同步发电机灭磁及转子过电压保护.doc

同步发电机灭磁及转子过电压保护上海鑫日电气科技有限公司一 概述随着大型同步发电机组单机容量的不断增大，特别是采用具有高顶值自励可控硅励磁系统，对灭磁及转子过电压保护的技术要求已提到了一定的高度。用常规的磁场断路器及非线性电阻相结合的方式已不能满足大型同步发电机组正常可靠灭磁的要求。在电站实际运行的过程中，由于灭磁失败，引起磁场断路器烧毁以及因灭磁不力而造成转子过压击穿励磁设备的事故屡见不鲜。因此人们长期以来一直在致力于研究用新的方法来解决直流电感性负载的大电流开断领域这一难以攻克的课题。二 同步发电机的灭磁及技术要求同步发电机的灭磁，即把储藏在同步发电机转子回路中的磁场能量消耗掉。由于电力系统的不断扩大和大型同步发电机组单机客量的增大，快速切除故障电流是确保电力系统稳定和安全运行的重要条件，特别是当发电机内部或外部（包括机端变，励磁变及主变，出口母线等）出现短路或接地故障时，必须快速切断励磁电流，并在尽短的时间内消耗掉储藏在发电机励磁绕组中的能量。在电站实际运行的过程中，曾出现过因灭磁失败而引起转子过压，造成磁极击穿，烧毁磁场断路器及励磁设备等严重事故，甚至还出现过因灭磁时间过长，烧毁定子绕组及因主变短路时未能迅速灭磁断流，造成主变绕组烧损，外罩炸裂的恶性事故。由此可见，快速可靠的灭磁及有效的限制转子过电压措施成了大型发电机组安全运行至关重要的问题。设计大型同步发电机的灭磁系统，通常应满足以下基本的技术要求：1 必须满足各种运行状况下可靠灭磁的要求。大型同步发电机组励磁电流的不断增长，转子绕组的电感越来越大，转子所储存的磁场能量也相应随之增大，所以大型机组的灭磁装置必须满足有足够大的灭磁容量，他除了在正常及机端短路等强励状况下能可靠灭磁外，特别是对于具有高顶值系数的自励可控硅系统，还必须满足在空载误强励、三相短路等极限状况下可靠灭磁的要求。2满足快速灭磁的要求，尽可能实现接近理想灭磁时间。大型发电机组虽然采用了现代快速灵敏的继电保护装置，但这种保护装置的作用是当发电机出现故障时，能尽快地将机组解列，但即使机组已经解列，可故障电流依然存在，不论发电机的故障是一相短路还是部分绕组短路，在故障电流期间，损坏的程度是随绝缘燃烧和铜线熔化的时间而增加，所以只有在发电机解列的同时，采用快速灭磁才是限制故障电流和使绕组免于全部烧毁最充分有效的措施。3 灭磁应更加彻底。大型机组的出口母线电压很高，在这种高压机组中，哪怕只要有维持发电机母线电压10%的励磁残压，这种残压也足以维持故障处的电弧，为此大型机组的灭磁应更加彻底，其灭磁时间应以转子电流下降到定子的电压不足以维持故障处电弧的燃烧的时间才称灭磁结束。4 有效的转子过电压限制措施。大型机组在灭磁的过程中，由于励磁电流的突然中断会产生过电压，这种灭磁过电压的能量很大，若没有有效的限压措施以及足够容量的消能装置，它将直接危及发电机转子及励磁装置的安全。三. 大型同步发电机灭磁系统的设计。我们以目前最广为采用的自并激机组励磁系统为例，来介绍设计灭磁系统的方法和基本原则。 由自并激机组励磁系统的原理图1可以看出，励磁系统的能源是取自并接在机端的整流变压器ZB提供的三相电源，经三相可控整流后向转子绕组提供直流激磁电流的。灭磁的方法主要有线性电阻灭磁，非线性电阻灭磁，利用短弧阴极效应原理设计的带灭弧栅的自动灭磁开关灭磁、逆变灭磁等。用带灭弧栅的自动灭磁开关由于受制造容量的限制，大型同步发电机组上不宜采用，逆变灭磁由于在自励系统中，由于逆变电压是随发电机电压变化的，发电机在不对称短路时，有可能导致逆变失败，所以对后两种灭磁方式不能考虑作为大型发电机灭磁的主要方式。至于交流灭磁及无源零开断自动灭磁仅是解决切断励磁电源实现磁场电流的换流，仍须采用电阻或非线性电阻消能的灭磁方法。31. 理想灭磁时间及非线性电阻灭磁所谓理想灭磁时间，即灭磁时间尽可能短，而且在整个灭磁过程中转子绕组两端的感应电势eL= L，不应超过转子绝缘强度所允许的最大值Vfm，下面我们用绕组对线性电阻放电的原理接线图来加以说明（见图2）。在磁场开关BK1跳闸后，根据换路定律：不论产生电路中过渡过程的原因为何，在换路前后每一个电感中的电流都应当保持原值而不能有跃变，所以在接入BK2及电阻R后，磁场绕组回路的灭磁方程式为： L+if（R+Rf）=0 (1)励磁绕组中的电流if衰减的规律是if=et=ifoe (2)T1= (3)我们称T1为放电回路的时间常数，由公式（2）可知灭磁过程为一指数衰减的形式，要想加快灭磁速度，只要增加放电电阻R，则时间常数T1值就减小，也就是灭磁时间缩短。因为灭磁初瞬间励磁电流的初始值为if0,它与放电电阻R的乘积就是励磁绕组两端的电压，如果为追求灭磁速度快而选用较大的电阻值，则在灭磁瞬间，将在励磁绕组两端产生过电压UR=if0R , 将可能超过绕组绝缘强度的允许值Vfm。为了达到理想灭磁,使灭磁速度尽可能快，而且使绕组两端的感应电势不超过允许电压Vfm，则要求在整个灭磁过程中，希望L保持不变，并等于Vfm,即：L= ifR=Vfm=C(常数)IfR=Vfm=CIf=Vfm=C （4）由公式（4）可知，为保证Vfm为一常数。则必须当灭磁电流if在衰减过程中,在R上的电压降保持不变，也就是放电电阻的变化应与衰减电流if成反比。众所周知，线性电阻R的值是个恒值电阻，Vfm的值在整个灭磁过程中不可能不变，它将随着灭磁电流if的减小而减小，而非线性电阻SiC和ZnO就具有满足Vfm基本保持不变的特性。32非线性电阻器RN压敏陶瓷（Voltage Sensitive Ceramics）或称压敏变阻器，系指对电压变化敏感的非线性电阻陶瓷，其伏安特性如图3所示。图3压敏电阻的伏安特性当电压低于某一临界值时，电阻的阻值非常高，几乎为一绝缘体，当电压超过这一临界值时，电阻急剧减小，接近于导体，这一电压值称为“阀值电压”或“压敏电压”。目前压敏陶瓷主要有SiC和ZnO两大类，由于ZnO压敏特性远优于SiC，我们在下面会重点介绍高能（低场强）ZnO非线性电阻器的特性，由非线性伏安特性可看出当电压达到一定的阀值，电流通过它的变化率要比在非线性电阻两端的电压变化率大得多，所以用它来实现快速灭磁和有效抑制瞬态过电压是非常理想的器件。非线性电阻的非线性伏安特性也可以用下列概数来表示：U=Ki (5)其中：U端电压瞬时值。i通过其中的电流瞬时值。非线性系数。K电流为1A的端电压瞬时峰值。如果我们将图2中的R改为采用非线性电阻RN,则励磁绕组对放电电阻的等值电路，如图4 由公式（5）得：Ufo=KiUfo灭磁初始电压ifo灭磁初始电流则Uf=Kif=if=Ufo ()假设放电回路中所有的电阻均是非线性的，则励磁绕组对非线性电阻的放电过程可由下列微分方程时表示：Uf+L=0 (6)Rifo()+L=0i+i=0idt+()ifo dif=0dt+iif dif=0ifdt+ifoidif=0= -()idif (7)在这里我们引进一个“有效灭磁时间”定义的概念，所谓有效灭磁时间即可从图5来理解T1=()ifdt (8) T1If0=ifdt在没有接入非线性电阻的情况下，发电机的磁场电流实际是以励磁绕组本身的时间常数Tf=衰减的。而有效灭磁时间T1是指在接入非线性电阻RN后，灭磁时间可以缩短到磁场电流对时间的积分面积对初始磁场电流的平均值。也就是指S1面积与S2的面积相等。其物理意义是指在T1时间内可以有效的将转子绕组中对应于磁场初始电流为ifo，所储藏的能量以最快的时间消耗掉。代入公式（7）T1ifo=idif =-i = T1= (9)其中: r=RN+Rf它揭示：我们只要增大非线性电阻RN也可以减小时间常数T1，而且可以达到接近有效灭磁时间的灭磁速度。但事实上非线性电阻的起始电阻值同样也受到励磁绕组绝缘强度允许电压Vfm的限制。它必须满足：UfmRN0if0RN0非线性电阻初始值 因为非线性电阻当灭磁电流较大时其动态阻值较小,而后随磁场电流的衰减而阻值增大,它始终使非线性电阻的可变阻值与衰减的灭磁电流的乘积基本保持常数，因此我们就可以用的Vfm值来求得理想的灭磁时间。33. 灭磁系统的设计原则由以上对非线性电阻用在灭磁电路中的数学分析,它可以基本满足灭磁系统的技术要求，不但能使灭磁速度尽可能快，而且使绕组两端的感应电势不超过转子绝缘强度的允许值Vfm.由此可以得出结论：采用非线性电阻来替代线性电阻灭磁，可以实现理想灭磁。有了非线性电阻器件，并不一定能实现安全可靠的灭磁，它还必须选择有相应开断特性的直流磁场断路器相配合，才能实现磁场电流从主回路向灭磁回路的安全转移，否则将会酿成重大的恶性事故。四. 多断口直流磁场断路器配合非线性电阻灭磁目前国内外大型发电机组的灭磁方式，大都采用强力型多断口直流磁场断路器配合非线性电阻的灭磁方式，较典型的原理接线如下： 用这种双断口开关配合非线性电阻RN的灭磁方式，我们曾在三峡试验电站进行反复的试验，并得到下列结论：1. 提高非线性电阻RN的残压，可以缩短灭磁时间，加快灭磁速度。2. 高残压的非线性电阻必须采用高断口弧压的磁场断路器，否则灭磁不会获得成功。我们列出在BK开断的过程中，转子绕组回路的过渡过程的方程式得以求证：VZ=VK+ifRf-LfVZ=VK+ifRf-LfLf=VRN=VK+ifRf-VZ其中： VZ整流桥输出电压 VK=VK1+VK2磁场断路器断口电压若忽略转子绕组电阻的压降，则磁场电流要从磁场断路器换流到非线性电阻RN支路，必须满足VK-VZVRNC, 若VK-VZ的电压小于非线性电阻动作的残压VRNC , 则不能实现换流，灭磁就不会成功。因此设计快速灭磁系统，非线性电阻的残压除受到转子绝缘强度的允许值Vfm的限制外；还受到磁场开关断口建压能力的限制。3双断口磁场开关的两个断口须保持一定的间距，以防极间弧光短路，断口对地亦须保持足够的绝缘距离，特别是在大电流开断时有可能引起喷弧而造成的弧光对地短路。五. 直流磁场断路器及灭磁直流电感性负载的大电流开断可以说是电力领域一项难以攻克的堡垒。众所周知，在交流断路器中，可以利用交流自然过零点的开断现象，研制高遮断容量的交流熔断器是比较有把握的。但直流断路器必须解决一系列更为复杂的问题，因直流无自然过零点，除必须提供强力的灭弧装置以迫使电流降到零；还需研制出相应有效的消耗能量的装置，使储存在电感中数以百万计的极大的电磁能量，在开断的过程中耗散掉，而不致出现危险的过电压。51. 强开断型磁场断路器的熄弧方式其灭弧的原理是采用强力灭弧装置，使电弧受到强力的冷却作用，电弧电压迅速增高，以致电源电压不能维持电弧而迫使电弧熄灭。由于非线性电阻的灭磁条件，要求开关断口有一定的弧压，断路器触头在分断过程中只要有电弧，触头就会有不同程度的烧损，弧压越高，弧光越大，触头的电极会气化产生热游离，这些金属蒸汽，温度很高，触头烧损就越厉害，维修及更换触头的工作量也会相应增大。目前我国引进的磁场断路器主要有英国的Roiis-Royce的EX74系列、瑞士ABB的AM-CC-NOR; Secheron的UR系列、美国GE的GERAPID系列、法国Lenoir Elec的CEX98等，总的来说，采用双断口且设置专用主、弧触头，金属灭弧栅罩，电磁吹弧，操作机构简单动作可靠。我国自主生产的主要有DM4、 DM8、DMX及GXW2M系列磁场断路器，这里重点介绍GXW2M磁场断路器的特点：操作机构采用最新永磁专利技术，具有磁性稳定、能耗低、可靠性高等特点;灭弧系统 由高强度耐弧材料压制成的灭弧室采用永磁吹弧原理、在栅片间加装高能PTCZnO组件，它能在相邻的栅片间形成足够高的断口弧压以满足非线性电阻成功换流的需要；并可降低栅片之间的场强和吸收场强能量，以保护灭弧室的栅片及主触头免除电弧烧损，降低了喷弧程度，防止了由电弧引起的极间短路与弧光对地短路。下面是GXW2M1250磁场断路器开断2800A时的波形图。 再下面的录波图为GXW2M1250配合SiC非线性电阻的灭磁波形图，大家可以清楚地看出：整流桥输出的直流电压为360V，跨接在电感两端的SiC非线性电阻的残压为2610V，则磁场断路器的断口弧压已达2960V，足以满足SiC非线性电阻灭磁残压的要求。2. 弱开断型的换流建压方式 为了达到ZnO非线性电阻足够高的换流电压，减轻磁场断路器的负担，我国的励磁科技工作者作了大量开创性的研制工作，并获得了许多卓有成效的成果，如交流灭磁、电子型磁场断路器、无源零开断自动灭磁等。在这里介绍一种用高能PTC&ZnO组件制成的电子组合型磁场断路器。二十一世纪高科技材料科学的飞速发展，高能PTC的研制成功，为电磁领域中长期困扰人们的开关电弧问题找到了一条新的解决途径。直流电路的断口可采用并接以高能PTC材料制成的温敏特性电阻RT来实施。由下图来进行说明:充分利用高能PTC的导通和阻断两种特性来实现对自动空气开关的换流并阻断。RT在室温下呈低阻值，假设RT0=0.1.磁场电流为1000A,则在开关断口两端的电压仅为VK=If0RT0=100V,若始终使保持其到开关动、静触头间的距离到达1cm，则这时的场强为100V/cm,而大气的平均击穿电场强度为30KV/cm，所以在这种场强下，开关触头金属的电子不可能产生热游离。这就是直流电路磁场断路器防止电弧产生的基本原理。 DZL-电子组合型磁场断路器实现对大型同步发电机组的灭磁，其详细的介绍见说明书。六.非线性灭磁电阻的选择大型发电机组灭磁常用的吸能元件主要由SiC和ZnO两种。目前国内外大型机组广为采用的仍是选用SiC非线性电阻来配合灭磁作为吸能元件，其主要原因是SiC阀片的V-A特性比较软，易于串并联使用，在电场断口弧压较低的条件下，正常情况易实现对磁场断路器断口电流的安全转移，不会烧损磁场断路器的触头，无维修工作量，很受用户的欢迎。但由于SiC的残压比较大，在开断强励电流等大电流的情况下，极高的残压不仅对转子的绝缘构成威胁，而且对断口电流的转移也造成一定的困难，同样存在着烧损开关触头的事故。高能ZnO非线性电阻的特性远优于国外用于灭磁的SiC非线性电阻，它具有非线性系数小，漏电流小，能量密度大等优点，所以它是一种工作可靠，占积率小，能量大，移能时间短，而且效率高的元件。是实现快速灭磁和有效抑制瞬态过电压的理想器件。但为什么在国外的灭磁领域不采用，在国内的大型机组上推广也存在一定困难？其最主要有几大问题不易解决。1 用ZnO非线性电阻配合灭磁，为达到快速灭磁的目的，需要选用的磁场断路器能提供足够高的断口电压，磁场电流才能换流到ZnO灭磁电阻中去，否则将不可避免地引起磁场断路器烧毁的严重事故。例如国内某大型水电厂从1999至2000年期间曾发生三起励磁装置误强励，并造成灭磁开关烧毁的严重事故，经济损失巨大，经事故分析，该厂所采用的DM4型灭磁开关配合ZnO非线性电阻的灭磁方式存在着很大的安全隐患。为此一些单位为防止烧开关，只能靠牺牲灭磁速度，选择较低的ZnO非线性电阻动作的阀值电压；另外一个极端，某些科研单位一味追求快速灭磁，研制多断口高额定最大遮断电压的磁场断路器，将断口的弧电压甚至提高达6000-7000V，不仅这种磁场断路器制造困难，价格昂贵，而且这样高的电压存在，对转子的绝缘构成严重的威胁，也是规程规范所不允许的。而SiC是软开断。2V-A特性较硬的ZnO非线性电阻串并联使用的条件十分苛刻，只有经过严格的配片，要求每一并联支路的V10ma 阀值电压及串接的每只ZnO非线性电阻的非线性系数完全一致才能达到均流的要求，否则会因不均流造成短路，爆炸的可能。而SiC非线性电阻容易实现并联运行，而且SiC电阻在损坏时呈开路状态。3由于ZnO非线性电阻本身带有负阻特性，在使用中为从安全的角度考虑，需串接熔断器保护，从而造成布置空间增大。综合以上两种非线性电阻的优缺点，一种新型高能PTC&ZnO组件的研制成功，将它与ZnO非线性电阻优化组合，就能弥补SiC的残压比过高和ZnO阀值电压过高，影响磁场断口电流不易转移的不足。见下图 由图可以看出在相同电压U1的工况下，PTC电组通过的电流IP远远大于SiC和ZnO通过的电流ISIC和IZNO.说明PTC器件更能实现换流。由以下波形可以看出：开关开断时，断可换弧电压仅为900V,当PTC发热后ZnO的灭磁残压800V，可以实现快速来磁。七. 高能（低场强）ZnO非线性电阻阀片的主要点参数。表征用于灭磁及过电压保护的高能ZnO非线性电阻的电参数有：1. 非线性系数在ZnO阀片的两端施以一脉冲电压，脉冲电压的宽度应窄到不足以使电阻发热，可以得到如图所示的曲线。在大于ib某一电流范围IV的对数有近似于直线的关系，可用方程lgI=lgVA表示令A=lgC 则可得I=()C为常数，为直线的斜率，即=tg，越大，直线越陡，电阻的非线性特性越强。所以被称之谓“非线性系数”，它是非线性电阻的主要参数。也可以用另一种V的形式来表示，即：V=Ci =ZnO的非线性电阻系数一般20，而SiC的非线性电阻系数7。2. c值。即当=1时，这就类似于欧姆定律，c相当于电阻值，c值常称为“非线性电阻，有时被称为“材料常数”，它取决于材料的成分，构造和制造工艺。c值的定义为：“当变阻器上流过1mA/cm2电流时，每毫米长度上的电压降为该非线性电阻的c值（即平时所称的V/mm）3. 漏电流非线性电阻正常工作时流过的电流称之谓漏电流。漏电流与电压温度有关，一般控制在50uA到100uA之间，所以必须以允许的漏电流值来正确选取非线性电阻的工作电压。4. 电压温度系数随着温度上升，压敏电压下降，这种电压随温度变化的关系用电压温度系数表示。可定义为：在规定温度范围内，温度每变化1度，零功率条件下测得的压敏电压的相对变化率叫“电压温度系数”。5. 通流容量非线性电阻经持续交、直流负载和高的浪涌电流冲击后，VI特性会发生蜕变现象，它也就平时所称的“老化”。一般来说这种蜕变是不允许的，因此必须对经高浪涌电流冲击后的V1ma下降有所限制，并以下降多少作为衡量非线性电阻承受高浪涌能力的尺度。6. 能容指非线性电阻阀片承受能量的能力，其数学表达式为：W=VIdtV非线性电阻两端的电压I非线性电阻流过的电流通常用1S的电流方波来进行检测（考核）。7. 残压比Kc指非线性电阻元件流过100A电流时，其两端的电压与流过10ma时其两端的电压值之比。Kc=V100a/V10ma8.V10ma阀值电压指元件通过的电流达10ma时,其两端的外施电压大于此值时,元件动作导通，低于此值时，元件截止。9. 荷电率S指非线性电阻工作电压与V10ma阀值电压之比，此值选用的大小，直接影响到元件的使用寿命。八同步发电机转子回路的过电压及保护装置同步发电机励磁回路的过电压主要分交流侧和直流侧两种:81.交流侧可控硅阳极回路的换相过电压由于三相全控整流桥可控硅在换相的过程中因瞬间短路会产生严重的换相过电压,这种过电压幅值很高,给整流变压器的绝缘及可控硅器件带来严重的危害,通常采用阻容保护,这种经典的方式确实能起到有效的保护吸收作用,但它们要消耗许多电源的能量,而且温升很高,这里介绍一种由特殊的无感电容器/SiC串接无感ZnO组成的新装置,它不消耗电源能量,能有效地将尖峰换弧过电压限制在高压ZnO残压以下的安全范围内.1) 不加阻容吸收电路的情况尖峰峰值接近电源峰值的2倍2). 加氧化锌组合阻容吸收电路的情况 尖峰峰值接近电源峰值的1.4倍试验证明:本装置具有明显的抑制尖峰换弧过电压的作用.3) 无感ZnO&C/SiC组件外形图如下:装置结构简单紧凑,三相组成一体,接线方便,其高压ZnO 非线性电阻的V1ma阀值电压大于电源