灭磁与转子过电压保护综述

技术讲座讲稿

灭磁与转子过电压保护

2004年10月

灭磁与转子过电压保护

1.非线性电阻

所谓非线性电阻是指加于此电阻两端的电压与通过的电流呈非线性关系，其电阻值随电流值的增大而减少。

作为非线性电阻的材料一般用碳化硅和氧化锌。就非线性特性而言，氧化锌电阻优于碳化硅。在评价非线性电阻特性时，通常以非线性电阻系数β来表征，此系数仅与电阻阀片的材质有关。碳化硅SiC 非线性电阻β＝0.25～0.5；氧化锌ZnO 非线性电阻β＝0.025～0.05。

U G

U D

U C

U

对于氧化锌非线性电阻，标志其特征的主要数据有： （1）导通电压U D （U 10mA ）

当元件的漏电流为10mA 时的外加电压值，其后如果电压继续上升，流过非线性压敏元件的电流将迅速增大，为此，定义在导通电压U D 以下的区域为截止区，U D 以上的区域为导通区。 （2）残压U C （U 残）

当元件流过100A 电流时，非线性电阻两端的残压值。

对于氧化锌非线性灭磁电阻元件而言，在正常工作及导通条件下流多的漏电流均会引起元件部分分子结构的损坏并影响到元件的使用寿命，为此正常工作电压的选择不宜过高。 （3）荷电率S

U G 为元件工作电压，此值影响到元件的老化寿命。荷电率比值取得越高，元件的漏电流也越大，从而加速老化过程。一般S ≤0.5为宜。 U fN ——额定励磁电压 U f0——空载励磁电压 U ac ——阳极电压

U min ——最小工作电压 COS α＝U f0/ U ac /1.35

U min ＝ 2U ac SIN （120＋α）

S ＝︱U min ︱/U D

2.灭磁开关

2.1 名词、术语

2.1.1 断路器

按规定条件，对配电电路、电动机或其他用电设备实行通断操作并起保护作用，即当电路内出现过载、短路或欠电压等情况时能自动分断电路的开关电器。

2.1.2 磁场断路器

用于配合非线性（或线性）电阻分断发电机励磁回路的断路器。

2.2 条件

发电机成功灭磁的条件，是磁场断路器在分断过程中主触头上的弧压应足够高以保证转子电流全部转移至灭磁电阻，且主触头可以承受此转移过程中的燃弧弧能。

3.灭磁工作原理

当发电机组的内部或发电机出口端发生故障以及正常停机时都要快速切断励磁电源，由于发电

机转子绕组是个储能的大电感，因此励磁电流突变势必在转子绕组两端引起相当大的暂态过电压，

造成转子绝缘击穿，所以必须尽快将转子电感中的磁能快速消耗，这就是通常所说的灭磁。

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。本公司

采用氧化锌非线性电阻灭磁方式利用其特殊的伏安特性，达到近似恒压灭磁的效果。

灭磁的原理如图1所示，其中i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、U R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，限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U R变化很小，灭磁时

近似于恒压，即U R=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+U R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。

FMK

图1

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并联跨接于转子绕组两端，由于氧化锌非线性电阻FR1、线性电阻R1、快速熔断器RD、二极管D1组成（见图2）。其核心部件FR1具有限制反向过电压和吸收磁能的作用；各支路中都有特制熔断器RD，熔断器的熔断时间小于2ms并且熔丝电压足够高，当部分支路必生故障，其相应熔断器快速熔断，产生的电压将故障支路的短路电流迅速迫入其他支路，故障支路被切除。线性电阻R1和二极管D1在机组正常运行时降低氧化锌非线性电阻FR1的荷电率，延缓阀片老化。

（1）主要部件与作用

同步发电机在运行时常因一些故障或其他原因使转子系统出现过电压。这些过电压产生的条件不同、强弱不同，所以应当采取不同的保护方法。凯立公司研制生产的同步发电机转子灭磁及过电压保护装置基本原理如图2、图3所示。

FMK

图2

LQ

FMK

LP

FR3

RD1

D2

CT

FR2

FR1

RD

R1

图3

（2）非全相及大滑差异步运行保护器（FQ ）

因发电机断路器的非全相或非同期合闸等原因会使发电机非全相运行或大滑差异步运行，在这两种运行状况下，转子绕组中将产生剧烈的过电压，由于此时电网和励磁电源的能量均能传递到转子绕组中，能量远超过通常灭磁装置的灭磁能量，当灭磁装置中氧化锌阀片的熔断器全部熔断时，转子绕组开路，此时转子绕组相当于恒流源，产生的过电压将会击穿转子绕组的绝缘。 “非全相及大滑差异步运行保护器”能在以上情况下快速动作，构成转子续流通道，避免转子绕组开路，有效防止转子绝缘击穿事故发生。

在图2中，非全相及大滑差异步运行保护器装置由FR2、线性电阻R2和R 、可控硅触发器CF 、可控硅KPT 、二极管D1组成；在图3中由FR2构成。其中FR2防止正向及反向过电压，线性电阻R2用来降低氧化锌非线性电阻的荷电率，D1一方面降低正常运行时氧化锌非线性电阻的荷电率，另一方面在出现反向过电压时作为FR2的导电通道，线性电阻R 和可控硅触发器CF 配合触发可控硅KPT 启动正向过压回路。在发电机正常运行情况下，非全相及大滑差异步运行保护器处于开路状态，仅有极小的漏电流（微安级），在转子灭磁工况下，因保护器导通电压远高于灭磁高能氧化锌非线性电阻的导通电压，故不会参予灭磁工作；当出现非全相或大滑差异步运行而产生剧烈正向过电压时，灭磁高能氧化锌非线性电阻由于二极管的阻断作用而不会动作。图2中R 和CF 所组成的过电压测量回路将动作，发出触发脉冲，可控硅KPT 导通，FR2进入导通状态，限制发电机转子的过电压，保护转子不受损害。当出现非全相或大滑差异步运行产生反向过电压时保护器不需要触发器只需要D2支路即进入工作状态。与此同时，灭磁电阻也参与工作，使转子过电压被限制在允许范围内，保障转子不受损害。但需要说明的是，非全相及大滑差异步运行保护器除具有一般氧化锌非线性电阻的特性以外，还有一个特殊的特性，即在吸收一定的能量以后，将会改变非