同步發(fā)電機(jī)滅磁

1、文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.第五章同步發(fā)電機(jī)的滅磁第一節(jié)概述近年來，隨著主機(jī)容量的增加，發(fā)電機(jī)的自動(dòng)滅磁系統(tǒng)越來越受到重視。特別是對(duì)于采用快速勵(lì)磁系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，要求盡快地滅磁以縮短在故障點(diǎn)的燃弧時(shí)間。 當(dāng)采用發(fā)電機(jī) -變壓器組接線時(shí)， 在發(fā)電機(jī)外部至變壓器以及主斷路器連接的導(dǎo)線上出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)電機(jī)也需要快速滅磁。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生接地時(shí)，將產(chǎn)生接地故障電流。如果發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地，一個(gè)定子線棒的絕緣被擊穿，故障電流較小，鐵芯損傷不會(huì)太嚴(yán)重。如果故障電流較大，除擊穿線棒絕緣外，還將有嚴(yán)重的銅和鐵芯的燒壞，這種故障至少需

2、要更換損壞的絕緣，甚至部分地拆修發(fā)電機(jī)的定子鐵芯。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，有的制造廠認(rèn)為發(fā)電機(jī)可以不用滅磁開關(guān)，對(duì)于生產(chǎn)具有無刷勵(lì)磁系統(tǒng)機(jī)組的廠家，更傾向于這一觀點(diǎn)。因?yàn)樵谛‰娏鞴收蠒r(shí)，并不需要快速滅磁，而當(dāng)大故障電流時(shí)，快速滅磁能否限制銅以及鐵芯的損壞仍有爭(zhēng)議。如果認(rèn)為不采用快速滅磁裝置，在某些場(chǎng)合本來很小的損壞會(huì)導(dǎo)致更大的燒損事故。采用簡(jiǎn)單而有效的快速滅磁裝置還是有必要的。特別是現(xiàn)代大型水輪發(fā)電機(jī)多采用單元式接線，為降低發(fā)電機(jī)、變壓器及高壓電纜（若有的話）故障所造成的損害，希望發(fā)電機(jī)在此情況下能快速滅磁。由于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的巨大阻尼作用，使汽輪發(fā)電機(jī)的快速滅磁變得十分困難。但對(duì)水輪發(fā)電機(jī)，快速

3、滅磁是可以實(shí)現(xiàn)的，并且具有十分重要的意義。如上所述，對(duì)發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)的主要要求是可靠而迅速地消耗存儲(chǔ)在發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)能量。最簡(jiǎn)單的滅磁方式是切斷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電源的連接。但是這樣將使勵(lì)磁繞組兩端產(chǎn)生較高的過電壓，危及到主絕緣的安全。為此，滅磁時(shí)必須使勵(lì)磁繞組接至可使磁場(chǎng)能量耗損的閉合回路中。目前滅磁系統(tǒng)就其原理而言，主要有以下幾種方式：（ 1）具有短弧柵片的滅磁系統(tǒng)；（ 2）利用非線性電阻的滅磁系統(tǒng)；（ 3）利用恒值電阻的滅磁系統(tǒng)。如按磁場(chǎng)能量的消耗方式而言，在滅弧柵片式滅磁系統(tǒng)中，磁場(chǎng)能量主要消耗在開關(guān)中，可稱為耗能型。在線性恒值和非線性電阻滅磁系統(tǒng)中，滅磁開關(guān)不全部承受耗能任務(wù)，磁場(chǎng)能

4、量主要消耗在線性和非線性電阻端，故此類系統(tǒng)可稱為非耗能型或轉(zhuǎn)移型滅磁系統(tǒng)。就近年來的發(fā)展趨勢(shì)而言，非耗能型的線性和非線性電阻滅磁系統(tǒng)獲得了廣泛的運(yùn)用。第二節(jié)線性電阻滅磁過程中的一對(duì)矛盾 滅磁速度及轉(zhuǎn)子過電壓現(xiàn)代大型水輪發(fā)電機(jī)多采用單元式接線，為降低發(fā)電機(jī)、變壓器及高壓電纜（若有的話）故障所造成的損害，希望發(fā)電機(jī)在此情況下能快速滅磁。由于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的巨大阻尼作用，使汽輪發(fā)電機(jī)的快速滅磁變得十分困難。但對(duì)水輪發(fā)電機(jī)，快速滅磁是可以實(shí)現(xiàn)的，并且具有十分重要的意義。從國外某大型水電站，曾因主變壓器至升壓站的500KV 電纜故障，致使整個(gè)電纜廊道燒毀，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)的大型水輪發(fā)電機(jī)也有

5、因不能快速滅磁而造成主變壓器或發(fā)電機(jī)大規(guī)模燒損的情況發(fā)生。早期采用的滅磁電路如圖 5-1 所示，若滅磁開始，發(fā)電機(jī)定子開關(guān)已跳，并且不考慮阻尼的作用，則滅磁過程中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流：圖 5-1早期線性電阻滅磁電路文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.ti LI L e TM(5-1)式中：iL 滅磁過程中發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流；IL 滅磁開始瞬間發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流；TM 滅磁時(shí)間常數(shù)。LTMRM(5-2)RL式中：L 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電感；RL 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電阻值；RM 滅磁電阻值。在滅磁開始瞬間勵(lì)磁繞組兩端的過電壓為：ULM ILRM(5-3)在電力系統(tǒng)故障時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)

6、要進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，設(shè)滅磁開始時(shí)勵(lì)磁已上升頂值，則有I L KI Le(5-4)式中：IL 滅磁開始時(shí)的勵(lì)磁電流；K 勵(lì)磁倍數(shù)，通常 K=1.8 2；ILe 發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流。將式（ 5-4）代入式（ 5-3）可得 :U LMK I Le RMK RM U LeKK M U Le(5-5)RL式中：ULe 發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓；KM 滅磁電阻和勵(lì)磁繞組電阻之比。K MR M(5-6)RL由上可見，若要加快滅磁速度，則要加大RM ，以減少滅磁時(shí)間常數(shù)TM ，然而， RM 加大，會(huì)使滅磁開始時(shí)的轉(zhuǎn)子過電壓升高，通常選K M =5， K=2 ，則滅磁過程中轉(zhuǎn)子過電壓可能達(dá)額定勵(lì)磁電壓的100 倍，這樣就形

7、成了加快滅磁速度和減小滅磁時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓的矛盾。怎樣解決這一矛盾呢？仔細(xì)分析一下滅磁過程曲線（圖 5-2）即可發(fā)現(xiàn)在滅磁過程中只是開始時(shí)勵(lì)磁繞組兩端的電壓很高，隨著勵(lì)磁電流的衰文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.減，勵(lì)磁繞組兩端的電壓在不斷降低，這意味著勵(lì)磁繞組中電流的衰減速度在不斷變慢（ULLdi L dt），從而使整個(gè)滅磁過程變得很長(zhǎng)。我們?nèi)裟苁箿绱胚^程中勵(lì)磁繞組兩端的電壓基本不變，則勵(lì)磁電流將一直以較高的速度衰減，從而使整個(gè)滅磁過程大為縮短，這樣就較好地解決了滅磁速度和轉(zhuǎn)子過電壓的矛盾。即所謂理想滅磁。利用燃弧柵滅磁，壓敏電阻滅磁及它勵(lì)系統(tǒng)中用逆變滅磁

8、的特性均接近理想滅磁。圖 5-2線性電阻滅磁過程第三節(jié)利用燃弧柵滅磁的自動(dòng)滅磁開關(guān)如圖 5-3 所示，這種開關(guān)（國產(chǎn)型號(hào) DM2 ）是利用燃弧柵中的電弧作為滅弧過程中的耗能元件，燃弧柵將整個(gè)電弧分隔成一段段的短弧，據(jù)短弧極效應(yīng)原理，短弧的壓降基本恒定，這使滅磁過程中勵(lì)磁繞組兩端的電壓基本不變，整個(gè)滅磁過程接近理想滅磁過程（圖5-4）。圖 5-3采用燃弧柵滅磁開關(guān)滅磁的電路原理圖圖 5-4燃弧柵滅磁過程當(dāng)發(fā)電機(jī)采用靜止晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，若采用燃弧柵滅磁開關(guān)滅磁，由于晶閘管整流橋和滅磁開關(guān)是串聯(lián)的，晶閘管整流橋的工作狀態(tài)將對(duì)滅磁過程和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓產(chǎn)生重大影響（圖5-5）。圖 5-5 靜止可控硅

9、勵(lì)磁系統(tǒng)采用燃弧柵滅磁電路圖在滅磁過程中，若整流橋處于逆變狀態(tài)，即整流橋的輸出電壓為負(fù)值，則勵(lì)磁繞組兩端的電壓U L 等于滅磁開關(guān)滅磁電壓U M 和整流橋的輸出電壓 UZ 之和。即：UL UM UZ(5-7)由于整流橋的輸出電壓會(huì)隨著發(fā)電機(jī)電壓及勵(lì)磁電流的減小而降低，故整個(gè)滅磁過程中勵(lì)磁繞組兩端的電壓有較大的變化，使轉(zhuǎn)子過電壓增加，整個(gè)過程離理想滅磁較遠(yuǎn)，而且整流橋的陽極電壓越高，這種差別越大，如圖 5-6 所示。圖 5-6 整流橋逆變時(shí)的滅磁過程圖 5-7 整流橋強(qiáng)勵(lì)時(shí)的滅磁過程在滅磁過程中，若整流橋處于強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，則勵(lì)磁繞組兩端的電壓U L 等于滅磁開關(guān)滅磁電壓UM 和整流橋的輸出電壓UZ

10、之差。即：UL UMU Z(5-8)這樣的結(jié)果是使滅磁開始一段過程中，勵(lì)磁繞組兩端的電壓UL 較小從而使勵(lì)磁電流的衰減變慢，滅磁過程延長(zhǎng)（如圖5-7）。比較圖 5-6和圖 5-7 不難看出， 整流橋的工作狀態(tài)對(duì)滅磁過程有很大的影響，并使滅磁過程偏離理想滅磁，晶閘管整流橋的陽極電壓越高，這種差別也就越大。這種情況在發(fā)電機(jī)發(fā)生空載誤強(qiáng)勵(lì)（發(fā)電機(jī)的端電壓即整流橋的陽極電壓可能升到額定值的1.5 倍）時(shí)，顯得尤為突出。這時(shí)，勵(lì)磁繞組兩端的電壓很低，滅磁過程會(huì)變得很長(zhǎng)。同時(shí)，滅磁過程中耗能元件（燃弧柵）吸收能量的很大一部分是由勵(lì)磁電源提供的，這加大了耗能元件的負(fù)擔(dān)。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是由于勵(lì)磁繞組，耗能

11、元件滅磁開關(guān)和勵(lì)磁電源（整流橋）三者是串聯(lián)的，稱串聯(lián)滅磁，若將三者改為并聯(lián)（圖5-8）稱并聯(lián)滅磁。當(dāng)采用并聯(lián)滅磁時(shí)，則上述問題可得到解決，用此方案滅磁時(shí)，勵(lì)磁繞組中的能量消耗在DM 的燃柵上。這樣使滅磁過程中轉(zhuǎn)子繞組兩端了電壓基本不變，接近理想滅磁的要求。這個(gè)方案中要求D 和 DM 之間有較好的配合，目前正在研究之中。文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.圖 5-8并聯(lián)滅磁接線原理圖第四節(jié)利用壓敏電阻滅磁一、壓敏電阻目前用于滅磁的壓敏電阻有碳化硅壓敏電阻，和氧化鋅壓敏電阻，由于后者有壓敏特性好，泄漏電流小，能容大等許多優(yōu)點(diǎn)，在我國用得較多。圖 5-9 壓敏電阻滅磁

12、接線圖圖 5-10 壓敏電阻的伏安特性所謂壓敏電阻是指它的電阻值會(huì)隨它兩端的電壓變化的電阻，即當(dāng)它兩端電壓限低時(shí)，它呈高阻態(tài)，只有很小的電流（微安級(jí)）從中流過，但當(dāng)它兩端的電壓高于某一數(shù)值時(shí)，它的電阻急劇降低，允許有很大的電流從中流過，圖5-9、 5-10 表示了壓敏電阻滅磁的接線圖和它的伏安特性，在使用中，我們常用非線性系數(shù)來表示壓敏電阻壓敏特性的好壞，定義：Re(5-9)Rc其中：URc為工作點(diǎn)的靜態(tài)電阻；IdURc為工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)電阻。dI顯然， 越小，壓敏電阻的壓敏特性越好。不難看出，壓敏電阻的伏安特性類似于穩(wěn)壓二極管，但壓敏電阻有雙向穩(wěn)壓特性。當(dāng)大電流流過壓敏電阻，由于它兩端的電壓也很

13、高，故壓敏電阻上要消耗大量的能量，使壓敏電阻發(fā)熱。若流過壓敏電阻的電流過大，或電流持續(xù)的時(shí)間過長(zhǎng)，使壓敏電阻上消耗的能量超過其極限允許值時(shí)，壓敏電阻會(huì)擊穿損壞，損壞后的壓敏電阻呈短路狀態(tài)。通常把一次通流過程中壓敏電阻上允許消耗的最大能量稱為壓敏電阻的能容量。它是壓敏電阻的主要性能指標(biāo)之一。二、能量問題壓敏電阻在滅磁過程中，要吸收轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)能量，而壓敏電阻所能吸收的最大能量是有限制的。若其吸收的能量超過它的容量，壓敏電阻便會(huì)因過熱而燒毀。因此，準(zhǔn)確計(jì)算發(fā)電機(jī)在各種可能運(yùn)行方式下轉(zhuǎn)子繞組儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量，便成為適當(dāng)?shù)剡x取壓敏電阻能容量的基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的大量計(jì)算表明，在發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行方式中，發(fā)生

14、空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)，壓敏電阻上消耗的能量往往最大，我們可對(duì)此過程進(jìn)行近似分析。在發(fā)電機(jī)空載并忽略阻尼繞組作用的情況下，勵(lì)磁繞組中儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)能量為：WL1L IL2(5-10)2式中：IL 勵(lì)磁繞組中的勵(lì)磁電流；L 勵(lì)磁繞組的電感；W L 勵(lì)磁繞組儲(chǔ)藏的總能量。文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)，這時(shí)還認(rèn)為L(zhǎng) 為常數(shù)，但當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)，這時(shí)還認(rèn)為L(zhǎng) 為常數(shù)，會(huì)帶來很大的誤差，我們可以用下述方法來近似計(jì)算勵(lì)磁繞組的磁場(chǎng)能量。忽略勵(lì)磁繞組的電阻，假定在滅磁過程中勵(lì)磁繞組兩端的電壓恒定為ULM ，則有：U LMdL（ 5-11）Wcont

15、dt式中：ULM 滅磁過程中勵(lì)磁繞組兩端的電壓；L 勵(lì)磁繞組的總磁通；W 勵(lì)磁繞組的匝數(shù)。此式說明在滅磁過程中，勵(lì)磁繞組中的磁通（即鐵芯中的磁密）隨時(shí)間作線性變化。見圖5-11（ a）。這樣勵(lì)磁電流 IL 隨時(shí)間的變化將和發(fā)電機(jī)的空載特性曲線有相似的形狀，相當(dāng)于將發(fā)電機(jī)的空載特性曲線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°，如圖 5-11（ b）、（c）所示。在整個(gè)滅磁過程中壓敏電阻上消耗的總能量也就是滅磁前勵(lì)磁繞組的總磁能。即：t 1t1WLU M I L dt U M I L dt（ 5-12）00式中：UM 勵(lì)磁繞組兩端的電壓；Ic 勵(lì)磁電流；W L 勵(lì)磁繞組的總磁能。圖 5-11滅磁過程曲線（ a

16、）磁通（ b）空載特性（c）勵(lì)磁電流顯然，是圖 5-11（ c）中陰影線所示面積，即此面積正比于勵(lì)磁繞組總磁能的大小，由于滅磁過程中 I L 的變化和發(fā)電機(jī)所示的面積是相同的，所以，我們可采用發(fā)電機(jī)的空載特性曲線來估算勵(lì)磁繞組在所研究狀態(tài)下的總磁能。應(yīng)該指出，在滅磁過程中，勵(lì)磁繞組的總磁能不會(huì)全部消耗在壓敏電阻上，因?yàn)樽枘崂@組，勵(lì)磁繞組本身的電阻及開關(guān)斷開口在滅磁過程中都會(huì)消耗一部分能量。計(jì)算表明，壓敏電阻在滅磁過程中所消耗的能量，約占勵(lì)磁繞組總能量的60% 70%。三、均能問題由于壓敏電阻在滅磁過程中要吸收的能量很大，對(duì)大，中型水輪發(fā)電機(jī)約為幾十萬到幾百萬焦耳，但一個(gè)壓敏電阻元件所能吸收的能

17、量（即其能容）是有限的，一個(gè)國產(chǎn)高能氧化鋅壓敏電阻元件的能容大都在二萬焦耳左右，這樣，一套滅磁裝置常常要用幾十甚至一，二百個(gè)壓敏電阻元件。串，并聯(lián)而成。由于壓敏電阻流通時(shí)的電壓較高， （五百到六百伏左右） ，元件的串聯(lián)數(shù)不能太多（常為 3 5 個(gè)元件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)支路） ，否則，滅磁時(shí)勵(lì)磁繞組兩端的電壓會(huì)過高。因此，一套滅磁裝置的壓敏電阻通常有幾十個(gè)并聯(lián)支路。由于壓敏電阻具有良好的壓敏特性，微小的電壓特性差別會(huì)造成很大的電流差，因此，保證這些并聯(lián)支路在滅磁過程中的能耗一致（即電流分布均勻），就成為裝置可靠工作的基礎(chǔ)。為保證各并聯(lián)支路在通流時(shí)電流分布均勻，要求各支路有一致的伏安特性，采用微機(jī)控制和檢測(cè)的專用測(cè)試設(shè)備可以做到這一點(diǎn)。另外，還可在每個(gè)支路中串聯(lián)一個(gè)阻值不大的線性電阻，此電阻不但有均流作用，還能防止當(dāng)壓敏電阻在正常運(yùn)行中擊穿損壞時(shí)，該支路的電流不致過大。四、對(duì)磁場(chǎng)斷路器的要求文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 .在圖所示的電路中， 滅磁時(shí)， 首先磁場(chǎng)斷路器 D 分?jǐn)?，?qiáng)迫勵(lì)磁繞組中的電流從壓敏電阻中流過（即完成一次換流） ，