发电机灭磁及过电压保护介绍(NR)

• 线性电阻耗能方式
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考虑阻尼绕组后，发电机空载额定电压按灭磁 回路时间常数和阻尼绕组回路时间常数之和指数衰 减，时间较长。 控制灭磁过程中磁场绕组过电压，近年来趋向 取较小的灭磁电阻值，从灭磁电阻R为5倍磁场电阻r， 减小到R=(1～３)r。 线性电阻不能直接与转子并联，必须配备常闭 灭磁主触头或电子触发的跨接器，在灭磁时，常闭 灭磁主触头闭合或跨接器导通，线性电阻接入灭磁 回路。
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灭磁耗能方式
• 逆变灭磁方式
如果给发电机转子提供直流电流的变流器采用可控 硅全控桥型式，当控制角大于90°时，整流装置输 出电压为负，励磁电流也相应的从正到负，但当励 磁电流衰减到零时，由于整流装置不能反向导通而 截止。灭磁过程中相当于在转子绕组上加固定反向 电压，磁场能量通过可控硅换流装置反馈回励磁电 源。
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灭磁耗能方式
• 线性电阻耗能方式
常规线性电阻灭磁，简单可靠。如忽略阻尼绕组， 发电机空载额定电压灭磁时，其端电压按指数衰减。 如发电机额定电压为18000V，R=0时，下降到峰值为 200V的时间需TM0=4.84T1，R=5r时，TM1=0.8T1， T1=L/r发电机励磁回路时间常数。
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灭磁耗能方式
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灭磁耗能方式
• 逆变灭磁方式
逆变灭磁较机械灭磁的优点是没有机械操作，
动作可靠，而且没有延时。灭磁时转子过电压低。
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因此可控硅励磁以逆变灭磁为正常工况下主要灭磁
方式。 为了提高灭磁可靠性，避免变流器故障时发电 机无法灭磁，一般都采用正常时逆变灭磁及故障时 灭磁开关+灭磁电阻灭磁两种灭磁方式。
灭磁耗能方式
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开关及移能方式
• 交流侧灭磁开关
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对于汽轮发电机，一转子电感较小，储存能量小一些； 同时转子涡流形成的阻尼作用较强，同时考虑Ｑ轴磁 通的影响，快速灭磁效果不显著。因此，汽轮发电机 组灭磁时可以选择较低的灭磁电压Um，甚至可以采用 零灭磁电压（短路灭磁）方式，从而降低灭磁开关弧 CB dx 压的要求，这样可以将 灭磁开关布置在交流侧，SCR Z2 Z1 以交流侧开关代替直流 AC Rd Rb 侧开关，也称为 G 交流灭磁 Ld
Uk
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IK I f Im 0
U m U K U SCR U K U m U SCR
Ik
SCR
MK
MK
If
Uscr
Um
R
Im
G
开关及移能方式
• 励磁电源分断条件
灭磁开关能否真正分断励磁电源，成功将灭磁电流 转移至灭磁电阻，本质取决于灭磁开关断口弧压与 可控硅变流器的电压之差是否大于灭磁时电流流过 灭磁电阻所产生的灭磁电压，常规设计可控硅变流 器为交流电压最大值的1.35倍，按此要求，对于大 型发电机组要求灭磁开关弧 MK MK 压要达到很高的数值才能保 SCR 证安全分断励磁电源，完成 R G 能量转移
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开关及移能方式
• 交流侧灭磁开关
2）在交流侧开关分断后仍保存触发脉冲或变流元 件为整流二极管，假设当前导通的桥臂为+A和-C， 开关B相没有电流直接分断，如果弧压没有将电流 转移到灭磁电阻回路，经过60度后，经过脉冲触发， 要将电流换至+B相，B相断口已分断，换相失败， 仍在+A和-C中流通，再过60度后，-A相触发脉冲， 电流由-C相转至-A相，最终形成A相上下桥臂直通， 形成转子回路短接灭磁（Um=0），流过交流开关电 流衰减至零，断口电弧熄灭，但由于零电压灭磁， 灭磁时间会比较长，按转子时间常数进行衰减。
Uk Ik If
Uscr Um Im
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开关及移能方式
• 励磁电源分断辅助措施
灭弧栅电压是一个常数，不随电流改变而改变， 也就是说，灭磁开关所产生的弧压是一个常数，与 灭磁电流大小无关。而灭磁电压Um是按最恶劣灭磁工 况下设计，实际上也是一个常数。改变可控硅换流 器（而且必须是可控硅换流器）输出的电压，就可 影响灭磁电流的转换条件，有两种改善灭磁换流的 两个技术措施： 一是逆变灭磁，分断开关时控制脉冲触发角度突 变至逆变角，可控硅换流器输出电压平均值为负值， 这样，即使灭磁开关弧压小于将灭磁电流转移至灭 磁电阻的电压Um，也可完成能量转移。
灭磁主要任务及要件
• 灭磁装置基本要求
-保证安全可靠灭磁。
a.灭磁开关应有足够的分断发电机转子电流能力
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b.灭磁反电压不超过规定的倍数
c.灭磁装置的电路和结构应简单可靠
d.灭磁装置要有足够的容量
-灭磁时间应尽可能地短暂
报告内容
– – – – – – 灭磁主要任务及要件 灭磁耗能方式 灭磁开关及移能方式 灭磁装置设计 转子过电压保护 轴电压抑制介绍
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开关及移能方式
• 交流侧灭磁开关
1）在交流侧开关分断时中断换流器触发脉冲，由 于不能够进行换流，励磁电流将一直在中断脉冲前 导通的两个可控硅中流通（如前分析），直接将励 磁变压器的交流电压串入直流回路，使得在交流电 压负半波的时候，弧压与交流 电压幅值之后大于灭磁电压Um， 使电流转入灭磁电阻回路，流 过交流开关的电流衰减至零， 断口电弧熄灭，交流开关切断 励磁电源
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Um UK
即只要灭磁开关断口弧压大于最大灭磁电流所需 灭磁电阻电压，就可励磁电源分断，并完成能量 转移。由此可见采取中断脉冲措施，可以降低灭 磁开关弧压要求，但同时中断脉冲措施的可靠执 行，也成为安全灭磁的条件。
开关及移能方式
• 直流侧灭磁开关
对于线性电阻或SiC非线性电阻，则必须常闭主 触头，如果灭磁开关没有常闭主触头，则线性电阻或 SiC非线性电阻必须串联一个跨接器（CrowBar），正 常运行时，跨接器CB断开，流过电流为零，灭磁时， 控制跨接器导通，完成灭磁。这样，必须保证电子跨 接器可靠动作才能可靠灭磁 。
Uk Ik
Uk Ik
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SCR
MK
MK
If
SCR
MK D
If
Uscr
Um
R
Im
G
Uscr
Um
ZnO
Im
G
开关及移能方式
• 直流侧灭磁开关
直流侧灭磁开关灭磁方式在国内是主要的灭磁方式， 回路简洁，操作简单，运行可靠。主回路有明显的开 断触头，在励磁系统内部故障的时候，可以开断励磁 主回路，切断故障源，快速的衰减发电机励磁绕组磁 场，将发电机保护在最小事故内。
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开关及移能方式
• 励磁电源分断辅助措施
二是中断脉冲，控制励磁调节器突然中断可控 硅换流器触发脉冲，脉冲中断后，在励磁绕组电感 反电势作用下，原导通可控硅继续导通，其它可控 硅不再导通，则励磁电源Uac与发电机励磁绕组串联 的电路，则USCR变为交流正弦波，叠加上开关弧压后， 灭磁电阻两端电压呈大小交替变换，当为Uac正半波 时，Um比弧压UK小，不易换流； 当Uac负半波时，Um比弧压UK大， 容易换流。
灭磁耗能方式
• 非线性电阻耗能方式
灭磁过程中转子两端电压不变，电流直线下降，非 线性电阻阻值随流过电流减小而增大，非线性电阻 特性为：
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U Ki
β称为非线性系数，β愈小，电流衰减过程中励磁
电压的变化愈小。
Hale Waihona Puke Baidu
灭磁耗能方式
• 非线性电阻耗能方式
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灭磁用非线性电阻主要是SiC和ZnO，ZnO国内生产， SiC国外进口，ZnO非线性系数为0.046，SiC非线性系 数为0.3，就非线性性能看，ZnO非线性灭磁电阻要优 越得多。ZnO非线性灭磁电阻，采购容易，价格便宜， 灭磁残压容易控制，灭磁速度快 。SiC非线性灭磁电阻体积比较小 ，耐用性较好。采用非线性电阻 在灭磁残压的控制上，需要格外 小心，避免开关的配合不合理， 导致灭磁的事故。
发电机灭磁及转子过电压保护
报告内容
– – – – – – 灭磁主要任务及要件 灭磁耗能方式 灭磁开关及移能方式 灭磁装置设计 转子过电压保护 轴电压抑制介绍
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灭磁主要任务及要件
• 灭磁主要任务
灭磁定义：灭磁就是把转子励磁绕组中磁场储能尽快 地衰减到可能小的程度。最简单的办法是将励磁回路断 开，但励磁绕组具有很大的电感，突断断开，会在两端 产生很高的过电压，因此，在断开励磁电源的同时，还 应将转子励磁绕组自动接入至放电电阻或其它吸收能量 装置上去，把磁场中储存的能量迅速消耗掉。 灭磁任务：断开励磁电源，保证励磁电源不再向转子 供能量；接通放电设备，将转子励磁电流由开关强迫转 移至放电设备；消耗磁场能量，快速消耗磁场能量，保 证机组故障电源维持时间最短
Uk Ik
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Uk Ik
SCR
MK
MK
If
SCR
MK CB Rm Lm
If
Uscr
Um
R
Im
G
Uscr
Um
G
Im
开关及移能方式
• 直流侧灭磁开关
对于非线性特性优良ZnO非线性电阻，灭磁常闭主 触头不一定必要，但需要认真核算氧化锌ZnO的灭磁 残压与氧化锌ZnO的荷电率，如果荷电率不能满足要 求，则一般将非线性电阻与逆止二极管D串联后，并 接至发电机励磁绕组 。
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开关及移能方式
• 交流侧灭磁开关
对于交流侧开关灭磁，为保证励磁电流能正确 转移至灭磁电阻回路中，在跳开交流侧开关之前， 必须配合中断可控硅的触发脉冲措施。 但如果考虑到机端三相短路，不能够串入交流 电压，如果交流开关弧压不能大于灭磁电压Um，就 不成功能够进行灭磁，开关断口电弧不能很快熄灭， 就会损坏交流开关。因此，采用交流开关灭磁方式 时，灭磁电压Um设计较低，或者采用跨接器短路灭 磁。保证交流开关弧压大于灭磁电压Um
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灭磁耗能方式
• 灭弧栅耗能方式
灭弧栅灭磁就是利用开关灭磁弧直接吸收发电机转 子的能量，灭弧栅栅片间隙中的电弧压降基本上是 定值，不随电弧电流变化，因此有很好的灭磁效果。 国内曾广泛采用的引进自前苏联的DM-2开关，就是 在灭磁时将电弧吹入灭弧栅灭 弧。灭弧栅由很多铜片组成串 联间隙，每个间隙压降为25～ 30V。发电机空载额定电压灭 磁时，计及阻尼绕组影响，励 磁绕组、阻尼绕组电流、发电 机机端电压的衰减见图
灭磁耗能方式
• 非线性电阻耗能方式
对于汽轮发电机，因整体铸造的转子阻尼很强， 即T2较大，因此不强调快速灭磁，采用线性电阻作为 灭磁电阻，可靠性高，更为合适。国内高能氧化锌 非线性电阻发展较快。而且选择过快的灭磁方案实 际上对发电机转子会带来不利因素，因为在灭磁的 过程，如果励磁电流下降过快，可能导致阻尼绕组 （由涡流效应等价的绕组）感应电流过大，从而导 致转子铁芯过热。 在水轮发电机上非线性电阻特别是ZnO非线性灭 磁电阻，除作为灭磁电阻外，还兼作转子过电压保 护，因此，应用广泛
Uac Uk Ur
开关及移能方式
• 交流侧灭磁开关
交流灭磁本质上与直流侧开关没有不同，对于 功率变流器来说，在任一时刻，交流侧有两相与发 电机励磁绕组形成直流回路，交流侧开关不论在何 时分断，其分断的仍是直流电流，而不是交流电流， 这与配电系统的交流开关分断性质完全不同（负载 电流有过零点），如果励磁电流if不能转移发生转 移，同样在交流开关断口处（同一时刻只有两个断 口有弧，另一个断口无电流断开）产生电弧和形成 弧压，只时弧压后续发展与直流侧开关不同。
• Q轴磁通衰减
发电机在带负载工况灭磁时，除Ｄ轴磁通分量外，
还有Ｑ轴磁通分量，该分量的衰减决定于Ｑ轴阻尼，
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目前采用的快速灭磁只能影响Ｄ轴磁通，不能加速
Ｑ轴磁通的衰减，因此提出来了在灭磁时将发电机
出口三相短路，使磁通移向Ｄ轴，以加快灭磁速度 的方案。这个措施使灭磁过程复杂，而且误动作将 造成严重后果，所以在工业上未有采用。
SCR MK
Uscr
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Uk
UAC
Ur
R
G
SCR1
MK
MK
Uscr
(b)
Ur
R
G
Uscr
SCR2 (a)
(c)
开关及移能方式
• 励磁电源分断辅助措施
采取中断脉冲措施可改善灭磁时移能条件，但是 工程设计时校核灭磁开关弧压时，要以最严重条 件考虑，如果励磁电源短路时，励磁交流电压为 0，灭磁移能条件转化为：
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灭磁主要任务及要件
• 灭磁速度评价
（a）发电机电压衰减的时间常数TED； （b）也有用灭磁等值时间TEQ表示：
1 ia dt I a0 0 1 TEQ va dt Va 0 0
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TEQ
式中Ia 为发电机灭磁时的静子电流，即电弧中 流过的电流，iao为其超始电流。 Va为灭磁时的电机电势，它与ia成正比。 （c）从开始灭磁到发电机静子电压小于维持电 弧电压的时间TM；
报告内容
– – – – – – 灭磁主要任务及要件 灭磁耗能方式 灭磁开关及移能方式 灭磁装置设计 转子过电压保护 轴电压抑制介绍
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开关及移能方式
• 励磁电源分断条件
灭磁开关MK分断时，由发电机励磁绕组大电感的 作用，将在MK常开主断口间产生高电压并形成电弧 击穿，也就是说励磁电源并没有与发电机励磁绕组 断开，而是通过电弧连接在一起，只有电弧熄灭后， 才能算真正意义上的断开。