滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護

1、技術講座講稿滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護2004年 10 月滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護1.非線性電阻所謂非線性電阻是指加于此電阻兩端的電壓與通過的電流呈非線性關系，其電阻值隨電流值的增大而減少。作為非線性電阻的材料一般用 碳化硅和氧化鋅。就非線性特性而言，氧化鋅電阻優(yōu)于碳 化硅。在評價非線性電阻特性時，通常以非線性電阻系數(shù)B來表征，此系數(shù)僅與電阻閥片的材 質(zhì)有關。碳化硅SiC非線性電阻B = 0.250.5 ;氧化鋅ZnO非線性電阻0.0250.05。10mA100AI導通區(qū)截止區(qū)對于氧化鋅非線性電阻，標志其特征的主要數(shù)據(jù)有：(1) 導通電壓UD ( UlOmA當元件的漏電流為10mA寸的外加電壓值，其后如

2、果電壓繼續(xù)上升，流過非線性壓敏元件的電 流將迅速增大，為此，定義在導通電壓 UD以下的區(qū)域為截止區(qū)，UD以上的區(qū)域為導通區(qū)。(2) 殘壓 UC ( U殘)當元件流過100A電流時，非線性電阻兩端的殘壓值。對于氧化鋅非線性滅磁電阻元件而言，在正常工作及導通條件下流多的漏電流均會引起元件部 分分子結(jié)構(gòu)的損壞并影響到元件的使用壽命，為此正常工作電壓的選擇不宜過高。(3) 荷電率SUG為元件工作電壓，此值影響到元件的老化壽命。荷電率比值取得越高，元件的漏電流也越大, 從而加速老化過程。一般S< 0.5為宜UnU。CLUnincoa-額定勵磁電壓-空載勵磁電壓邛陽極電壓-最小工作電壓=U。/ U

3、ac /1.35Unin = V2HcSIN (120+a)S=| Gin I /Ud2. 滅磁開關2.1 名詞、術語2.1.1 斷路器按規(guī)定條件，對配電電路、電動機或其他用電設備實行通斷操作并起保護作用，即當電路內(nèi) 出現(xiàn)過載、短路或欠電壓等情況時能自動分斷電路的開關電器。2.1.2 磁場斷路器用于配合非線性(或線性)電阻分斷發(fā)電機勵磁回路的斷路器。2.2 條件發(fā)電機成功滅磁的條件， 是磁場斷路器在分斷過程中主觸頭上的弧壓應足夠高以保證轉(zhuǎn)子電 流全部轉(zhuǎn)移至滅磁電阻，且主觸頭可以承受此轉(zhuǎn)移過程中的燃弧弧能。3. 滅磁工作原理當發(fā)電機組的內(nèi)部或發(fā)電機出口端發(fā)生故障以及正常停機時都要快速切斷勵磁電源

4、， 由于發(fā)電 機轉(zhuǎn)子繞組是個儲能的大電感，因此勵磁電流突變勢必在轉(zhuǎn)子繞組兩端引起相當大的暫態(tài)過電壓， 造成轉(zhuǎn)子絕緣擊穿，所以必須盡快將轉(zhuǎn)子電感中的磁能快速消耗，這就是通常所說的 滅磁。通常使用的滅磁方法有：線性電阻滅磁、滅磁開關滅磁、 逆變滅磁和非線性電阻滅磁。 本公司 采用氧化鋅非線性電阻滅磁方式利用其特殊的伏安特性，達到近似恒壓滅磁的效果。滅磁的原理如圖1所示，其中i轉(zhuǎn)子中的電流、FR1為氧化鋅非線性電阻、FMK為滅磁開關、 Uo為勵磁電壓、LP為整流電源、Uk為滅磁開關弧壓、4為氧化鋅非線性電阻殘壓。若要使轉(zhuǎn)子電 流衰減至零，必須在轉(zhuǎn)子兩端加一個與其勵磁電源電勢相反的電勢 U,滅磁方程式

5、為Ldi/dt+U=O。 可見電感中電流衰減率正比于反向電勢 U,反向電勢越大，滅磁時間越短。但反向電勢受轉(zhuǎn)子絕緣 水平限，限不能超過轉(zhuǎn)子絕緣允許值因此最理想的滅磁方式是滅磁電壓保持恒定， 電流保持一個固 定的變化率(di/dt=-U/L )按直線規(guī)律衰減至零。由于氧化鋅非線性電阻殘壓UR變化很小，滅磁時近似于恒壓，即U=UL發(fā)電機正常運行時轉(zhuǎn)子電壓低，氧化鋅非線性電阻呈高阻態(tài)，漏電流僅為微安級。滅磁時，滅磁開關 FMK跳開，切開勵磁電源，在滿足 Uk> Uo+U時，電流被迫入滅磁過電 壓保護器中， 轉(zhuǎn)子繞組中所儲能量被氧化鋅非線性電阻消耗， 且氧化鋅良好的伏安特性保證了這部 分能量幾乎

6、以恒壓的形式消耗，確保了發(fā)電機組的安全。LPU0FMKUKURLQ圖1發(fā)電機轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護裝置 采用多組氧化鋅非線性電阻并聯(lián)跨接于轉(zhuǎn)子繞組兩端，由于 氧化鋅非線性電阻FR1、線性電阻R1、快速熔斷器RD二極管D1組成（見圖2）。其核心部件FR1 具有限制反向過電壓和吸收磁能的作用；各支路中都有特制熔斷器RD熔斷器的熔斷時間小于2ms 并且熔絲電壓足夠高，當部分支路必生故障，其相應熔斷器快速熔斷，產(chǎn)生的電壓將故障支路的短 路電流迅速迫入其他支路，故障支路被切除。線性電阻R1和二極管D1在機組正常運行時降低氧化 鋅非線性電阻FR1的荷電率，延緩閥片老化。（1）主要部件與作用同步發(fā)電機在運行時

7、常因一些故障或其他原因使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓。這些過電壓產(chǎn)生的條件不同、強弱不同，所以應當采取不同的保護方法。 凱立公司研制生產(chǎn)的同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子滅磁及過電 壓保護裝置基本原理如圖2、圖3所示。FMKRD1LP 1' 1 .卜R3A 1.kFMKLQ_ar*1-一 IJ圖3（2）非全相及大滑差異步運行保護器（FQ因發(fā)電機斷路器的非全相或非同期合閘等原因會使發(fā)電機非全相運行或大滑差異步運行，在這 兩種運行狀況下，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生劇烈的過電壓，由于此時電網(wǎng)和勵磁電源的能量均能傳遞到轉(zhuǎn) 子繞組中，能量遠超過通常滅磁裝置的滅磁能量，當滅磁裝置中氧化鋅閥片的熔斷器全部熔斷時， 轉(zhuǎn)子繞組開路，此時轉(zhuǎn)子

8、繞組相當于恒流源，產(chǎn)生的過電壓將會擊穿轉(zhuǎn)子繞組的絕緣?！胺侨嗉按蠡町惒竭\行保護器”能在以上情況下快速動作，構(gòu)成轉(zhuǎn)子續(xù)流通道，避免轉(zhuǎn)子繞組開路， 有效防止轉(zhuǎn)子絕緣擊穿事故發(fā)生。在圖2中，非全相及大滑差異步運行保護器裝置 由FR2線性電阻R2和R、可控硅觸發(fā)器CF 可控硅KPT二極管D1組成；在圖3中由FR2構(gòu)成。其中FR2防止正向及反向過電壓，線性電阻 R2用來降低氧化鋅非線性電阻的荷電率，D1 一方面降低正常運行時氧化鋅非線性電阻的荷電率，另一方面在出現(xiàn)反向過電壓時作為 FR2的導電通道，線性電阻 R和可控硅觸發(fā)器CF配合觸發(fā)可控 硅KPT啟動正向過壓回路。在發(fā)電機正常運行情況下，非全相及

9、大滑差異步運行保護器處于開路狀 態(tài)，僅有極小的漏電流（微安級），在轉(zhuǎn)子滅磁工況下，因保護器導通電壓遠高于滅磁高能氧化鋅 非線性電阻的導通電壓，故不會參予滅磁工作；當出現(xiàn)非全相或大滑差異步運行而產(chǎn)生劇烈正向過 電壓時，滅磁高能氧化鋅非線性電阻由于二極管的阻斷作用而不會動作。圖2中R和CF所組成的過電壓測量回路將動作，發(fā)出觸發(fā)脈沖，可控硅KPT導通，F(xiàn)R2進入導通狀態(tài)，限制發(fā)電機轉(zhuǎn)子的過電壓，保護轉(zhuǎn)子不受損害。當出現(xiàn)非全相或大滑差異步運行產(chǎn)生反向過電壓時保護器不需要觸發(fā) 器只需要D2支路即進入工作狀態(tài)。與此同時，滅磁電阻也參與工作，使轉(zhuǎn)子過電壓被限制在允許 范圍內(nèi)， 保障轉(zhuǎn)子不受損害。 但需要說明

10、的是， 非全相及大滑差異步運行保護器除具有一般氧化鋅 非線性電阻的特性以外， 還有一個特殊的特性， 即在吸收一定的能量以后， 將會改變非線性特性曲 線，自動降低導通電壓， 當周期性或持續(xù)性的過電壓波到來時，隨著時間的增加， 保護器吸收能量 的增加和溫度的提高， 保護器導通電壓迅速下降， 低于滅磁氧化鋅非線性電阻的導通電壓， 使滅磁 氧化鋅非線性電阻退出工作。非全相大滑差異步運行保護器在結(jié)構(gòu)上采取了防潮、密封及防爆措施，運行安全可靠，使本公 司的同步發(fā)電機滅磁及過電壓保護裝置具有更完善的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過電壓保護功能。該裝置投運以來， 多次在發(fā)電機發(fā)生非全相運行或大滑差異步運行時起到保護作用， 從而避免

11、由于轉(zhuǎn)子開路而造成對 轉(zhuǎn)子絕緣的損壞，具有較大的社會效益和經(jīng)濟效益。（ 3）勵磁電源側(cè)過電壓保護器（ FR3） 對于直流勵磁機勵磁系統(tǒng)，二極管整流勵磁系統(tǒng)，正常運行中出現(xiàn)的正向過電壓和滅磁開關分 斷后電源側(cè)線路電感及變壓器漏電感所儲存的能量產(chǎn)生的過電壓。 本公司的勵磁電源側(cè)過電壓保護 器FR3針對以上情況出現(xiàn)的過電壓能可靠限制。該裝置主要由圖3中的快速熔斷器RD1和氧化鋅非 線性電阻FR3組成。（4）尖峰過電壓吸收器（ SPA）可控硅整流勵磁系統(tǒng)電源側(cè)出現(xiàn)的過電壓主要由圖 2中的“尖峰吸收器” SPA加以限制。隨著 發(fā)電機容量越來越大， 可控硅性能的提高， 可控硅靜止整流勵磁系統(tǒng)的應用也越來越

12、之泛。 可控硅 整流橋換相時直流側(cè)會出現(xiàn)尖峰過電壓， 其值最高可能達到整流系統(tǒng)陽極電壓的 2.5 倍。如果不加 限制，長期累積效果可能引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)絕緣的擊穿事故， 甚至引起相關元器件的燒毀以及停機事故。本公司的尖峰過電壓吸收器SPA采用高能氧化鋅閥片與阻容件器聯(lián)組合成，充分利用氧化鋅的 非線性伏特性， 將電壓限制在某一范圍之內(nèi)， 同時考慮尖峰電壓的能量分布， 利用電容兩端電壓不 能突變的特點， 將尖峰過電壓的前段高電壓部分的能量吸收在氧化鋅組件中， 其他能量由氧化鋅和 電容共同及收。在尖峰電壓過去以后，電容的能量通過電阻快速釋放掉。SPA的原理接線圖見圖4： RC組成一個高頻通道，將可控硅換相

13、時產(chǎn)生的高頻尖峰電壓傳輸給氧化鋅非線性電阻FR4, FR4動作吸收尖峰電壓， 并且限制高頻尖峰電壓不超過一定的幅值， 從而保證了可控硅換相時不會引起轉(zhuǎn) 子回路的過高電壓?；芈分械腇R5是RC支路的保護元件，因為在特定頻率下，支路有可能產(chǎn)生諧 振而出現(xiàn)過高的電壓，致 RC元件損壞。故當電壓超過 FR5動作電壓時，F(xiàn)R5動作保護RC元件。4. 滅磁過電壓保護設定值 對發(fā)電機勵磁繞組回路過電壓保護動作值的設定，首先應考慮發(fā)電機勵磁繞組的絕緣水平。國際電工委員會IEC標準規(guī)定，發(fā)電機勵磁繞組的額定試驗工頻交流電壓有效值IS為額定勵磁電壓的10倍，但是最高值不超過3500V、最低值不低于1500乂即：U

14、S= 10UN , 1500V< US< 3500V通常在交接試驗或大修后試驗電壓值將較出廠值低，一般取70%規(guī)定值。(1) 非線性滅磁電阻容量的選擇：空載勵磁繞組儲能：2 2W0 = 0.5 X LoX I f0 =0.5Rf0 X Td0 X I f0強勵時，勵磁繞組的儲能，考慮到飽和及耗能分配影響，應乘以相應系數(shù)2Wc= 0.5 X LcX (KvX I fN)WC= 0.5 X KsKr Rf0 T d0 X (KvX I fN)式中I fN 額定勵磁電流I f0空載勵磁電流T d0發(fā)電機空載時間常數(shù)KV強勵電壓倍數(shù)KS 強勵時勵磁繞組飽和系數(shù)，一般取Ks= 0.4 水電取

15、0.6Kr 滅磁時由滅磁電阻分擔的磁場總?cè)萘浚话闳r= 0.7R f0 勵磁繞組電阻(75°)考慮20%裕度。(2) 非線性滅磁電阻殘壓的選擇：通常非線性電阻最大殘壓U殘一般不低于勵磁繞組出廠試驗電壓的 30%，不高于50%。U殘=UfN X (35)，可控硅整流一般選4，二極管整流一般選3;Ul0mA = U 殘 / 1.5。滅磁閥片的動作電壓值約為 U殘X 1/1.21.3合肥凱立生產(chǎn)的非線性滅磁電阻閥片特點：1. 閥片單片容量20KJ,最低電壓不低于280V;2. 閥片流過100A的電壓和流過10mA勺電壓比值僅為1.5倍；(殘壓比 K= U殘/ U 10mA= 1.5 )

16、3. 漏電流小，二分之一 U°mA電壓下的電流I = 1/2 U 10mA< 50卩A；4. 閥片能在持續(xù)運行電壓 Ue= 0.75 U 10mA下工作100年。5. 選取閥片數(shù)量時應注意考慮安裝方式，一般一條組件上壓裝4組(殘壓低于1000V時最多可壓裝5組)，每組中最多可串連3片(殘壓低于800V時最多2片)，每組單獨配一個熔 絲；也可采用雙抽頭式，即一條組件上壓裝8組，每兩組共用一個熔絲。(3) 非全相過電壓保護器殘壓的選擇：U非全相=U殘X 1.5(4) 尖峰吸收器SPA不加SPA出現(xiàn)的尖峰值為：U = 2.5 X 2山U尖峰殘壓 =2 ULc X 1.12 X 1.5

17、電容參數(shù)：CJ41 20卩/630V電阻參數(shù)：RX20 100 Q /100W(5) 電源側(cè)過電壓保護比非線性滅磁電阻殘壓略高。例：哈爾濱第三發(fā)電廠1#機額定功率200MW三機勵磁方式Un = 450VI fN = 1765A交流勵磁機額定輸出電壓：415V滅磁電阻殘壓：1350V 額定能容：0.36MJ非全相及大滑差保護殘壓：2025V 電源側(cè)保護閥片：1550V(6) KPT組件及D2KPT組件是由可控硅KPT二極管D1組成，其參數(shù)選取：IfN > 1000A 時，二極管 D1、D2選 ZP1000A/3200V KPT選 1000A/3200V; 500A< IfNv 100

18、0A時，二極管 D1、D2選 ZP800A/3200V , KPT選 8 00A/3200 V ;IfN<500A時，二極管 D1、D2選 ZP500A/2500V , KPT選 500A/2500V。滅磁及過電壓保護滅磁及過電壓保護由一柜組成。(1) 開關柜和電阻柜外觀見下圖：(2) 主要配置：進口滅磁開關一臺用于滅磁的氧化鋅非線性電阻用于過電壓保護的非線性過電壓保護裝置二套非線性滅磁電阻柜過電壓保護動作記錄裝置一套滅磁開關動作記錄裝置一套轉(zhuǎn)子電壓、電流表計(3) 主要原理及描述a) 主回路結(jié)構(gòu)勵磁系統(tǒng)裝設快速直流磁場斷路器和非線性電阻來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組的快速滅磁，其中磁場斷路器的作用是快速分斷磁場電流并在斷口快速建立弧電壓，非線性電阻的作用是在滅磁開關建壓過程中 使非線性電阻導通消耗磁場能量，同時使磁場開關斷口熄弧。滅磁回路結(jié)構(gòu)圖圖中R1為滅磁用非線性電阻，R2 R3分別為轉(zhuǎn)子側(cè)和可控硅側(cè)過電壓保護用非線性電阻，R為串聯(lián)線性電阻。b）滅磁電阻的配置我公司采用非線性電阻串低阻值線性電阻的方法，線性電阻的使用有兩方面作用：一是：使得在同樣動作整定值時，非線性電阻的整定值較不用線性電阻時為低，這有利于磁場電流向非線性電阻的轉(zhuǎn)換（碳化硅特性在較低的電壓下即能換流成功