大中型水水轮发电机组

大中型水水轮发电机组的
磁场断路器与非线性灭磁电阻灭磁綜述
朱仲彦
大中型同步水轮发电机组，特别是采用具有高顶值自励可控硅励磁系统，对灭磁及转子过电压保护的技术要求已提到了一定的高度。

用常规的磁场断路器及非线性电阻相结合的方式已不能满足同步发电机组正常可靠灭磁的要求。

我国水电机组在实际运行的过程中，由于灭磁失败，引起磁场断路器烧毁以及因灭磁不力而造成转子过压击穿励磁设备的事故屡见不鲜。

从1981年葛洲坝第一台机组发生灭磁事故以来，以大型水轮发电机组的灭磁及转子过电压保护作为攻关课题，我国的励磁工作者在长达20余年的时间中，在引进、消化、吸收国外的磁场断路器及SiC非线性电阻的基础上，不懈地进行了设计，开发，研制及制造工作，取得了不少宝贵的经验与成果，尤其在高能ZnO非线性电阻与高断口弧压磁场断路器的研发与试制，获取了重大的突破。

下面就大中型同步发电机的灭磁系统的设计，磁场断路器及非线性灭磁电阻的选型等技术进行分别阐述。

一．灭磁系统的设计
优良的灭磁系统设计是可靠灭磁的基础，大中型同步发电机的灭磁系统，通常应满足以下基本的技术要求：
1、灭磁容量必须满足各种运行状况下可靠灭磁的要求。

大中型机组的灭磁装置必须有足够大的灭磁容量，除了在正常及机端短路等强励状况下能可靠灭磁外，特别是对于具有高强励倍数的自励系统，还必须满足在空载误强励等极限状况下可靠灭磁的要求。

2、满足快速灭磁的要求，最大灭磁电压尽可能接近理想灭磁时间。

大型发电机组虽然采用了现代快速灵敏的继电保护装置，但这种保护装置的作用仅是当发电机出现故障时，能尽快地将机组解列，但即使机组已经解列，可故障电流依然存在，不论发电机的故障是一相短路还是部分绕组短路，在故障电流期间，损坏的程度是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电流和使绕组免于全部烧毁最充分有效的措施。

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，哪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的电弧，为此大型机组的灭磁应更加彻底。

4、磁场断路器需足够高的断口弧压。

5、有效的转子过电压限制措施。

大型机组在灭磁的过程中，由于励磁电流的突然中断会产生过电压，这种灭磁过电压的能量很大，若没有有效的限压措施以及足够容量的消能装置，它将直接危及发电机转子绝缘及励磁装置的安全。

二、非线性电阻灭磁
要满足快速灭磁的需要，就必须采用非线性灭磁电阻，这是众所周知的事实，用於灭磁的非线性电阻有SiC和ZnO两种：
1、SiC非线性电阻
我国最早从70年代开始，八盘峡水电厂引进国外的的磁场断路器和SiC非线性灭磁电阻，随后龙羊峡320 MW机组的灭磁，隔河岩300X4MW万机组，、李家峡电厂40 X5 MW万机组，、XX 二滩水电厂550MWX6、XXXX水电厂350MWX4、XX构皮滩水电厂600MWX5、瀑布沟水电厂600MWX6、21世纪开始己加大到700MW，。

例如三峡水电厂700MWX26、XX拉西瓦水电厂700MWX5、龙滩水电厂700MWX7、小湾水电厂700MWX6等灭磁系统中亦采用了全部采用M&I Materials 公司生产的SiC非线性灭磁电阻。

用了那么多，而且其引进趋势越来越大，。

其性能及优越性到底如何?
（1）Metrosil SiC非线性电阻已有50余年的历史，，串并联组装工艺质量规X，构思新颖科学性强。

（2）SiC非线性电阻的V-A特性较软，易於并联，均流性能
好。

（3）SiC非线性电阻的导通电压（阀值电压）很低，易於磁场断路器换流。

SiC非线性电阻灭磁的綜合性能到底如何？我们在我国最大的电感（重6.8T, 电感量达1.96H）上作了大量的灭磁试验和运行实践中发现，它确实还存在着下列的不足和较大的问题：
1
A. SiC非线性电阻的电压表达式：U=Ki β，其中：β=a α—称之为非线性电阻系数一般SiC的α=2-6，所以，它的残压很高。

需要大量的SiC非线性电阻并联，否则，强励工况下磁场断路器不能可靠换流而造成灭磁失败。

B.大量并联的SiC非线性电阻不能满足快速灭磁的需要，例如龙羊峡320 MW机组空载灭磁经实测达9.15S。

完全达不到快速灭磁的要求。

我国某大型机组（700MW机组）已出现过因定子内部短路而由于灭磁时间过长而造成定子绕组180支线棒烧毁的严重事故。

C.从国外引进，总的来讲性价比差（进口装置不是在保护发电机，而是保护磁场断路器）。

2、ZnO非线性电阻
我国从85年开始就进行了高能氧化锌非线性电阻用于大型发电机灭磁的课题的研究，相继在白山、葛洲坝等大型机组上进行了工业试验，获得了巨大的成功，在以后的20余年中，已经在中小型机组上得到了广泛的应用，在巨型机组上没有取得零的突破的主要原因：（1）ZnO非线性电阻的V-A特性较，串并联使用的条件十分苛刻，不易达到均流的要求，如果过负荷会有短路，爆炸的可能。

（2）ZnO非线性电阻本身带有负阻特性，在使用中需串接熔断器，占积率大，Φ88×H10mm 的ZnO片和快熔组成的灭磁电阻占用空间较大，是用于700MW机组的主要障碍之一。

（3）尽管ZnO非线性电阻的非线性系数α一般＞20，非线性特性很好，且灭磁残压很低，但由于ZnO非线性电阻的导通电压（阀值电压）很高，开关不易换流，给磁场断路器选型带来很大的困难。

随着高能PTC的研制成功，采用ZnO&PTC组件后，ZnO非线性电阻的串并联、均流问题以及换流困难的问题均已得到了完善的解决，该项技术已广泛应用于中小型电站，ZnO非线性电阻的优越性得到了明显的体现：
(1)灭磁速度大为提高，可以实现快速灭磁。

龙羊峡320MW机组转子的电感量高达3.2H，其灭磁装置（磁场断路器及非线性灭磁电阻）是从ABB引进的，1986年当时的灭磁试验波形及试验报告表明，ABB采用的SiC非线性电阻的空载灭磁电压仅为180V，空载灭磁时间长达9.15S，而2007年采用PTC&ZnO非
线性电阻灭磁组件的空载灭磁试验波形表明，ZnO非线性电阻的空载灭磁电压达1180V，空载灭磁时间仅为1.5S，而且磁场断路器的断口弧压在换流的初瞬间仅只需320V，试验现场摄像开关断口无电弧，开关断口的电动力及声响很小，说明采用PTC&ZnO非线性电阻灭磁组件的灭磁具有一定的先进性。

ABB-SiC非线性灭磁电阻装置
灭磁录波图
PTC&ZnO非线性非线性电阻装置
灭磁录波图
（2）采用PTC&ZnO非线性非线性组件，大大减轻磁场断路器的换流负担，不用采用多断口的方案，安装方便，灵活，占用空间小，下面是能达公司用双断口配合PTC&ZnO非线性非线性电阻为三峡700MW机组研制的灭磁装置，占积率小。

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3、SiC和ZnO非线性电阻并联
SiC阀片的V-A特性比较软，易于串并联使用，通常在灭磁电流不大（额定或额定以下）的工况下，因大量并联的SiC非线性电阻的残压不高，所要求的断口弧压亦较低，易于实现磁场断路器断口电流对SiC非线性电阻的安全转移，磁场断路器的触头不会烧损，无维修工作量，很受用户的欢迎。

但在开断强励电流等大电流的情况下，SiC
非线性电阻会产生极高的残压，更难实现断口电流的转移，不仅对转子的绝缘构成一定的威胁，而且造成开关触头烧损或烧毁的严重事故。

高能ZnO电阻的非线性特性远优于国外用于灭磁的SiC非线性电阻，它还具有漏电流小，能量密度大等优点，它是一种工作可靠，占积率小，能量大，移能时间短且效率高的元件，是实现快速灭磁和有效抑制瞬态过电压的理想器件，用ZnO非线性电阻配合灭磁，为达到快速灭磁的目的，需要选用的磁场断路器能提供足够高的断口电压，磁场电流才能换流到ZnO灭磁电阻中去，否则将不可避免地引起磁场断路器烧毁的严重事故。

研制多断口高额定最大遮断电压的磁场断路器，将断口的弧电压甚提高不仅这种磁场断路器制造困难，价格昂贵，而SiC是软开断。

ZnO非线性电阻的V-A特性较硬，串并联使用的条件十分苛刻，只有经过严格的配片，否则会因不均流造成短路，爆炸的可能。

而SiC非线性电阻容易实现并联运行，而且SiC电阻在损坏时呈开路状态。

综合以上两种非线性电阻的优缺点，一种高能SiC &ZnO组件，将它与ZnO非线性电阻优化组合，既便于磁场断路器换流又可在大电流开断时不会引起过高的残压，且能满足快速灭磁的要求，灭此组件也用不到采取任何措施均流措施，下面为采用两种非线性电阻并联运行以后的灭磁性能优良的录波
具体的组装方式见下图
采用本方案成本低，灭磁性能好，不用考虑均流，均能等措施，确实为值得推广的一种好方案。

三、磁场断路器
磁场断路器是发电机灭磁重要的器件，要实现快速灭磁必须要有快速的分断速度和足够的分断容量，与非线性电阻配合还必须保证有足够的断口建压的能力，通常采用双断口的磁场断路器。

为了达到高断口弧压的目的，防止弧光极间短路和对地短路，往往将灭弧罩做得很大，所以价格很高，我国基本上都是靠进口或从国外引进。

用非线性电阻灭磁，必须选择有相应开断特性的直流磁场断路器相配合，才能实现磁场电流从主回路向灭磁回路的安全转移，否则会酿成大的恶性事故，磁场断路器必须保证足够的断口弧压，灭磁初瞬的计算公式是：磁场断路器断口弧压U arc＞整流装置最大输出电压U max +最大磁场电流全部转移到灭磁电阻上的电压(最大灭磁电压)U fde
即：U arc＞U max + U fde
我国20余年的时间来研制了DM2、DM、4DDL、DMX等新型磁场断路器，取得了不少成绩，但国内即使使用4断口相串联的DMX2也大致延用国外多断口的思路，未能有新的突破。

目前三峡700 MW 水电机组灭磁系统采用了引进的交，直流侧均设置断路器配合非线性电阻的灭磁方案，其中直流侧的磁场断路器型号为CEX- 5500 的8个断口的直流接触器串联组成，多断口分断的同步性及过于复杂的操作机构对灭磁的可靠性是个威胁，残压过高的SIC非线性电阻在强励工况下对磁场开关能否换流成功造成很大的隐患。

GXW2M系列磁场断路器用新的设计理念，采用发明专利技术（ZL 2007 20043251.3实用新型及发明型2007 10026188.7），用新型材料——高能PTC和ZnO组件限制电场强度的方法，使直流电感性负载在开关开断过程中产生的电弧在灭弧罩栅片间能均匀地限制在一定的电场强度下，达到较好的灭弧效果。

既能满足非线性电阻换流所需的断口弧压，又可限制栅片间过高的场强，束缚电弧的电动力而不产生喷射，从而消除了弧光极间短路或弧光对地短路等现象。

灭磁波形图
1）．GXW2M对碳化硅SiC非线性电阻实测的灭磁录波图氧化锌ZnO 从录波图看出SiC的残压非常高，达2350V，电源电压为360V，断口弧压为2660V，断口弧压达2710V
2）GXW2M对氧化锌ZnO非线性电阻实测的灭磁录波图。

从录波图看出ZnO非线性电阻2500A的灭磁残压为1200V，电压为500V，断口弧压为1700V.动力及电弧喷射问题，加上采用永磁替代了通常的串激吹弧系统、及短弧原理制成的灭弧室，既保证了小电流下的可靠分断，又能建立恒定的弧压，从而确保断路器分断时可靠换流灭磁。

四思考與呼吁
SiC非线性电阻由于非线性特性比不上ZnO, ZnO避雷器已广泛
应用于高压过电压保护领域，国外SiC非线性电阻工厂纷纷倒闭，目前基本上只剩下英国的M&I Materials公司，是我国的三峡工程救了它，从上面分析，SiC非线性电阻应用於灭磁，确实还存在着较大的问题;另外采用被外国人耻笑的8斷口磁場斷路器等多断口的設計（包栝採用ABB-4斷口的交流開關），都值得思考，難道外國的月亮比中國的圓？在這裡，作为一个老水电，凭着对水电事业的钟爱，我要要呼吁：不要歧視國貨，中國在滅磁技術领域不比外國差，ZnO非线性电阻比SiC非线性电阻灭磁就是好，科技创新的GXW2M新型磁場斷路器的已屬世界領先水平,让我们共同努力，为振兴民族电气而奋斗。

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