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：

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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