百萬千瓦汽輪發(fā)電機滅磁兼過電壓保護研究(投稿)VIP

1、百萬千瓦汽輪發(fā)電機滅磁兼過電壓保護研究李自淳 彭輝 夏維珞 符仲恩 （中國科學(xué)院等離子體物理所科聚公司，安徽 合肥 230031）劉明行 夏雪（上海汽輪發(fā)電機有限公司，上海 閔行 200240）摘 要 本文以一臺典型的百萬千瓦汽輪發(fā)電機為例，研究其滅磁兼轉(zhuǎn)子回路過電壓保護的主回路方案和主要元器件參數(shù)設(shè)計選型；其中滅磁電阻分別選用ZnO非線性電阻及線性電阻二種方案，并進行二者的分析比較，得出推薦性結(jié)論。關(guān)鍵詞 汽輪發(fā)電機 滅磁 過電壓保護 方案研究 設(shè)計選型1 前言隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，發(fā)電機的單機容量不斷增大，目前國產(chǎn)汽輪發(fā)電機已經(jīng)達到百萬千瓦的水平。作為發(fā)電機主保護的滅磁兼轉(zhuǎn)子過電壓保

2、護，一直是電機界特別是勵磁界關(guān)注的要點。為了達到百萬千瓦及以下容量的大型汽輪發(fā)電機滅磁兼轉(zhuǎn)子過電壓保護簡單、安全、可靠的目的，我們解剖一只“麻雀”，對一臺有代表性的百萬千瓦自并勵汽輪發(fā)電機進行分析研究，設(shè)計了二套不同的主回路方案，分別采用ZnO非線性電阻及線性電阻作滅磁電阻吸能元件，并對主要元器件進行參數(shù)設(shè)計及選型，最后進行二種方案的分析比較，得出推薦性的結(jié)論，供讀者參考。2 典型發(fā)電機相關(guān)參數(shù)見表1所示。表1 典型發(fā)電機相關(guān)參數(shù)序號參數(shù)名稱單位符號數(shù)值備注1發(fā)電機額定功率MWPN10002定子額定電壓kVUN273額定轉(zhuǎn)速r.p.mnN30004空載勵磁電壓VUf01445空載勵磁電流AIf

3、019526額定勵磁電壓VUfN437807額定勵磁電流AIfN58878勵磁繞組電阻Rf0.0748809定子和阻尼繞組開路時,勵磁繞組時間常數(shù)sTd08.8610電流強勵倍數(shù)倍KI2電壓KV =2.511自并勵交流陽極電壓VUa950線電壓有效值3 主回路原理圖3.1 方案研究ZnO非線性電阻具有優(yōu)良的非線性伏安特性，它在轉(zhuǎn)子過電壓保護上的應(yīng)用已得到國內(nèi)專家的一致公認。中國電力行業(yè)標準DL/T 650-1998，大型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件中，第5.5.5條規(guī)定，“發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護裝置應(yīng)簡單可靠?！备鶕?jù)論文發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路過電壓保護國內(nèi)外方案比較1的分析，并經(jīng)過十幾年來實際運

4、行的考驗，證明用ZnO非線性電阻作吸能元件并帶可控硅開關(guān)的過電壓保護是適用于大型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)的、簡單可靠的方案。ZnO非線性電阻在滅磁上的應(yīng)用同樣無可非議，利用它作滅磁電阻可以得到近似恒壓滅磁的理想過程，最佳地解決了滅磁速度快和滅磁過電壓高的矛盾。ZnO在實際應(yīng)用中的一系列問題，經(jīng)過國內(nèi)20年的運行均早已妥善解決2。但是由于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的整鍛鐵心內(nèi)渦流可以順暢流通，相當在電機磁路中交鏈了一個無形而巨大的阻尼繞組。滅磁時勵磁繞組內(nèi)的電流可以快速衰減，而鐵心（阻尼繞組）內(nèi)的感生電流卻無法控制；由于整體鐵心內(nèi)電阻很小，使感生電流衰減緩慢，從而使電機內(nèi)部磁場的衰減也緩慢。由此可見，汽

5、輪發(fā)電機理想的快速滅磁是不可能達到的，采用ZnO電阻滅磁是不必要的。在電力行標DL/T 650-1998中第5.5.4條說明：“滅磁電阻一般采用線性電阻?！蓖瑫r5.5.1條又規(guī)定：“發(fā)電機滅磁應(yīng)采用逆變和開關(guān)滅磁兩種方式。滅磁裝置應(yīng)簡單可靠?！彪娏π袠薉L/T 650-1998的第5.5.1條是總則，是綱領(lǐng)。它首先確定了應(yīng)采用逆變和開關(guān)滅磁兩種方式，其次強調(diào)了“簡單可靠”。線性電阻是“一般采用”，并非“必須采用”。這樣就可以設(shè)計2種方案，分別用ZnO電阻或線性電阻作吸能元件。采用ZnO主要不是追求滅磁速度快，而是為了“簡單可靠”。因為用線性電阻必須串聯(lián)一個機械的常閉“放電觸頭”或用可控硅組成的

6、電子開關(guān)，正常運行時斷開，滅磁前13ms先接通線性電阻，然后換流滅磁。正是這個觸頭或電子開關(guān)降低了“簡單可靠”性。ZnO電阻一般可以直接跨接，或串聯(lián)一個反向二極管，省去機械觸頭或電子開關(guān)；更由于過電壓保護中基本都用ZnO作吸能元件，可以設(shè)計成滅磁和過電壓保護兼用，只需把過壓保護用的ZnO能容量適當增大，就可以同時作為滅磁電阻用。這樣既省去了另設(shè)線性電阻和觸頭開關(guān)，又增大了過電壓保護的能容量，而成本和維護量增加并不多，一舉兩得，達到“簡單可靠”的效果。下面分別用ZnO電阻和線性電阻各設(shè)計一套方案。當然還可以用SiC電阻設(shè)計第三套方案，由于SiC性能介于ZnO和線性電阻之間，電路基本和線性電阻相同

7、而成本和維護量又較高，對汽輪發(fā)電機沒有什么實用價值，故此省略。本設(shè)計方案只是初步的，還可以根據(jù)用戶意見作一定調(diào)整。3.2 ZnO電阻方案（方案一）主回路原理圖見圖1。3.3 線性電阻方案（方案二）主回路原理圖見圖2。圖1 ZnO電阻方案主回路原理圖4 主要元器件參數(shù)設(shè)計及選型4.1 滅磁電阻能容量3a) 能量計算用簡易計算法。勵磁繞組不飽和電感L= Rf ×Td0=0.0748×8.86=0.663H空載勵磁儲能量(考慮空載時鐵心不飽和)圖2 線性電阻方案主回路原理圖強勵時磁場儲能量(考慮鐵心飽知,電感減小) 滅磁電阻吸能量(考慮大部分能量被轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)渦流消耗)考慮適當裕量

8、，最后取滅磁電阻額定能容量b) 對方案一RV11為滅磁及過電壓保護兼用吸能ZnO電阻，可選用MYNZ1型高能氧化鋅組件。其內(nèi)部有多個ZnO閥片串并聯(lián)組合，均能系數(shù)大于0.95；還包括TRD型特種保護熔斷器FU11，每個并聯(lián)支路串一個。萬一有ZnO閥片在運行中擊穿短路，F(xiàn)U11可以立即將故障支路開斷退出，不影響整個組件的正常工作。由于設(shè)計裕量很大，個別支路的退出不影響裝置的可靠工作。c） 對方案二R為線性滅磁電阻，通過QF聯(lián)動的常閉放電觸頭在滅磁時提前13ms接入，可到市場上采購合適的金屬線性電阻。但市場上的電阻均標稱為額定電流或額定功率，這是長期連續(xù)通流的數(shù)據(jù)，是電阻發(fā)熱與散熱達到平衡后溫升到

9、達額定值的數(shù)據(jù)。滅磁電阻的運行工況不是連續(xù)通流，而是短時通流，可以不考慮散熱，電阻產(chǎn)生的熱量全部被它本身吸收，使其溫度升高。根據(jù)熱平衡方程式 （1）式中：滅磁電阻額定能容量（MJ） 電阻元件質(zhì)量（kg） 電阻元件比熱（kcal/kg·） 電阻元件溫升（）可與電阻供應(yīng)單位聯(lián)系，了解電阻元件的、和，根據(jù)式（1）計算選購合適的線性電阻。具體從略！4.2 線性滅磁電阻R的阻值根據(jù)電力行標DL/T 650-1998中第5.5.4條說明：“滅磁電阻值可為磁場電阻熱態(tài)值的23倍”，取中間值2.5倍。具體選購時可根據(jù)市場供貨情況選取阻值與此相近的產(chǎn)品。4.3 ZnO滅磁電阻RV11的殘壓a) 取值電

10、力行標DL/T 650-1998中沒有關(guān)于ZnO非線性滅磁電阻的內(nèi)容，故借用電力行標DL/T 583-1995，大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件中第4.5.2a)條的規(guī)定：“滅磁過程中，勵磁繞組反向電壓一般不低于出廠試驗時勵磁繞組對地試驗電壓幅值的30%，不高于50%?！睔垑喝≈虚g值b) 核算不誤動動作電壓（式中1.6為殘壓比）逆變時勵磁電壓最大反向峰值(式中1.15是定子電壓過電壓倍數(shù))汽輪發(fā)電機異步運行滑差過電壓峰值為可以躲過逆變滅磁及異步運行時的反向電壓,不致誤動。c) 核算不超壓電力行標DL/T 650-1998中第5.5.2條規(guī)定：“在強勵狀態(tài)下滅磁時發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓值

11、不應(yīng)超過46倍額定勵磁電壓值?！?符合規(guī)定！4.4 磁場斷路器QF的選型a) 選型據(jù)了解目前國內(nèi)無合適產(chǎn)品能滿足要求，必須采用進口產(chǎn)品。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搜索及有關(guān)咨詢，決定選用英國R.R.(Rolls-Royce)公司生產(chǎn)的MM74(又稱EX74)型磁場斷路器，科聚公司曾經(jīng)為巖灘電廠300MW水輪發(fā)電機配用過這種斷路器并做過弧壓試驗。相關(guān)網(wǎng)頁見圖3，選用規(guī)格如下：額定電壓：3200V額定電流：8000A開斷電流：50kA(3200V)斷口弧壓：2×3200=6400Vb) 核算弧壓根據(jù)有關(guān)理論分析4，必須滿足式中： UKM 磁場斷路器保證能達到的最大開斷弧壓； ULM 最大（強勵）勵磁電流IL

12、M 流過滅磁電阻時，其兩端最高殘壓；UZM 最大（強勵）電源電壓峰值。對方案一， （式中1.15是定子電壓過電壓倍數(shù)）， 滿足！對方案二， 滿足！c) 核算電流額定電流，滿足！d) 結(jié)論該斷路器斷口弧壓和額定電流均滿足方案一和方案二的要求，并有較大裕量，而且?guī)в谐ｉ]放電觸頭，可以選用。MM74MM74 High Speed DC Circuit BreakerThe MM74 high-speed DC circuit breaker has been designed specifically to meet the system requirements of the DC substat

13、ion switchgear for controlling the power supplies to heavy rail transit systems, and complies with requirements of ANSI C37.14-1992 and C37.16-1980. lt is also suited to the special applications of other fields as follows:- Generator main field circuit breaker duty Thyristor convertor-controlled mot

14、ors Rolling units in steelworks Electrolytic plants Mine winders This truck-type withdrawable circuit breaker has been developed from our long established panel and pedestal-mounted circuit breakers which have been in service since 1936. Main Features· Up to 12000A rating · Fully interlock

15、ed · Metalciad construction · Top or bottom cable entry · Over 50 years experience in DC switchgear Rated voltage 800, 1600, 3200V Rated normal currents 4000, 6000, 8000, 12000A Short circuit interruption rating 800V up to 250kA,1600V up to 150kA,3200V up to 50kA Associated Documents&

16、#160;  · Case Study - Our Asian Studies (Portable Document Format)Asian.pdf 191Kb download now · Project Solutions - Powering the Underground (Portable Document Format)ACF622.pdf 127Kb download now Page: 1 圖3 MM74斷路器的相關(guān)網(wǎng)頁4.5 過電壓保護及其整定值a) 原理介紹5二種方案均采用目前國內(nèi)已普遍應(yīng)用的GB02型ZnO過電壓保護器，每方案均在

17、轉(zhuǎn)子側(cè)和電源側(cè)各設(shè)一套（見圖1、圖2）。正常運行時QF閉合，兩套并聯(lián)運行，因轉(zhuǎn)子側(cè)的一套動作電壓低，吸能容量大，故均由轉(zhuǎn)子側(cè)那套過壓保護動作吸能。滅磁時QF開斷，兩套過壓保護分家，分別吸收并限制各側(cè)的過電壓。該保護器簡單可靠，元件少，沒有機械觸點和二次操作電路，不需操作電源；正常運行時可控硅管V11、V12、V3關(guān)斷，ZnO電阻不承受較高的正向工作電壓，荷電率低，壽命長；有正向過電壓襲來時，通過電子觸發(fā)器CF把可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，ZnO電阻RV11、RV12或RV2接入導(dǎo)通限壓；過電壓消失后由于ZnO的非線性伏安特性使續(xù)流急劇下降，減小到小于可控硅的維持電流，可控硅管自動關(guān)斷復(fù)歸。改變小功率電阻R

18、1和R2的阻值就可以方便地改變正向動作電壓整定值。因運行時反向電壓不高，故對反向電壓來說，經(jīng)過二極管V21、V22、V4相當ZnO電阻直跨，反向荷電率很低，而且反向過電壓由ZnO電阻直接保護，更加簡單可靠，同時還兼有滅磁功能。對方案一來說，RV11本身兼作滅磁電阻。對方案二來說，滅磁時投入線性電阻R吸收磁場能量；但當電流較大時電阻R兩端電壓升高，到達ZnO電阻RV12的動作電壓時，RV12立即導(dǎo)通限壓，R兩端電壓不再升高，磁場能量由ZnO電阻和線性電阻共同吸收。b) 動作整定值電力行標DL/T 650-1998第5.5.5條規(guī)定：“動作電壓值應(yīng)高于強勵后滅磁和異步運行時的過電壓值，同時應(yīng)低于轉(zhuǎn)

19、子繞組出廠工頻耐壓試驗幅值的70%?！备鶕?jù)本文4.3 b）和 4.4 b)的計算，強勵后滅磁過電壓值，方案一為2500V，方案二為2202V；異步運行時的過電壓值為1530V。出廠工頻耐壓試驗幅值的70%為另外，勵磁電壓正向峰值（式中1.5為換相過電壓尖峰系數(shù)），應(yīng)予躲過。根據(jù)標準規(guī)定及上述計算數(shù)據(jù)，決定：正向過電壓保護動作值：轉(zhuǎn)子側(cè)2600V電源側(cè)2800V反向過電壓保護動作值：轉(zhuǎn)子側(cè)1563V 電源側(cè)1750V對方案二，轉(zhuǎn)子側(cè)反向過壓保護動作值1563V低于線性電阻R強勵后滅磁殘壓2202V，這時由ZnO電阻和線性電阻并聯(lián)共同吸收磁場能量并限制過電壓，性能更優(yōu)。反向動作值要躲過逆變已由本文

20、4.3 b)校核通過。4.6 過電壓保護主要元器件選擇a) 轉(zhuǎn)子側(cè)ZnO電阻對方案一，RV11為滅磁過電壓保護兼用，已由本文4.1a)及4.3a)選定，能容量2.2MJ，11800A殘壓2500V，型號MYNZ1。對方案二，RV12主要用作過電壓保護，但在強勵滅磁時也要吸收部分磁場能量，能容量可稍小，取為1.2MJ，殘壓2500V，型號MYNZ1。b) 電源側(cè)ZnO電阻 二個方案一樣，電源側(cè)過壓保護正常運行時不動作，僅在滅磁時QF跳開后吸收電源側(cè)過電壓，能量較??；但為保證工作可靠，選擇4支路并聯(lián)，每支路串聯(lián)一個TRD熔絲FU2。RV2殘壓選擇2800V，c) 可控硅和二極管V11、V12、V21、V22、V3、V4耐壓（重復(fù)峰值電壓）均選擇4000V。額定電流應(yīng)按I 2t特性來選擇。因這些元件的工作狀況不是連續(xù)通流，而是在短時（ms級）通以大電流，所以要用積分求出工作時的I 2t，再根據(jù)元件供應(yīng)單位產(chǎn)品樣本上的I 2t曲線來查對選取。如樣本上的曲線范圍不夠，還要外推曲線。具體從略！5 結(jié)論通過以