大型发电机灭磁及转子过压保护

大型发电机灭磁及转子过压保护
夏勇强
摘要：本文叙述有关发电机灭磁的技术要求，并通过目前国内外普遍采用的灭磁方案比较及存在的问题，重点介绍了新型PTC线性电阻配合非线性电阻灭磁的动作原理，提出了一种新颖可靠的发电机灭磁方案。

关健词：磁场断路器高能陶瓷电阻非线性电阻灭磁
一、概述：
随着国内大型电站的相继兴建，机组的单机容量及励磁容量不断增大，特别是采用具有高顶值系数的自动可控硅励磁系统，对灭磁及转子过压保护的要求越来越高，采用常规灭磁开关的灭磁方式已不能满足大型发电机组正常、可靠灭磁的要求。

在电站的实际运行过程中，曾多次出现灭磁失败而引起转子过压，造成转子磁极击穿，烧毁灭磁开关及励磁设备等重大事故。

甚至出现因灭磁时间过长，以致在主变压器内部短路时未能迅速灭磁断流，造成主变绕组严重烧损，外罩炸裂的恶性事故，经济损失十分巨大。

因此快速可靠的灭磁及限制转子过电压的有效措施成了国内大型发电机组安全运行亟待解决的问题。

二、发电机灭磁的技术要求：
2.1 必须满足各种运行工况下可靠灭磁的要求
大型机组励磁电流不断增加，转子的电感越来越大，转子所储存的磁场能量也随之增大，所以大型机组的灭磁装置必须满足有足够大的灭磁容量。

它除了在正常及机端短路时等强励工况下能可靠灭磁外，特别对于具有高顶值系数的自励可控硅系统，还必须满足在空载误强励时可靠灭磁的要求。

2.2满足快速灭磁的要求，尽可能实现接近理想灭磁时间
大型发电机虽然采用了现代快速灵敏的继电保护装置，但这种保护的作用是当发电机出现故障时，能尽快地将机组解列，即使机组解列，但故障电流依然存在。

不论发电机故障是一相短路还是部分绕组短路，在故障电流期间，损坏的程度随绝缘燃烧和铜线熔化的时间而增加，所以只有在发电机解列的同
时，采用快速灭磁才是限制故障和使设备免于全部烧毁最充分有效的措施。

2.3灭磁应更加彻底
大型机组的出口母线电压很高，在这种高压机组中，那怕只要有维持发电机母线电压10%的励磁残压，这种残压也足以维持故障处电弧，为此大型发电机组的灭磁应更加彻底。

三、理想灭磁时间及非线性电阻灭磁：
3.1理想灭磁时间:
理想灭磁时间即灭磁时间尽可能短，而且在整个灭磁过程中转子绕组两端感应的过电压不应超过转子绝缘强度所允许的最大值U fm。

利用绕组对放电电阻的原理来说明。

它的方程式为：Ldi/dt+i f(R+r f)=0 (1) 励磁绕组中的电流i f衰减规律是：i f=I f0e-t/T1 （2）,T1=L/R+r f------放电回路时间常数 (3)，由公式（2）可知灭磁过程为一指数衰减
图（1）
形式。

由公式（3）可知要想加快灭磁速度，只要增加放电电阻，则时间常数T1值减小,因灭磁初瞬间励磁电流初始值为I f0,它与放电电阻R的乘积就是励磁绕组两端的电压。

如果为灭磁速度快而选用较大的R的电阻值，则在灭磁瞬间将在励磁绕组两端产生过电压，将可能超过绕组绝缘强度的允许值U fm 。

为了使灭磁速度尽可能快，而且使绕组两端感应的电压不超过允许电压U fm，则要求在整个灭磁过程中希望L×di/dt保持不变并小于U fm，即L×di/dt=i f×R≤U fm=常数C，得到i f=1/R×U fm=1/R×C。

由此可知，为了保证U fm为一常数，则必须当灭磁电流I f在衰减的过程中，在R上电压降要保持不变，也就是放电电阻的变化应与衰减电流I f成反比，而线性电阻的值是个恒值，所以若放电电阻采用恒值电阻，U fm的值在整个灭磁过程中不可能不变，它将随着灭磁电流I f的减小而减小。

3．2非线性电阻灭磁：
如果将图(1)的放电电阻采用非线性电阻，则当磁场开关跳闸后，励磁绕
组对放电电阻的等值电路图见图（2）,因非线性电阻的伏安特性为：U=Kiβ（4），
U----端电压瞬时值，i----通过的电流瞬时值，β-----非线性系数，
K-----电流为1A的端电压的瞬时峰值。

由U0=Ki f0β，U0---灭磁初始电压,i f0---
图（2）
灭磁初始电流，U=Ki fβ=U0/i f0β×i fβ=U0(i f/i f0)β=Ri f0(i f/i f0)β（5）。

设放电回
路中所有的电阻均是非线性的，则励磁绕组对非线性电阻的放电过程可用下列
微分方程式表示：U+Ldi/dt=0，即：R×i f0(i f/i f0)β+ L×di/dt=0,得出微分方
程为：∫0∞i f dt=-L/R i f0β-1∫0if0i f1-βdi f （6）。

由“有效灭磁时间”定义：
T1=1/i f0∫0∞i f dt （7）。

由（6）.（7）两式可得:T1i f0=-L/R×i f0β-1∫0if0
i f1-βdi f=L/R×i f0/(2-β) ,所以: T1=L/R·1/(2-β) (其中R=Rn+r f ) （8）。

由此可知:只要增大非线性电阻也可减小时间常数T1，而且可以达到提高
“有效灭磁时间”的灭磁速度,但非线性电阻在灭磁初瞬间的起始电阻值同样
也受到励磁绕组绝缘强度的允许电压的限制U f0=R n0·i f0 ，U fm≥R f0·i f0。

由于非
线性电阻在灭磁电流较大时阻值较小,而后随灭磁电流的衰减而阻值增大,它
始终使非线性电阻的可变阻值与衰减的灭磁电流的乘积能基本保持常数。

四、灭磁的方法：
灭磁的方法很多，主要有线性电阻灭磁、非线性电阻灭磁、利用短弧阴极
效应原理设计的带灭弧栅的自动灭磁开关灭磁、交流灭磁及逆变灭磁等。

目前
国内外用于大型发电机组的灭磁方式大都采用强开关型磁场断路器配合非线
性电阻灭磁。

由于逆变灭磁只用于正常发电机灭磁，交流灭磁在机端短路时无
法正常灭磁，所以这两种方式不作阐述。

4．1强开关型磁场断路器配合非线性电阻灭磁这种灭磁方式比较典型的例子
的接线图为：
图（3）
作用于ZnO上的电压U f=U W-U Z，磁场能量转移的必要条件是：作用于非线性电阻上的电压大于其阀值电压即U f>U Rf1,而常规磁场断路器一般是利用短弧原理来灭弧的,其分断时的电弧电压决定于灭弧栅片。

当磁场断路器选定后,U W 基本上是一个定值，而可控硅桥输出电压U Z,不但决定于可控硅控制角α,还决定于可控硅的阳极电压,当发电机处于空载误强励状态下,由于α值处于最小值,而阳极电压又不断上升,以至能量转移条件遭到破坏,能量只能在触头上消耗而引起灭磁柜烧毁。

现国内外通常采取的办法是选取多断口磁场断路器,但这使得磁场断路器制造结构越来越复杂,体积庞大,成本增大,使得维护调整困难(三峡电站实验机不计交流灭磁开关，起直流侧磁场断路器正负极各有四个断口)，经过多年的现场运行可得出如下结论：
1、提高非线性电阻的动作电压值，可以加快灭磁的速度，但磁场断路器FMK 的遮断容量也随之增加，即非线性电阻的动作电压的许可值除受到励磁绕组绝缘强度的限制外，还受到磁场开关遮断容量的限制。

2. 在磁场断路器跳开的过程中，励磁绕组两端的电压为开关断口电压与励磁电源电压的代数和。

对励磁电源为自励可控硅整流的励磁系统，这代数和为一个大小和方向都在变化的交变电压量，当这交变电压在爬坡上升的过程中，只要达到非线性电阻的动作电压一般都能进行正常灭磁。

但这种灭磁方式同时也存在着一种灭磁失败的情况，当然发生的机率很小，即如果交变电压在爬坡上升的过程中，刚巧它的峰值等于非线性电阻的动作的电压值，则非线性电阻动作而使灭磁电流分流，当峰值一过，转子绕组两端的电压随之下降，这时电压很快又恢复到非线性电阻的阀值电压以下而又使电流阻断。

由于磁场开关的断口仍未断流，非线性电阻要到下个峰值来到时才能再次动作进行分流，当形成这种临界过程时即造成灭磁失败。

解决的办法一是提高磁场开关断口电压，二是给磁场开关的辅助触点一个适当的延时，以使非线性电阻投入的时间躲过这个爬坡的时间，也可用可控硅跨接器来实现。

3.双断口磁场断路器（或多断口）的断口时间必须要有一定的间距，以防极
间弧光断路。

4.2熔断器配合非线性电阻灭磁，其原理图如下：
图（4）
其灭磁过程为当发电机组因事故情况而跳磁场断路器BK时，熔断器RD 并接在磁场断路器两端，转子绕组电流因磁场断路器BK分断而流经熔断器RD 支路，熔断器迅速熔断使转子绕组与电源回路开路，由于Ldi/dt的作用很快使绕组两端的反向电压上升到非线性电阻R N1的导通电压，从而实现快速灭磁。

由于在大电流开断时，有可能出现磁场断路器BK尚未完全断开而熔断器RD先行断开，从而导致灭磁失败。

为此在RD支路中串接一可控硅KG使熔断器RD延时投入（约4Ms左右）以保证磁场开关能顺利开断。

采用熔断器配合非线性电阻灭磁的方案，具有接线简单、动作可靠、磁场开关负担轻、投资省、灭磁速度快等优点。

缺点是在转子电流较小时，熔断器的熔断时间较长，另外每灭磁一次需更换一次熔体，给检修人员带来工作量，实际应用就遇到一定困难。

如何解决上述各种灭磁方式中存在的受断口遮断容量限制，多断口结构复杂，体积较大、交流灭磁方式中控制复杂、灭磁时间长、故障时交流电压低及失控时有可能殃及整流桥造成事故扩大及熔断器方案中的上述缺陷等，从根本上提高磁场断路器的运行可靠性，特别是励磁装置误强励时，转子电流不能从磁场断路器转移到非线性电阻并造成磁场断路器烧毁的严重事故。

随着电子技术新材料的迅速发展，利用高能电子陶瓷（或高分子）电阻的温度特性PTC 线性电阻配合非线性ZnO灭磁装置将能从根本上解决上述问题，是开关技术的一次创新。

4．3新型PTC线性电阻配合非线性ZnO电阻灭磁：
A．高能PTC电阻的温阻特性：
高能PTC电阻R t的温阻特性曲线见附图（5）。

图（5）
由图可看出，在室温下每一片PTC电阻的阻值很小，约0.1Ω左右，随着电流通过，电阻温升的急剧提高，电阻值随之急剧增加，当片子的温度达到居里温度点时，其阻值可急剧上升至106-108Ω。

B．新型PTC线性电阻配合非线性ZnO灭磁装置灭磁和过电压保护回路原理图见附图（6），也可以将虚线部分与发电机转子并联。

附图( 6 )
图中：FMK-发电机磁场断路器，R T-高能PTC,R N1.R N2-ZnO灭磁电阻，D-二极管，L-发电机转子，I L-发电机转子电流。

U W-FMK断口电压，U Z-整流桥输出电压，
正常运行时,FMK合上,由于D的作用,R T、R N1上没有电流。

灭磁时,FMK跳开的瞬间, I L经过R T,由于电流流过PTC元件R T, R T的阻值在极短时间内急剧上升,在I L×R T的作用下, R T两端电压U W急剧增加,迅速达到氧化锌R N1动作阀值电压,转子电流I L转移到氧化锌阀片R N1上,直到转子电流被R N1完全吸收。

利用高能PTC温阻特性制造的发电机磁场断路器只需承流能力,而无须断弧能力,解决了发电机磁场断路器断弧能力不足而靠多断口建压或需交直流同时灭磁等复杂问题。

为此在上海鑫日电气科技有限公司常州试验基地（具有国内最好的试验条件，电感量达1.96H，耐压22KV，电流可达30KA，为全国最大的电感）进行了科学试验，取得了理想的效果，并已在国内近三十台励磁系统中得
到了实践应用，也经历过各种故障工况的考验，没有发生过一次事故。

这实质上也是一种换流技术，利用这一原理制成的磁场断路器只需承流能力而无需断弧能力，无需断口建压且无弧电流烧损，对磁场断路器的灭弧性能要求就会大大降低，灭磁装置可靠性和适应性大大提高，结构紧凑、简单，无需任何调整，优化组合高能电子陶瓷电阻即可获得性能优良的灭磁特性，并可适应任何容量的发电机组，满足任何极端灭磁工况的边界条件，发电机灭磁时，只要跳开磁场断路器，不需任何辅助操作，即可快速、安全灭磁。

五、电子磁场断路器的特点：
1、分断声响、可以做到无弧灭磁或弧光较常规磁场断路器大为减小，安全可
靠性高, 大大减小或消除了电弧及其不安全因素。

2、结构紧凑、简单，寿命长，免维护，尤适用于少人值守、无人值班电站。

3、电子组合磁场断路器通流容量大、断流范围宽、分断电压高、动作速度快、
安全可靠性高，有利于回路的断流和快速移能灭磁，可适用于大、中、小型同步发电机组灭磁及过压保护。