非线性电阻灭磁原理及阀片的配置原则

课程论文/研究报告

课程名称：水力机组控制

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论文/研究报告题目：

非线性电阻灭磁原理及阀片的配置原则

完成日期：2013 年11 月13 日

学科：水利工程

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非线性电阻灭磁原理及阀片的配置原则

摘要：

本文叙述了非线性电阻灭磁的原理，及实际应用中非线性电阻阀片的合理配置原则。

关键词：非线性电阻，氧化锌阀片，过电压，保护

前言：

在同步发电机的运行过程中，由于种种原因，可能会是励磁装置的主要部件和发电机的转子励磁绕组中呈现过电压。这些过电压往往会对励磁装置和同步发电机本身构成较大的危害，因此分析发电机转子过电压产生的原因并采取相应的措施对电力系统的安全运行有重要的意义。其中，励磁系统最常见的过电压为灭磁过电压，本文针对灭磁过电压进行了分析，着重叙述了非线性电阻灭磁方法及非线性电阻灭磁时非线性电阻阀片的配置原则。

1、灭磁过电压及其保护

图1.1 灭磁等效电路

励磁系统最常见的过电压为灭磁过电压。灭磁过电压是指当励磁电源断开时，

励磁绕组的大电感释放能量所产生的高电压,此过电压值为。这个电压值如超过励磁回路绝缘允许值，就要发生绝缘击穿。为避免发生这种现象,就要正确处理灭磁速度和过电压之间的矛盾。

理想灭磁条件是：在保证灭磁过电压不超过转子励磁绕组容许值的前提下，

励磁电流保持最大速度衰减，直到灭磁过程结束。

发电机灭磁工况有空载灭磁、事故甩负荷灭磁等。灭磁过电压保护的设计首先需要对可能出现的各种故障下的灭磁进行磁场能量的计算，最大灭磁能量计算的准确是灭磁装置设计的关键,灭磁时间的快慢是判断灭磁装置优劣的关键指标。

通常使用的灭磁方法有：线性电阻灭磁、灭磁开关灭磁、逆变灭磁和非线性电阻灭磁。目前，应用广发的是非线性电阻灭磁。

非线性电阻灭磁目前有两种构成方式，一种是利用碳化硅（SiC）非线性电阻构成的，另一种是利用氧化锌（ZnO）非线性电阻构成。两者的基本工作原理相同。前者非线性系数0.4～0.8,后者为0.04～0.08,相比之下前者换流电压较低,但泄漏大,易发热,相应灭磁时间略长于后者；氧化锌泄漏电流小，导通后电压恒定,伏安特性极其优越，且体积小，能容大，灭磁条件理想，虽然导通电压较碳化硅材料高，但仍能满足转子绝缘水平要求。下面以ZnO型为例进行分析。

图1.2 非线性电阻灭磁原理图

灭磁的原理如图1.2所示，其中i为转子中的电流、FR1 为氧化锌非线性电阻、FMK为灭磁开关、Uo为励磁电压、LP为整流电源、Uk为灭磁开关弧压、UR 为氧化锌非线性电阻残压。若要使转子电流衰减至零，必须在转子两端加一个与其励磁电源电势相反的电势U，灭磁方程式为Ldi/dt+U=O。可见电感中电流衰减率正比于反向电势U，反向电势越大，灭磁时间越短。但反向电势受转子绝缘水平限制，不能超过转子绝缘允许值。因此最理想的灭磁方式是灭磁电压保持恒定。电流保持一个固定的变化率（di/dt=-U/L）按直线规律衰减至零。由于氧化锌非线性电阻残压UR变化很小，灭磁时近似于恒压，即UR=U。发电机正常运行时转子电压低，氧化锌非线性电阻呈高阻态，漏电流仅为微安级。灭磁时，灭磁开关FMK跳开，切开励磁电源，在满足Uk≥Uo+UR时，电流被迫入灭磁过电压保护器

中，转子绕组中所储能量被氧化锌非线性电阻消耗，且氧化锌良好的伏安特性保证了这部分能量几乎以恒压的形式消耗，确保了发电机组的安全。

2、非线性电阻阀片配置

图2.1 实际应用中的非线性电阻灭磁方法

实际应用中，发电机转子灭磁及过电压保护装置采用多组氧化锌非线性电阻通过串并联跨接于转子绕组两端，如图2.1所示。在实际非线性电阻灭磁装置设计时，除了需要对可能出现的各种故障下的灭磁进行磁场能量的计算，准确计算出最大灭磁能量，为阀片容量的选择奠定依据。另外一个较为关键的技术在于并联后各种阀片能否均匀地分担磁场总能量。

目前国内生产的氧化锌单只阀所能承受的极限能量是15KJ-25KJ,而大型发电机励磁绕组中存贮的能量是几百万焦耳。因此必须采用大量的氧化锌阀片进行串并联组合以提供足够的能容。由于氧化锌阀片间存在着固有的离散性,因此保证氧化锌阀片串、并联组合的均衡性，是氧化锌阀片串并联组合技术的关键。

高能氧化锌阀片是能量元件,造成阀片损坏的主要原因就是能量超过极限而引起的热击穿,贯穿出一个弹孔状小孔,孔壁上呈现出极低的电阻形成该元件片的短路。几百只氧化锌元件中只要有一只承受不住能量的冲击而短路,该元件所在的支路的所有元件都会随之击穿,引起一条支路的短路,转子的磁场能量在这个短路点释放,燃起很大的电弧将装置烧毁。所以氧化锌串并联组合技术是保证灭磁柜质量的关键,只要每条支路吸收的能量比较均匀,就不至于引起热击穿损坏。

实际应用中，通过采用均能配片的方法进行阀片的串并联。所谓均能配片就

是在测试、选配、组合氧化锌阀片时通过计算机计算出实际等效灭磁支路应承受的能量,按设计给定误差范围,配出每一支路的氧化锌阀片。在进行均能配片时，可通过串联控制阀片电压的分散度,并联控制阀片在灭磁过程中吸收能量均衡性,

综上所述，一个品质优良的非线性电阻灭磁装置，应具备以下几点：

(1)灭磁能量的精确计算

(2)阀片正确的测试方法和精度

对阀片不仅测其一点或几个点,应对阀片作全电流的测试,即对 100安培以下的各点的电流电压值作快速密集的采样,将采样到的几百对数据由计算机作拟合曲线处理。

(3)数据采集系统必须保证有足够的精度

(4)用均能的原则对阀片进行合理的组合匹配

图2.2 熔断器的配置

需要说明的是，即使做到上面几点，也不可能保证灭磁装置在运行中不被烧毁。这是因为除了有的阀片达到临界能量冲击寿命外,阀片即使在有密封处理后也可能受潮发生沿面爬电击穿。为使灭磁装置在个别支路发生故障时也能可靠灭磁,唯一的保证就是各个支路上装有特制的熔断器，如图1.4所示RD。熔断器的熔断时间必须小于 2s,熔丝电压要有足够的高，这样可以将故障支路短路电流快速迫入其它支路,故障支路被切除。此时，灭磁装置仍可以可靠的灭磁。