎn)子電流一樣隨時間而減小到零，此時滅磁結(jié)束。b. 拉脈沖，同時跳滅磁開關(guān)（

41、 URUaC（試驗波形見圖6）：ZnO的殘壓小于陽極電壓的峰值，本工況下的滅磁波形類似于上述工況下（只拉脈沖，不跳滅磁開關(guān)）的滅磁波形，因電流為零，開關(guān)為無電流開斷，沒有能量消耗，也無弧壓。c.拉脈沖，同時跳滅磁開關(guān)（試驗波形見圖7），ZnO殘壓略高于可控硅電源陽極電壓峰值，轉(zhuǎn)子電流不能完全進(jìn)入ZnO可控硅不會自動關(guān)斷，要靠開關(guān)幫助，開關(guān)弧壓與勵磁電壓（交流電壓）的疊加值升高至大于等于ZnO的殘壓時，轉(zhuǎn)子電流全部切換到ZnO中，從而將轉(zhuǎn)子的磁能經(jīng)ZnO釋放，完成快速滅磁。d.不拉脈沖直接跳滅磁開關(guān)（直流滅磁）（試驗波形見圖8），ZnO殘壓必須低于滅磁開關(guān)弧壓。 在跳滅磁開關(guān)時，開關(guān)斷口處產(chǎn)生弧

42、壓，當(dāng)經(jīng)過很長時間弧壓達(dá)到一很大值（開關(guān)弧壓大于勵磁電壓與ZnO殘壓之和）時開關(guān)開斷，此時ZnO支路電流等于轉(zhuǎn)子電流，勵磁電流為零，由ZnO滅磁。由于完全依靠開關(guān)建弧實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)移，滅磁開關(guān)觸頭燒損嚴(yán)重。圖7. 拉脈沖，同時跳滅磁開關(guān).ZnO殘壓略高于可控硅電源陽極電壓峰值圖8.不拉脈沖直接跳滅磁開關(guān)通過上述試驗，以及對試驗過程、試驗波形的分析，可以得出如下結(jié)論：a.要使在拉脈沖而不跳滅磁開關(guān)時全部由ZnO滅磁,必須使ZnO的殘壓小于陽極電壓的峰值.b.當(dāng)ZnO殘壓值大于勵磁電源陽極電壓的峰值時,拉脈沖后,勵磁電源的負(fù)半波不能使轉(zhuǎn)子電流完全切換到ZnO支路中,須跳滅磁開關(guān),滅磁開關(guān)只要產(chǎn)生很小弧

43、壓就能可靠開斷,將轉(zhuǎn)子電流完全切換到ZnO上使其滅磁.c.如果不拉脈沖直接跳滅磁開關(guān),開關(guān)弧頭燒損嚴(yán)重,當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)空載誤強(qiáng)勵時,開關(guān)所建弧壓不能滿足開斷條件而不能開斷,以至燒毀.。ZnO不能參與滅磁,轉(zhuǎn)子只能續(xù)流滅磁,滅磁時間大大延長,對發(fā)電機(jī)組大為不利.3.4.3白山發(fā)電廠現(xiàn)場實驗2000年5月15日,由東北電管局、白山電廠、葛洲壩電廠、凱立公司等單位參加,在白山電廠300MW，2機(jī)組進(jìn)行了交流電壓滅磁現(xiàn)場試驗。試驗工況一（試驗波形圖見圖9）：勵磁電流為200A,陽極電壓為247V。滅磁電阻滅磁時開關(guān)弧壓為1173V。圖9. 白山電廠300MW，2機(jī)組交流電壓滅磁現(xiàn)場試驗一試驗工況二：（試驗波形圖見圖10）：勵磁電流為932A，陽極電壓為1000V。滅磁電阻滅磁時開關(guān)弧壓