百万千瓦汽轮发电机灭磁兼过电压保护研究(投稿)VIP

1、百万千瓦汽轮发电机灭磁兼过电压保护研究李自淳 彭辉 夏维珞 符仲恩 （中国科学院等离子体物理所科聚公司，安徽 合肥 230031）刘明行 夏雪（上海汽轮发电机有限公司，上海 闵行 200240）摘 要 本文以一台典型的百万千瓦汽轮发电机为例，研究其灭磁兼转子回路过电压保护的主回路方案和主要元器件参数设计选型；其中灭磁电阻分别选用ZnO非线性电阻及线性电阻二种方案，并进行二者的分析比较，得出推荐性结论。关键词 汽轮发电机 灭磁 过电压保护 方案研究 设计选型1 前言随着我国电力事业的飞速发展，发电机的单机容量不断增大，目前国产汽轮发电机已经达到百万千瓦的水平。作为发电机主保护的灭磁兼转子过电压保

2、护，一直是电机界特别是励磁界关注的要点。为了达到百万千瓦及以下容量的大型汽轮发电机灭磁兼转子过电压保护简单、安全、可靠的目的，我们解剖一只“麻雀”，对一台有代表性的百万千瓦自并励汽轮发电机进行分析研究，设计了二套不同的主回路方案，分别采用ZnO非线性电阻及线性电阻作灭磁电阻吸能元件，并对主要元器件进行参数设计及选型，最后进行二种方案的分析比较，得出推荐性的结论，供读者参考。2 典型发电机相关参数见表1所示。表1 典型发电机相关参数序号参数名称单位符号数值备注1发电机额定功率MWPN10002定子额定电压kVUN273额定转速r.p.mnN30004空载励磁电压VUf01445空载励磁电流AIf

3、019526额定励磁电压VUfN437807额定励磁电流AIfN58878励磁绕组电阻Rf0.0748809定子和阻尼绕组开路时,励磁绕组时间常数sTd08.8610电流强励倍数倍KI2电压KV =2.511自并励交流阳极电压VUa950线电压有效值3 主回路原理图3.1 方案研究ZnO非线性电阻具有优良的非线性伏安特性，它在转子过电压保护上的应用已得到国内专家的一致公认。中国电力行业标准DL/T 650-1998，大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件中，第5.5.5条规定，“发电机转子过电压保护装置应简单可靠。”根据论文发电机转子回路过电压保护国内外方案比较1的分析，并经过十几年来实际运

4、行的考验，证明用ZnO非线性电阻作吸能元件并带可控硅开关的过电压保护是适用于大型汽轮发电机自并励静止励磁系统的、简单可靠的方案。ZnO非线性电阻在灭磁上的应用同样无可非议，利用它作灭磁电阻可以得到近似恒压灭磁的理想过程，最佳地解决了灭磁速度快和灭磁过电压高的矛盾。ZnO在实际应用中的一系列问题，经过国内20年的运行均早已妥善解决2。但是由于汽轮发电机转子的整锻铁心内涡流可以顺畅流通，相当在电机磁路中交链了一个无形而巨大的阻尼绕组。灭磁时励磁绕组内的电流可以快速衰减，而铁心（阻尼绕组）内的感生电流却无法控制；由于整体铁心内电阻很小，使感生电流衰减缓慢，从而使电机内部磁场的衰减也缓慢。由此可见，汽

5、轮发电机理想的快速灭磁是不可能达到的，采用ZnO电阻灭磁是不必要的。在电力行标DL/T 650-1998中第5.5.4条说明：“灭磁电阻一般采用线性电阻。”同时5.5.1条又规定：“发电机灭磁应采用逆变和开关灭磁两种方式。灭磁装置应简单可靠。”电力行标DL/T 650-1998的第5.5.1条是总则，是纲领。它首先确定了应采用逆变和开关灭磁两种方式，其次强调了“简单可靠”。线性电阻是“一般采用”，并非“必须采用”。这样就可以设计2种方案，分别用ZnO电阻或线性电阻作吸能元件。采用ZnO主要不是追求灭磁速度快，而是为了“简单可靠”。因为用线性电阻必须串联一个机械的常闭“放电触头”或用可控硅组成的

6、电子开关，正常运行时断开，灭磁前13ms先接通线性电阻，然后换流灭磁。正是这个触头或电子开关降低了“简单可靠”性。ZnO电阻一般可以直接跨接，或串联一个反向二极管，省去机械触头或电子开关；更由于过电压保护中基本都用ZnO作吸能元件，可以设计成灭磁和过电压保护兼用，只需把过压保护用的ZnO能容量适当增大，就可以同时作为灭磁电阻用。这样既省去了另设线性电阻和触头开关，又增大了过电压保护的能容量，而成本和维护量增加并不多，一举两得，达到“简单可靠”的效果。下面分别用ZnO电阻和线性电阻各设计一套方案。当然还可以用SiC电阻设计第三套方案，由于SiC性能介于ZnO和线性电阻之间，电路基本和线性电阻相同

7、而成本和维护量又较高，对汽轮发电机没有什么实用价值，故此省略。本设计方案只是初步的，还可以根据用户意见作一定调整。3.2 ZnO电阻方案（方案一）主回路原理图见图1。3.3 线性电阻方案（方案二）主回路原理图见图2。图1 ZnO电阻方案主回路原理图4 主要元器件参数设计及选型4.1 灭磁电阻能容量3a) 能量计算用简易计算法。励磁绕组不饱和电感L= Rf ×Td0=0.0748×8.86=0.663H空载励磁储能量(考虑空载时铁心不饱和)图2 线性电阻方案主回路原理图强励时磁场储能量(考虑铁心饱知,电感减小) 灭磁电阻吸能量(考虑大部分能量被转子铁心内涡流消耗)考虑适当裕量

8、，最后取灭磁电阻额定能容量b) 对方案一RV11为灭磁及过电压保护兼用吸能ZnO电阻，可选用MYNZ1型高能氧化锌组件。其内部有多个ZnO阀片串并联组合，均能系数大于0.95；还包括TRD型特种保护熔断器FU11，每个并联支路串一个。万一有ZnO阀片在运行中击穿短路，FU11可以立即将故障支路开断退出，不影响整个组件的正常工作。由于设计裕量很大，个别支路的退出不影响装置的可靠工作。c） 对方案二R为线性灭磁电阻，通过QF联动的常闭放电触头在灭磁时提前13ms接入，可到市场上采购合适的金属线性电阻。但市场上的电阻均标称为额定电流或额定功率，这是长期连续通流的数据，是电阻发热与散热达到平衡后温升到

9、达额定值的数据。灭磁电阻的运行工况不是连续通流，而是短时通流，可以不考虑散热，电阻产生的热量全部被它本身吸收，使其温度升高。根据热平衡方程式 （1）式中：灭磁电阻额定能容量（MJ） 电阻元件质量（kg） 电阻元件比热（kcal/kg·） 电阻元件温升（）可与电阻供应单位联系，了解电阻元件的、和，根据式（1）计算选购合适的线性电阻。具体从略！4.2 线性灭磁电阻R的阻值根据电力行标DL/T 650-1998中第5.5.4条说明：“灭磁电阻值可为磁场电阻热态值的23倍”，取中间值2.5倍。具体选购时可根据市场供货情况选取阻值与此相近的产品。4.3 ZnO灭磁电阻RV11的残压a) 取值电

10、力行标DL/T 650-1998中没有关于ZnO非线性灭磁电阻的内容，故借用电力行标DL/T 583-1995，大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件中第4.5.2a)条的规定：“灭磁过程中，励磁绕组反向电压一般不低于出厂试验时励磁绕组对地试验电压幅值的30%，不高于50%。”残压取中间值b) 核算不误动动作电压（式中1.6为残压比）逆变时励磁电压最大反向峰值(式中1.15是定子电压过电压倍数)汽轮发电机异步运行滑差过电压峰值为可以躲过逆变灭磁及异步运行时的反向电压,不致误动。c) 核算不超压电力行标DL/T 650-1998中第5.5.2条规定：“在强励状态下灭磁时发电机转子过电压值

11、不应超过46倍额定励磁电压值。” 符合规定！4.4 磁场断路器QF的选型a) 选型据了解目前国内无合适产品能满足要求，必须采用进口产品。经网络搜索及有关咨询，决定选用英国R.R.(Rolls-Royce)公司生产的MM74(又称EX74)型磁场断路器，科聚公司曾经为岩滩电厂300MW水轮发电机配用过这种断路器并做过弧压试验。相关网页见图3，选用规格如下：额定电压：3200V额定电流：8000A开断电流：50kA(3200V)断口弧压：2×3200=6400Vb) 核算弧压根据有关理论分析4，必须满足式中： UKM 磁场断路器保证能达到的最大开断弧压； ULM 最大（强励）励磁电流IL

12、M 流过灭磁电阻时，其两端最高残压；UZM 最大（强励）电源电压峰值。对方案一， （式中1.15是定子电压过电压倍数）， 满足！对方案二， 满足！c) 核算电流额定电流，满足！d) 结论该断路器断口弧压和额定电流均满足方案一和方案二的要求，并有较大裕量，而且带有常闭放电触头，可以选用。MM74MM74 High Speed DC Circuit BreakerThe MM74 high-speed DC circuit breaker has been designed specifically to meet the system requirements of the DC substat

13、ion switchgear for controlling the power supplies to heavy rail transit systems, and complies with requirements of ANSI C37.14-1992 and C37.16-1980. lt is also suited to the special applications of other fields as follows:- Generator main field circuit breaker duty Thyristor convertor-controlled mot

14、ors Rolling units in steelworks Electrolytic plants Mine winders This truck-type withdrawable circuit breaker has been developed from our long established panel and pedestal-mounted circuit breakers which have been in service since 1936. Main Features· Up to 12000A rating · Fully interlock

15、ed · Metalciad construction · Top or bottom cable entry · Over 50 years experience in DC switchgear Rated voltage 800, 1600, 3200V Rated normal currents 4000, 6000, 8000, 12000A Short circuit interruption rating 800V up to 250kA,1600V up to 150kA,3200V up to 50kA Associated Documents&

16、#160;  · Case Study - Our Asian Studies (Portable Document Format)Asian.pdf 191Kb download now · Project Solutions - Powering the Underground (Portable Document Format)ACF622.pdf 127Kb download now Page: 1 图3 MM74断路器的相关网页4.5 过电压保护及其整定值a) 原理介绍5二种方案均采用目前国内已普遍应用的GB02型ZnO过电压保护器，每方案均在

17、转子侧和电源侧各设一套（见图1、图2）。正常运行时QF闭合，两套并联运行，因转子侧的一套动作电压低，吸能容量大，故均由转子侧那套过压保护动作吸能。灭磁时QF开断，两套过压保护分家，分别吸收并限制各侧的过电压。该保护器简单可靠，元件少，没有机械触点和二次操作电路，不需操作电源；正常运行时可控硅管V11、V12、V3关断，ZnO电阻不承受较高的正向工作电压，荷电率低，寿命长；有正向过电压袭来时，通过电子触发器CF把可控硅触发导通，ZnO电阻RV11、RV12或RV2接入导通限压；过电压消失后由于ZnO的非线性伏安特性使续流急剧下降，减小到小于可控硅的维持电流，可控硅管自动关断复归。改变小功率电阻R

18、1和R2的阻值就可以方便地改变正向动作电压整定值。因运行时反向电压不高，故对反向电压来说，经过二极管V21、V22、V4相当ZnO电阻直跨，反向荷电率很低，而且反向过电压由ZnO电阻直接保护，更加简单可靠，同时还兼有灭磁功能。对方案一来说，RV11本身兼作灭磁电阻。对方案二来说，灭磁时投入线性电阻R吸收磁场能量；但当电流较大时电阻R两端电压升高，到达ZnO电阻RV12的动作电压时，RV12立即导通限压，R两端电压不再升高，磁场能量由ZnO电阻和线性电阻共同吸收。b) 动作整定值电力行标DL/T 650-1998第5.5.5条规定：“动作电压值应高于强励后灭磁和异步运行时的过电压值，同时应低于转

19、子绕组出厂工频耐压试验幅值的70%。”根据本文4.3 b）和 4.4 b)的计算，强励后灭磁过电压值，方案一为2500V，方案二为2202V；异步运行时的过电压值为1530V。出厂工频耐压试验幅值的70%为另外，励磁电压正向峰值（式中1.5为换相过电压尖峰系数），应予躲过。根据标准规定及上述计算数据，决定：正向过电压保护动作值：转子侧2600V电源侧2800V反向过电压保护动作值：转子侧1563V 电源侧1750V对方案二，转子侧反向过压保护动作值1563V低于线性电阻R强励后灭磁残压2202V，这时由ZnO电阻和线性电阻并联共同吸收磁场能量并限制过电压，性能更优。反向动作值要躲过逆变已由本文

20、4.3 b)校核通过。4.6 过电压保护主要元器件选择a) 转子侧ZnO电阻对方案一，RV11为灭磁过电压保护兼用，已由本文4.1a)及4.3a)选定，能容量2.2MJ，11800A残压2500V，型号MYNZ1。对方案二，RV12主要用作过电压保护，但在强励灭磁时也要吸收部分磁场能量，能容量可稍小，取为1.2MJ，残压2500V，型号MYNZ1。b) 电源侧ZnO电阻 二个方案一样，电源侧过压保护正常运行时不动作，仅在灭磁时QF跳开后吸收电源侧过电压，能量较小；但为保证工作可靠，选择4支路并联，每支路串联一个TRD熔丝FU2。RV2残压选择2800V，c) 可控硅和二极管V11、V12、V21、V22、V3、V4耐压（重复峰值电压）均选择4000V。额定电流应按I 2t特性来选择。因这些元件的工作状况不是连续通流，而是在短时（ms级）通以大电流，所以要用积分求出工作时的I 2t，再根据元件供应单位产品样本上的I 2t曲线来查对选取。如样本上的曲线范围不够，还要外推曲线。具体从略！5 结论通过以