SiC灭磁组件在励磁系统中的应用.doc

METROSILMETROSIL SICSIC 非线性电阻在灭磁系统中的应用非线性电阻在灭磁系统中的应用 1 目录目录 前言 3 1 M I METROSIL SIC 非线性电阻性能特征 4 1 1 SIC 非线性电阻 V I 特性 4 1 2 SIC 非线性电阻组合特性表达式 5 1 3 系数 及 C 对 SIC 非线性特性曲线的影响 6 1 4 SIC 非线性电阻的温度系数 8 1 5 温升计算 9 1 6 METROSIL SIC 非线性电阻的特性 匹配 10 1 7 ZNO 非线性电阻的特性 匹配 11 1 8 METROSIL SIC 非线性电阻时效性 12 1 9 METROSIL SIC 非线性电阻的故障损坏形式 12 1 10 SIC 非线性电阻的灭磁时间 13 1 11 技术规范 14 1 12 METROSIL SIC 非线性电阻的器件代码 15 1 13 METROSIL SIC 非线性电阻的参数确定 15 1 14 应用实例 15 结语 16 2 METROSIL SIC 非线性电阻在灭磁系统中的应用 Dr Jeff Robertson1 1 M I 科技材料公司 英国曼特斯顿 摘要 本文从工程应用角度出发 系统和完整地介绍了英国 M I 公司制造的 METROSIL 注册商标 系列 SiC 碳化硅非线性电阻的性能特征和技术参数等关 键技术问题 本文对灭磁技术的发展提供了有益的借鉴 关键词 SiC 非线性电阻 灭磁系统 温升 温度系数 3 前言 M I Materials 公司位于英国曼彻斯特市 Trafford 工业园 从事于工业和 科研特殊材料的研制 作为全球供应商 为世界许多知名大中型企业提供多种 高科技材料及高性能工业用品 其中 对碳化硅产品已有 70 年的生产经验 M I 公司成立于 1997 年 其前身源于英国 GEC 公司的研究部门 在产品开 发方面 特别是对于其主流产品之一 Metrosil SiC 碳化硅非线性电阻 产品应 用遍及世界各地 客户有 ABB Alstom Siemens Areva 以及 VA TECH SAT 等国际制造商 在我国和世界著名的三峡水电厂左岸及右岸 26 台 700MW 水轮发电机组励磁 系统中均采用了 M I Materials 公司生产的 Metrosil SiC 非线性灭磁电阻 4 1 1 M IM I METROSILMETROSIL SiCSiC 非线性电阻性能特征非线性电阻性能特征 1 11 1 SiCSiC 非线性电阻非线性电阻 V V I I 特性特性 在评价非线性电阻电气特性时 通常以非线性电阻系数予以表述 相应表 达式为 V CI 1 I HV 2 式中 V 为非线性电阻两端的电压 I 为流过非线性电阻的电流 C H 为非线 性电阻位形系数 与非线性电阻的体积形状 电阻片的串 并联组合以及材质 有关 为电阻非线性系数 1 对于 SiC 非线性电阻 由于在较大的电流变化范围内 其电压变化范围相 对较小 不便于查对 为此在实用中多将式 1 及式 2 以对数坐标形式来表示 对于式 1 其对数表达式为 logV logC logI 3 在以 V I 表示的双对数坐标系中 此时非线性电阻的伏安特性近似为一条直线 如图 1 所示 10 100 1000 10000 10100100010000 直流电流 直流电流 A 直流电压 直流电压 V 图 1 Metrosil spec 6298 600A us16 p SiC 非线性电阻 V I 特性曲线 5 式 3 说明 在 V I 双对数坐标系中 系数 C 等于 I 1A 时 V I 特性曲 线与 V 轴相交的电压值 同理由式 2 可得 logI logH logV 4 当 V 1v 时 在 V I 特性曲线中 与其相对的电流值 I H 下面讨论一下式 1 式 2 中各系数 C H 及 之间的关系式 由式 2 可 求得 V H I 5 H I 1 1 令式 1 等于式 6 可求得 C H 1 1 整理得 C H 6 1 对于应用于发电机灭磁回路中的 Metrosil SiC 非线性电阻 当其 V I 特 性以方程式 V CI 表示时 其典型 C 及 值如表 1 所示 选择不同厚度阀片 按不同接线方式构成的组件可满足各种灭磁工况的需求 表 1 Metrosil SiC 非线性电阻典型 C 及 值 单片厚度 单片厚度 mmmm C 单片 单片 单片 单片 20204040 toto 2502500 50 5 toto 0 30 340 4 12 512 575750 40 4 7 57 553530 40 4 1 21 2 SiCSiC 非线性电阻组合特性表达式非线性电阻组合特性表达式 作为灭磁电阻用途的 SiC 非线性电阻 在实际应用中为了满足灭磁总容量 的要求 通常须将电阻片连接为多路串联 并联接线 其 V I 特性表达式将不 同于单片的 V I 特性表达式 1 串联表达式 6 假定单片非线性电阻的 V I 特性表达式为 CIV 如果 Ns 片串联连接 其 V I 特性表达式可写为 7 SCI NV 2 并联表达式 假定单片非线性电阻 V I 特性表达式为 CIV 当 Np 片非线性电阻并联时 其 V I 特性表达式为 8 P N I C V 3 串 并联表达式 假定非线性电阻 Np片并联 Ns串联 其组合 V I 特性表达式为 9 P S N I CNV 当 SiC 非线性电阻 N 片串联 Np 片并联 由式 9 可求得组件的 V I S 特性表达式 V CI CI 10 p S N N unit 式中 C 组件位形系数 C C unitunit p S N N 1 31 3 系数系数 及及 C C 对对 SiCSiC 非线性特性曲线的影响非线性特性曲线的影响 在图 2 和图 3 中分别示出了当位形系数等于常数 改变非线性系数 对 Varistor SiC 非线性电阻 V I 特性及对数 V I 特性的影响 在图 4 和图 5 中分别示出了当非线性系数 等于常数时 改变位形系数 C 对 Varistor SiC 非线性电阻 V I 特性及对数 V I 特性的影响 由图 2 和图 4 可看出当 系数增加时 SiC V I 特性曲线的陡度将变得平 缓 亦即在灭磁工作条件下 增加灭磁时间常数将增加 另由图 3 和图 4 对数 V I 特性曲线可看出 当 I 1A 对应的电压值 7 V C 此外在对数 V I 特性曲线中 特性曲线的斜率 I V log log 图 2 当系数 C 常数 系数 的变化 对 Varistor SiC V I 特性曲线的影响 曲线由左 至右与图中数据相对应 图 3 当系数 C 常数 系数 的变化 对 Varistor SiC 对数 V I 特性曲线的影响 曲线由 上至下与图中数据相对应 8 图 4 当系数 常数 系数 C 的变化 对 Varistor SiC V I 特性曲线的影响 图中曲线由左至右与图中数据相对应 图 5 当系数 常数 系数 C 的变化 对 Varistor SiC 对数 V I 特性曲线的影响 图中 曲线由上至下与图中数据相对应 1 41 4 SiCSiC 非线性电阻的温度系数非线性电阻的温度系数 SiC 非线性电阻具有负温度系数特性 其特征是当 SiC 电阻温度上升时阻值 会减少 在恒定电流负载条件下 其两端电压随温度升高会减小 或者在恒定 电压负载下其电流随温度上升而增加 呈负温度系数特性 对于恒定电流负载而言 负温度系数为 温度每增加 1 电流增加 0 6 或者对于恒定电压负载而言 负温度系数为 温度每增加 1 电压下 降 0 12 9 实际上 对于 Mertrosils SiC 非线性电阻有两种应用情况 1 作为浪涌电压吸收元件 其外加电压为恒定值 SiC 电阻连续吸收 负载能量 由于泄漏电流的存在会使温度增加 对于这种情况 M I 公司在设计 SiC 电阻冷却方案时应确保由泄漏电流产生的热 能会被其元件自然冷却作用所平衡 从而补偿了负电阻温度系数 的影响 不会由于负温度系数的影响 引起电流雪崩式的增长 2 作为灭磁电阻使用时 只在灭磁回路动作时接入发电机励磁回路 而且在灭磁过程中对 SiC 电阻而言 不是承受一个连续作用的恒定 的方波电压 而是三角波 随转子电流的下降 SiC 电阻两端的电 压是衰减的 为此在灭磁回路投入前负电阻温度系数是无影响的 在灭磁过程中 灭磁作用在短暂的几秒钟时间中已经完成 而且 灭磁电源是一个衰减的电压源 即灭磁电压非恒定电压 灭磁电 流亦非恒定电流 因此负电阻温度系数的影响是极小的 可到忽 略不计的程度 此外 在选择用于灭磁回路的 SiC 电阻容量时 正确的设计应确保 SiC 电 阻在吸收灭磁能量的同时以及在元件自然散热条件下 使元件最终温度不超过 允许值 以降低负温度系数的影响 1 51 5 温升计算温升计算 对于 Metrosil SiC 非线性电阻 当应用在灭磁系统时可利用下列公式计算元 件的温升 温升的计算是确定组件的灭磁额定容量的一个重要依据 11 CV E t 式中 E 单片吸收灭磁能量 J V 片 SiC 元件的体积 cm3 C 比热系数 C 0 84 J g 元件密度 2 35g cm3 对于 SiC 灭磁电阻组件的温升可按下式进行计算 t 12 NsNpCV Eunit 10 式中 Eunit 总组件吸收的能量 J Ns Np 总组件的串 并联数 在灭磁时 如果重复进行灭磁 组件允许的最大温升为 80 非重复灭磁 状态组件温升可允许到 110 当组件的工作温度超过 165 时将给组件的绝缘 部分带来危险 1 61 6 MetrosilMetrosil SiCSiC 非线性电阻的特性非线性电阻的特性 匹配匹配 所谓 SiC 非线性电阻的特性 匹配 系指在组件中 各单片在电流和能量 分配上在电气性能方面上存在的差异 为此 在对组件进行设计时 如何在给 定应用电流条件下选择各单片的允许电压偏差是一个重要的前提 对于 Metrosil SiC 非线性电阻而言 电流分配的一致性比例于其 V I 特性 曲线的非线性程度 电气 匹配 性能与非线性系数 成正比 假定 Metrosil SiC 单片的 值为 0 4 对给定电流而言 M I 公司规定 单片间的电压差异范围选择不大于 5 如图 6 所示 相应的电流偏差范围不大 于 13 由此可得出 单片的能量分配或消耗的热能偏差亦不大于 13 图 6 当 0 4 电压偏差为 5 时 SiC 非线性电阻的电流变化范围 基于上述技术规范 M I 公司在确定组件的额定容量时 适当的降低了其标 称容量值 即增加了容量的余度 以防止在组件各单片间电流或能量不均匀引 起过分的过热情况 提高了运行的可靠性 对于 Metrosil SiC 非线性电阻而言 严重的过热当其温度超过一定值时 将有可能导致单片的 V I 特性发生不可恢复的永久性的变化 为此 如果单片 的标称额定容量选择的不正确 在均流和均能特性方面将引起更大的差异 最 11 终导致元件的过热 对此 M I 公司作了全面的考虑 保证了元件的可靠性 1 71 7 ZnOZnO 非线性电阻的特性非线性电阻的特性 匹配匹配 众所周知 作为灭磁电阻元件 ZnO 非线性电阻在中国水 火电站中等容量 的机组中获得了广泛的应用 其突出优点是由于其 V I 特性曲线比较陡直 具 有较小的非线性系数 值 一般在 0 05 左右 从而获得了较快的灭磁速度 在这方面其性能优于 SiC 非线性电阻 这是不争的事实 但是正是由于具有较 小的 值 在其电气性能 匹配 方面 具体说在均流及均能性能方面 却存在 着深层次的潜在危险 在图 7 中示出了 ZnO 非线性电阻多路并联时迁到了严重 的 匹配 不一致性的问题 图 7 当 0 05 电压偏差为 5 时 ZnO 非线性电阻的电流变化范围 由于 ZnO 非线性电阻的 值和 SiC 元件相应值比较非常小 为此在相同 5 电压变化条件下引起的电流偏差 即能量偏差 高达 165 对于 Metrosil SiC 元件而言 此值仅为 13 显然 对 ZnO 非线性元件而言 如直接进行并联 尽管在较小的电压变化条件下也会引起不可接受的电流和能量分配的极大差异 在极端情况下元件会因过热而导致故障 此外 由于选用材料不同 在吸收能 容方面 ZnO 非线性元件的参数和 SiC 元件比较也是较低的 例如 ZnO 元件的 比热系数为 0 62J g 元件密度为 5 4g cm3 在吸收相同灭磁能量条件下 ZnO 元件比 SiC 元件会引起更高的温升 同时 ZnO 元件在故障时呈现短路状态 为保护此时故障方式下工作的安全 性 多在 ZnO 元件各支路中接入保护用快速熔断器 此外为补偿并联支路 匹 配 的严重不一致性 在各支路中均须接入串联线性补偿电阻 从严格意义上讲 由于具有较小的 值和较高的 C 值 ZnO 元件是不能单 12 独应用在灭磁系统中 当前应用在灭磁系统中的 ZnO 元件是非独立性的 实际 上是由 ZnO 元件与线性电阻以及快速熔断器构成的灭磁元件组合体 1 81 8 MetrosilMetrosil SiCSiC 非线性电阻时效性非线性电阻时效性 运行经验表明 由 M I 公司生产的 METROSIL SiC 非线性电阻在运行期间 其电气 V I 特性只有轻微的变化 而且此变化不会影响到并联运行各支路的电 流均衡和匹配 或者说不会影响到整组 METROSIL SiC 非线性电阻的总体性能 也不存在 SiC 非线性电阻经长期运行后降低标称能容量的问题 亦即 METROSIL SiC 非线性电阻工作性能稳定 不随时间的长短而发生变化 电气性能具有长 时间时效性 1 91 9 MetrosilMetrosil SiCSiC 非线性电阻的故障损坏形式非线性电阻的故障损坏形式 引起 Metrosil SiC 非线性电阻元件故障损坏形式主要有两种方式 1 流过灭磁电阻的电流超过额定电流值 2 灭磁电阻吸收的灭磁能量超过规定灭磁容量值 对于 Metrosil SiC 非线性电阻在灭磁时以其温升决定元件的灭磁容量的 例如对于 Spec 6298 600A US16 P SiC 非线性电阻接线组 当元件输入灭磁容 量 680KJ 时 元件的温升不会超过 80 输入灭磁容量为 880KJ 时 元件的温 升不会超过 105 输入 1250KJ 时 元件温升不会超过 130 如考虑室温 25 即在任何灭磁方式下 元件的温度不超过 160 为安全计建议元件在 任何工作条件下 使用的最高温度以不超过 130 为宜 如果由于某种原因 使得运行中的灭磁电阻元件的灭磁电流或灭磁容量超 过其极限值 则电阻片可能引起故障 如果注入能量足够大 将以 电流击穿 形式使支路中有一片电阻片被击穿 并在击穿元件处引起电弧 引起瞬时短路 情况 如果流过故障点能量较大 其后故障电阻片会因过热裂成碎片 最终导致 回路开路 故障影响消失 此故障过程并不影响到仍处于正常状态下其它并联 支路电阻片正常运行 但是 如果发生这种故障状态 M I 公司建议将发生故障的并联支路整组电 13 阻元件全部予以更换 以保证运行的安全性 应说明的是 Metrosil SiC 非线性电阻温度的增加与灭磁能量注入速度 例 如经过 3s 4s 或 5s 无关 1 101 10 SiCSiC 非线性电阻的灭磁时间非线性电阻的灭磁时间 对于采用 Metrosil SiC 非线性灭磁电阻 M I 公司提供的灭磁时间 tm计 算式为 tm 13 0 00 1 f ff U IL 式中 Lf0 发电机励磁绕组电感值 H 非线性电阻系数 Uf0 非线性电阻两端的电压值 V If0 初始励磁电流值 A 式 13 的物理意义为 在非线性电阻 V I 特性曲线上 由 Uf0 If0所确定的等 效电阻 Rfo与转子励磁绕组电感的比值确定了等效的时间常数 Lf0 Rf0 由此 do T 式 2 的物理意义可理解为 灭磁时间 tm正比于等效时间常数和反比于非线性系数因子 1 如将 do T 13 转换为通用表达式 tm km其中 km为灭磁系数 可令 Uf0 C代入式 13 do T 0f I 可得 tm 0 00 1 f ff CI IL 1 0 0 1 f f I C L 1 0 0 0 0 1 f f f f I C R R L 1 0 0 0 1 f f d I C RT km do T 式中灭磁系数 Km等于 Km 1 0 0 1 f f I C R 14 1 111 11 技术规范技术规范 作为灭磁电阻用途的 Metrosil SiC 非线性灭磁电阻的技术规范有两种选择 方式 第一种方式是由用户自行提出灭磁最大电压 电流及灭磁容量 并选用一 定厚的单元作为构成组件的基础 第二种方式是采用 M I 公司 标准 的 Metrosil SiC 非线性电阻组件 相 应参数如表 2 所示 外型尺寸见图 8 表 2 标准 Metrosil 组件 额定容量 kJ 尺寸 典型电气值 代 号 单 片 数 单片 厚度 额度 电流 A 额定电 流时的 最大电 压 V 重复灭 磁间隔 冷却 偶尔发 生一次 灭磁 ABC 62981620400011006801000500405 20340 4 632116154000800510725440345 15280 4 633016104000550340500380290 15170 4 图 8 Metrosil SiC 非线性电阻组件外形尺寸 15 1 121 12 MetrosilMetrosil SiCSiC 非线性电阻的器件代码非线性电阻的器件代码 作为实例以 600A US42 21P 2S SpeC6985 说明代码意义如表 3 所示 表 3 Metrosil SiC 非线性电阻的器件代码 600A 600 单片直径 150 A 圆形 6 US42 42 片中间无间隔 21P 21 片并联 2S 在并联支路中 2 片串联 Spec6985 用户订货组件号 为了限制总组件的外形尺寸 通常总组件由几部分分组件组成 例如上述 规格可由 3 组 3 600A US14 7P 2S 分组件构成 1 131 13 MetrosilMetrosil SiCSiC 非线性电阻的参数确定非线性电阻的参数确定 1 最大灭磁电流 当发电机发生突然三相短路时引起的转子非周期分量幅 值电流 可作为最大灭磁电流 通常此电流近似等于 3 倍发电机额定励磁电流 2 最大灭磁电压 此电压等于最大灭磁电流通过灭磁电阻时 在其两端所 产生的电压 3 最大灭磁容量 通常等于当发电机发生突然三相短路时 发电机转子励 磁绕组中所产生的磁场能量 除按上述发电机突然三相短路状态确定最大灭磁容量外 其它灭磁方式如 发电机空载 额定以及强励等灭磁状态的灭磁容量 考虑到一旦发生发电机定 子回路主断路器跳闸后 由于受定 转子磁链守恒原理约束 发电机跳闸后转 子电流将下降到近于空载励磁电流为止 灭磁容量等于空载灭磁容量 对于空 载误强励灭磁方式 由于发电机电压上升到 1 3 倍额定电压并经 0 3 秒延时后 灭磁开关跳闸 此时的灭磁电流通常由仿真计算所确定 16 1 141 14 应用实例应用实例 在中国诸多的大型水电站中应用了 M I 公司制造的 Metrosil SiC 非线性电 阻 部分水电站如表 4 所示 在工程运用中有良好业绩 表 4 应用 Metrosil SiC 非线性电阻 水电站名称机组台数及容量 三峡 26 700MW 彭水 3 300MW 拉西瓦 5 700MW 龙滩 6 700MW 构皮滩 5 500MW 瀑布沟 6 600MW 二滩 6 550MW 景洪 5 350MW 小湾 6 700MW 结语 结语 1 Metrosil SiC 非线性电阻长期运行性能稳定 具有良好的时效性 2 对于 Metrosil SiC 非线性电阻 M I Materials 公司以元件的温升作为 确定元件容量的标准 具有明确的可考核性 灭磁电阻注入灭磁容量越大 则 元件温升越高 但元件的最大温度极限不应超过 160 为了提高运行安全可 靠性 在选择灭磁电阻容量时 建议元件最大工作温度不超过 130 为宜 以 便在元件温升方面留有一定安全余量 3 Metrosil SiC 非线性电阻的造价不仅与元件的灭磁容量有关 而且与元 件的最大电压及最大电流有关 造价是在综合的考虑了