发电机灭磁失败原因分析及改进措施

发电机灭磁失败原因分析及改进措施
陈小明（葛洲坝水力发电厂443002 湖北宜昌市）
摘要：针对近期某发电厂发生的灭磁开关烧毁事故，本文介绍了由双断口灭磁开关（FMK）和ZnO非线性电阻构成的灭磁系统的工作原理，分析了其灭磁失败的主要原因，并提出了减轻灭磁开关灭弧负担，保证灭磁成功的改进措施：(1)降低ZnO非线性电阻的残压；(2)在ZnO非线性电阻两端并联线性电阻，以得到一条近似SiC非线性电阻的伏安特性，现场工业试验已验证其有效性。

关键词：励磁装置灭磁开关非线性电阻
0 引言
1999年4月3日，某一大型水轮发电机组的励磁装置因强励失控，励磁电压和电流最高达到1200V和3800A，造成励磁变压器过流保护动作，机组停机灭磁。

而在这一灭磁过程中，却发生了灭磁开关严重烧毁的事故。

本文分析了其主要原因，并提出了减轻灭磁开关负担，保证灭磁成功的改进措施。

1 灭磁原理介绍
该机组的励磁装置灭磁系统由DM4-1600双断口灭磁开关（FMK）和ZnO 非线性电阻（Rf）组成，其灭磁原理图如图１所示。

Uk1
Uk2
虚线连接的电阻R是本文的改进措施之一
图１灭磁原理图
Fig.1principle of de-excitation
在图1中，二极管D保证Rf只在发电机励磁电压Uf反压时(即下正上负)时投入，Rf两端的工作电压即阀片残压为1500V。

正常运行时，FMK合上，可控硅整流桥SCR输出整流电压Ud和整流电流Id，Uf正压（即上正下负）。

FMK 跳闸灭磁时，其双断口同时断开，触头拉弧并将电弧吹入灭弧罩，电弧在FMK 双断口形成电弧电压Uk1和Uk2，极性如图1所示。

以此同时，Uf由正压变负压，当Uf大于Rf的残压1500V时，励磁电流If流经Rf，FMK双断口电弧熄灭，磁场电流由FMK转到Rf上来，Uf仍被限制在1500V，If按直线衰减，直到Uf 和If均为零，转子磁能变为热能，发电机灭磁成功。

2 灭磁失败原因分析
灭磁成功的关键是磁场电流由FMK转移到Rf上来，其转移时间约为40毫秒。

若转移不成功，整个磁场电流将由FMK单独消耗，此时若磁场电流超过FMK 的灭弧能力，则必然造成灭磁开关烧毁。

由于DM4双断口灭磁开关，在灭磁回路中主要是作为一个移能开关来使用的，不具备单独吸收强励失控下的转子磁能。

在该机组FMK跳闸灭磁中，因能量太大，灭弧栅的电弧向外大量喷射导电的物质，大大的降低了灭弧室及触头间的绝缘，并使其发生短路烧毁，从而导致灭磁失败。

为什么该机组的磁场电流不能有效的转移呢？首先来分析磁场电流的转移条件，从上图可见，Uk1+Uk2-Ud2-Uf=0，又Uf=1500V，则得到该灭磁系统的磁场电流转移条件：Uk1+Uk2-Ud≥1500V。

按照直流电弧的理论，电弧的伏安特性是非线性的，电弧产生的过程中，电弧电压值是变化的。

跳闸前Uk1和Uk2的值为零，跳闸瞬间Uk1和Uk2的值急剧上升，拉弧越快其值越高，但随着电弧被吹进灭弧罩的灭弧栅，电弧被拉长，电弧电压也就随电弧长短而变化。

倘若电弧被灭弧栅分割成短电弧，电弧电压值就为灭弧栅的片数乘以短电弧电压值，该灭弧栅为28片，短电弧电压值取30V，则Uk1=Uk2=28×30=840V。

考虑上述因数并结合DM4灭磁开关的试验资料，一般来说，在FMK跳闸过程中，当电弧被电动力和热气流吹进灭弧栅燃烧时，断口两端将产生900V--1200V电弧电压。

将该范围内的电弧电压值代入Uk1+Uk2-Ud≥1500V，就得到一组磁场电流转移成功，整流输出电压必须满足的条件：
条件1：当Uk1+Uk2=900 +900 = 1800V时，Ud≤300V；
条件2：当Uk1+Uk2=1000+1000=2000V时，Ud≤500V；
条件3：当Uk1+Uk2=1100+1100=2200V时，Ud≤700V；
条件4：当Uk1+Uk2=1200+1200=2400V时，Ud≤900V。

将上述条件同该励磁装置典型运行工况的整流输出电压进行比较，就得到不同条件下，是否满足磁场电流转移的结论，如表1所示。

表1改进前计算转移条件的结果
从表1我们看出，在灭磁开关每一断口只能建立900V—1200V电弧电压的条件下，该励磁装置灭磁系统完全满足空载额定状态下的灭磁任务，部分满足负载和强励限制状态下的灭磁任务，完全不满足强励失控状态下的灭磁任务。

正是由于该机组强励失控，整流输出电压Ud已达到1200V，此时要满足Uk1+Uk2-Ud ≥1500V的条件，则要Uk1+Uk2≥2700V，即每一断口的电弧电压要达到1350V 才行。

正是由于FMK的断口不能建立1350V的电弧电压，才使得该机组的磁场电流不能有效的转移。

3改进措施
3.1降低ZnO非线性电阻的残压
若Rf的残压由原来的1500V降为1000V，则磁场电流的转移条件变为：Uk1+Uk2-Ud≥1000V。

按照上述分析方法，又得到一组新的磁场电流转移条件和结论，如表2所示。

条件5：当Uk1+Uk2= 900+ 900= 1800V时，Ud≤800V；
条件6：当Uk1+Uk2=1000+1000=2000V时，Ud≤1000V；
条件7：当Uk1+Uk2=1100+1100=2200V时，Ud≤1200V；
条件8：当Uk1+Uk2=1200+1200=2400V时，Ud≤1400V。

表2改进后计算转移条件的结果
由此可见，同样在灭磁开关每一断口只能建立900V—1200V电弧电压的条件下，该改进方法可使灭磁系统完全满足空载、负载和强励限制状态下的灭磁任务，但只能部分满足强励失控状态下的灭磁任务，除非Rf的残压降低至600V 或提高FMK的技术指标。

可见，在允许的范围内降低Rf的残压，可大大提高磁场电流由FMK向Rf成功转移的可靠性，而这对于此类灭磁系统的灭磁成功是极其重要的。

3.2在ZnO非线性电阻Rf两端并联线性电阻R
正常运行时，因二极管D的隔离作用，电阻R不吸收正向电压下的磁能。

当FMK跳闸灭磁时，双断口拉弧建压，一旦Uk1+Uk2-Ud≥0即Uf由正变负，电阻R就开始续流灭磁，磁场电流首先由FMK开始向电阻R转移，直到FMK 双断口电弧熄灭。

在电流转移的过程中，当R两端的电压超过Rf的残压即1500V 时，Rf就参于灭磁吸能，并限制Uf≤1500V。

这种分段转移磁场电流，Rf和R 共同灭磁吸能的方法，最先由葛洲坝电厂的黄大可工程师提出，并成功的进行了两次灭磁试验。

ZnO非线性电阻和线性电阻并联，也就是二者伏安特性的叠加，选择合适的R值，就能得到一条近似SiC非线性电阻的伏安特性，如图2所示。

在国外的励磁装置上，大量采用的灭磁电阻就是SiC非线性电阻。

i
+ =
u u u
ZnO 电阻SiC
图2伏安特性的叠加过程
Fig.2Superposition of V A curve
4 结束语
发电机灭磁失败对励磁装置的安全运行构成了较大的危害，必须从各个方面采取预防措施。

首先要对励磁调节器的过无功限制和强励限制进行认真整定校核，加强脉冲变的绝缘，杜绝励磁装置强励失控的发生。

在强励失控的条件下灭磁，过高的整流输出电压会影响磁场电流的转移，采取降低非线性电阻的残压或并联线性电阻，有助于这一问题的解决。

ANALYSIS OF CAUSE OF FAILURE AND IMPROVEMENT OF
GENERATOR DE-EXCITATION
Chen Xiaoming, (Gezhouba Hydropower plant, 443002, Yichang, China）
Abstract:Due to the accident a de-excitation breaker was burned in a power plant lately. This paper introduces the principle of de-excitation which consists of a double-break de-excitation breaker and ZnO non-Ohmic resistor. The cause of the de-excitation breaker to ensure the successful de-excitation, i.e., decreasing the residual voltage of ZnO non-Ohmic resistance. Field test was done to verify the validity of proposed measures.
Keywords: excitation equipment de-excitation breaker non-Ohmic resistor
作者简介：
陈小明，男，高级工程师，毕业于西安电力专科学校，长期从事水轮发电机励磁装置的检修维护工作，曾从事励磁产品的开发和设计制造。

作者照片：陈小明同万森海师傅在三峡电厂开关站留影纪念。