非线性电阻灭磁及保护装置说明书

NARI

非线性电阻灭磁及过压保护装置

使用说明书

V2.1

国电自动化研究院

南瑞电气控制公司

目录

1.概述

2.结构及工作原理

3.技术参数

4.安装说明

5.使用和维护

6. 附录1：DMX系列磁场断路器

（本说明书适用于FLM灭磁及过压保护柜、FLK灭磁开关柜、FLR非线性电阻柜）1.概述

同步发电机发生内部故障时，虽然继电保护装置能快速地把发电机与系统断开，但磁场电流产生的感应电势继续维持故障电流。无论是发电机机端短路或部分绕组内部短路，时间较长，都可能造成导线的熔化和绝缘的烧坏。如果系统对地故障电流足够大时，还要烧铁芯。因此，当电机发生内部故障，在继电保护动作切断主电源的同时，还要求迅速地灭磁。

所谓灭磁就是把转子励磁绕组中的磁场储能尽快地减弱到尽可能小的程度。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，突然断开，会在其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到放电电阻或其他吸能装置上去，把磁场中储存的能量迅速消耗掉。完成这一过程的主要设备叫自动灭磁装置。

为减少故障范围扩大，要求灭磁迅速。灭磁时间愈短，短路电流所造成的损害愈小，一般按同步电机定子绕组电势降低到接近于零所需的时间来评价各种灭磁方法的优劣。另外，灭磁时转子过电压不应超过滑环间过电压的容许值。

自动灭磁系统应满足以下几个要求：

（1）灭磁时间应尽可能短。

（2）当灭磁开关断开励磁绕组时，绕组两端产生的过电压应在绕组绝缘允许的范围内，即滑环间容许的过电压值。

（3）灭磁装置的电路和结构型式应简单可靠。灭磁开关应有足够大容量能遮断发电机各种可能故障工况下的最大故障转子电流，灭磁耗能元件容量应大于发电机各种

可能故障工况下发电机转子最大储能所需吸收部分。

非线性灭磁及过电压保护是由氧化锌（ZnO）非线性电阻（也叫压敏电阻）与双断口直流灭磁开关组合而成的新型灭磁及过电压保护方式，适用于大中型同步发电机转子灭磁及过电压保护，能快速灭磁，过电压保护性能优良，结构简单，运行维护方便。

2.结构及工作原理

2.1系统结构

主回路接线原理见图1。

图1 非线性电阻灭磁和过电压保护原理接线图

FMK双断口灭磁开关 FR1灭磁非线性电阻

FR2，FR3过电压保护压敏电阻

D二极管 L发电机励磁绕组

由原理图可见，灭磁系统由三部分组成：（1）FMK：双断口磁场断路器DM4；（2）灭磁用非线性电阻FR1；（3）过电压保护用非线性电阻FR2、FR3。

2.2工作原理

2.2.1 DM4开关工作原理

DM4开关是双断口快速空气开关，每个断口均有独立的合闸操作和分闸操作机构，工作时两断口均应合上。

灭磁时，只要任一断口分断，就能切断磁场电流，保证灭磁的可靠性，DM4开关吹弧能力强，能快速切断磁场电流。保证有较高的建压能力，以便与非线性电阻配合，使非线性电阻可靠导通。

2.2.2氧化锌非线性电阻工作原理

氧化锌非线性电阻的伏/安特性见图2，当电压较低时，流过的电流很小，电阻很大，当电压超过一定数值后，流过电流急剧上升，等效电阻急剧下降，通常用非线性数β表示其特性，其定义如下：

β=Go/Ge

式中：Go=Io/Uo 为工作点的静态电导

Ge=dIo/dUo 为工作点的动态电导

由定义可导出U=CIβ

式中 U：为电阻的电压降（伏）

I：为电阻通过电流（安）

C：为常数，即流通1安时的电压降（伏）

显然，β（0<β<1）值愈小其压敏特性愈好。若β=1则为线性电阻，若β=0则为压降恒定的“理想压敏元件”。

2.2.3灭磁装置的工作原理

2.2.

3.1发电机正常运行时工况

发电机运行时，灭磁开关DM4合闸，发电机励磁电压经二极管或可控硅加在非线性电阻FR1、FR2、FR3上。对于灭磁非线性电阻FR1，因有反向二极管阻断，无正向电流也无反向电流（当可控硅整流时，因有负电压波，反向只有很小的漏电流）。对于过电压保护非线性电阻FR2、FR3因有正向可控硅，在过电压达动作触发之前，可控硅关断，回路无正向电流，也无反向电流。正常时，FR1、FR2、FR3不流过电流，不消耗能量，不影响主回路工作。

2.2.

3.2发电机正常运行中，发生过电压

发电机运行中，过电压保护非线性电阻FR2、FR3原工作点在A1处。如果产生过电压能量，如正向过电压，则当该能量积累使得正向过电压超过过电压动作整定值后，则FR2、FR3的控制触发回路启动，可控硅导通非线性电阻两端所加的电压，因超过非线性电阻的压敏电压值而快速导通，消耗转子过电压能量。这时非线性电阻的工作点由原A1点移至A2点，当过电压能量被释放后，过电压值下降，则工作点又回复到正常工作点A1，这时发电机转子电压回复正常。如发生反向过电压，由非线性电阻FR2、FR3的工作点沿着伏/安特性曲线向负横轴方向移动，当反向过电压值超过FR2、FR3动作压敏电压拐点后FR2、FR3反向开通，运行工作点在A3，当过电压能释放完毕后，过电压降低直至消失，非线性电阻FR2、FR3的工作点又由A3移回至A1点，由上面的分析可知，因发电机转子过电压能量有限，只要FR2、FR3能量足够大，则发电机转子的电压被有效地限制在-U LM～+U LM之间，这就保护了转子的绝缘。

2.2.

3.3发电机停机灭磁工况

当发电机正常或故障停机时，都可依靠该装置进入快速灭磁并在灭磁过程中控制励磁回路产生的过电压在安全范围内。 FMK在收到停机指令后两主触头分闸。励磁绕组两端电压

UL由下式表示（未计其他绕组感应）：

U L I R dI

dt

L

L L L

=∙+∙

式中R L为励磁绕组电阻；L为励磁绕组电感。

当DM4企图强制切断电流I L时，则dI

dt

L

L

∙<0，FR1工作点向UL减小的方向移动，UL由

正变负并且反向幅值增加；非线性电阻电流I NR由小变大I L=I NR+I K。开始I NR=0，I K=I L。当UL 反向数值达到一定数值时（如图2中A4点）I NR = I L，则I K =0开关熄弧。以后由励磁绕组与FR单独构成放电回路，直到磁场能量通过放电在非线性电阻上转化为热能。在放电的过程中随着I NR（即I L）的减小FR1的工作点则沿着伏一安曲线往回移动。在这一过程中励磁绕组两端所承受的最高反向峰值电压取决于FR1伏一安特性以及灭磁时涌入FR1支路最大电流I NM，I NM值要小于灭磁瞬间I L的最大可能值，如图2中I NM对应灭磁反向转子最高电压数值－U LM。

由于磁场断路器所具备的消弧能力足以保证分闸后励磁绕组两端能迅速建立起FR1通流所需要的电压以完成换流（即由I K=I L转为I NR=I L）。断路器分闸后可迅速熄弧，将励磁绕组与励磁电源完全切断，这一过程一般在30毫秒内完成。对于FR1的设计与选用将保证在可能的工况下灭磁转子电压均能被限制在允许值以内。由于FR1良好的压敏特性，从换流完成直到I L衰减接近于零，励磁绕组端电压始终维持较高的大体不变的数值。因此，获得较高的灭磁速度，接近于“理想灭磁过程”。

图2 非线性电阻伏/安特性及工作点