发电机励磁之灭磁系统简介

1、南京南瑞继保公司：吴龙 发电机励磁系统培训系列之灭磁及过电压保护简介灭磁及过电压保护简介发电机励磁系统的定义发电机励磁系统的定义为发电机磁场绕组提供可调直流电流以建立磁场的所有有关为发电机磁场绕组提供可调直流电流以建立磁场的所有有关设备的总和。设备的总和。建立磁场是发电机能够发电的前提条件建立磁场是发电机能够发电的前提条件磁场可调，是发电机运行工况可调的前提条件磁场可调，是发电机运行工况可调的前提条件励磁系统基本构成励磁系统基本构成1 1、 功率部分功率部分2 2、 灭磁部分灭磁部分3 3、 控制调节部分控制调节部分 4 4、 辅助部分辅助部分RCS9410(AVR)RCS-9420RCS-9

2、430EPS发电机磁场绕组特征发电机磁场绕组特征发电机磁场绕组为典型电感发电机磁场绕组为典型电感+ +电阻负载：电阻负载：稳态时（电流不变时）表现为电阻和磁场储能：稳态时（电流不变时）表现为电阻和磁场储能：dtdILRIUfffd*ffdIRU221fILE灭磁系统要求灭磁系统要求 当发电机发生内部故障，在继电保护动作切断主当发电机发生内部故障，在继电保护动作切断主断路器后，还要求快速地熄灭故障点电弧，故障电断路器后，还要求快速地熄灭故障点电弧，故障电弧由磁场旋转切割定子绕组产生，熄灭电弧即要消弧由磁场旋转切割定子绕组产生，熄灭电弧即要消除励磁电源及磁场储能，对灭磁系统的要求：除励磁电源及磁场

3、储能，对灭磁系统的要求： 可靠切断发电机的励磁电源；可靠切断发电机的励磁电源； 快速消耗磁场绕组储存的磁场能量；快速消耗磁场绕组储存的磁场能量；灭磁系统重要性灭磁系统重要性 灭磁系统是发电机发生内部故障后最后一道防护灭磁系统是发电机发生内部故障后最后一道防护措施，可靠而安全的灭磁系统对发电机安全至关重措施，可靠而安全的灭磁系统对发电机安全至关重要，分享两个灭磁系统故障案例：要，分享两个灭磁系统故障案例： 空载误强励灭磁失败的案例；空载误强励灭磁失败的案例； 发电机端部短路时灭磁失败的案例；发电机端部短路时灭磁失败的案例；灭磁回路特征灭磁回路特征分断磁场绕组供电回路分断磁场绕组供电回路分断励磁回

4、路分断励磁回路接通转子磁场绕组的灭磁支路接通转子磁场绕组的灭磁支路投入耗能回路投入耗能回路PKLiTTPdtRRiKLidtRRiELtffftff*2)(21)(2020dtdiLULL灭磁特点灭磁特点励磁回路分断过程中产生的电压将在开关断口处产生电励磁回路分断过程中产生的电压将在开关断口处产生电弧，这不仅延迟励磁电源分断的时间，也影响开关分弧，这不仅延迟励磁电源分断的时间，也影响开关分断的可靠性。断的可靠性。灭磁过程中平均灭磁功率越大，磁场消除得越快，故障灭磁过程中平均灭磁功率越大，磁场消除得越快，故障电流所存在的时间就越短，所产生损害就越小。电流所存在的时间就越短，所产生损害就越小。平均

5、灭磁功率为灭磁过程中瞬时功率平均值，瞬时功率平均灭磁功率为灭磁过程中瞬时功率平均值，瞬时功率为：为：P=UP=U* *I I，灭磁越快，灭磁等效电阻就越大，灭磁过程中所产生反灭磁越快，灭磁等效电阻就越大，灭磁过程中所产生反向过电压就越高，对设备有产生绝缘损坏的危险。向过电压就越高，对设备有产生绝缘损坏的危险。理想灭磁过程理想灭磁过程在整个灭磁过程中，在最大灭磁电压作用下，在整个灭磁过程中，在最大灭磁电压作用下，灭磁电压维持不变，即灭磁电压维持不变，即U UL L=Umax,=Umax,灭磁瞬时功灭磁瞬时功率率P=UmaxP=Umax* *i if f即为最大灭磁功率，那么平均即为最大灭磁功率，

6、那么平均灭磁功率为最大灭磁功率，灭磁时间最短且灭磁功率为最大灭磁功率，灭磁时间最短且灭磁电压满足要求。灭磁电压满足要求。灭磁主要技术指标灭磁主要技术指标1 1）励磁回路可靠开断技术）励磁回路可靠开断技术2 2）灭磁过电压控制技术）灭磁过电压控制技术3 3）灭磁容量设计技术）灭磁容量设计技术4 4）过电压保护设计技术）过电压保护设计技术灭磁系统分类灭磁系统分类GGGGSRSRSRSRq 逆变灭逆变灭磁磁q 直流侧磁场断路器灭磁直流侧磁场断路器灭磁q 交流侧灭磁开关灭磁交流侧灭磁开关灭磁q 可控硅跨接器灭可控硅跨接器灭磁磁分断励磁电流的条件分断励磁电流的条件0RfkRdMKIIIUUU封锁触发脉冲

7、的结果封锁触发脉冲的结果 整流桥封锁脉冲后，由于转子电流不可突变，整流桥封锁脉冲后，由于转子电流不可突变，整流桥转换为一个直通电路，整流桥输出电整流桥转换为一个直通电路，整流桥输出电压变化为交流电压，正半波输出电压为正，压变化为交流电压，正半波输出电压为正，负半波输出电为负。负半波输出电为负。直流侧断路器灭磁直流侧断路器灭磁q 灭磁灭磁条件：条件：U Uk k= =U Ufmaxfmax+U+UR Rq 优点：无需外部设备配合，操作简单优点：无需外部设备配合，操作简单q 缺点：对断路器建压能力要求高，断路器造价高缺点：对断路器建压能力要求高，断路器造价高GMKSCRMKRUkUscrUr直流侧

8、开关灭磁直流侧开关灭磁GSCRMKRUkUscrUrq 灭磁灭磁条件：条件：U UK KUUR R-U-U2 2且且主主回路为可控硅整流回路为可控硅整流q 优点：开关建压能力要求低，开关造价低优点：开关建压能力要求低，开关造价低q 缺点：交流侧开关分开前，必须闭锁可控硅触缺点：交流侧开关分开前，必须闭锁可控硅触发脉冲且当机端短路故障时发脉冲且当机端短路故障时U2=0U2=0，换流更困难，换流更困难交流侧开关灭磁交流侧开关灭磁q 灭磁灭磁条件：条件：UkUkUUR R-U-U2 2且且主主回路为可控硅整流回路为可控硅整流q 优点：开关建压能力要求低，开关造价低优点：开关建压能力要求低，开关造价低

9、q 缺点：交流侧开关分开前，必须闭锁可控硅触发脉冲缺点：交流侧开关分开前，必须闭锁可控硅触发脉冲且当机端短路故障时且当机端短路故障时U2=0U2=0，换流更困难，换流更困难GRdLdRbZ1Z2dxCBSCRACUkUrUac跨接器灭磁跨接器灭磁q 灭磁条件：灭磁条件：U UR RUU2 2且封锁触发脉冲且封锁触发脉冲q 优点：主回路简洁，维护量少优点：主回路简洁，维护量少q 缺点：灭磁电压低，灭磁速度慢，短路故缺点：灭磁电压低，灭磁速度慢，短路故障时无法进行正常灭磁障时无法进行正常灭磁RdLdZ1Z2SCRCrowBar灭磁开关灭磁开关任务：可靠开断励磁回路，可靠接通灭磁回路任务：可靠开断励

10、磁回路，可靠接通灭磁回路1 1、开关操作机构动作可靠，动作速度快、开关操作机构动作可靠，动作速度快2 2、有足够的分断能力，灭弧能力、有足够的分断能力，灭弧能力dtdiLUUUUdtdiLULiELdLdFBKLLL221灭磁开关指标要求灭磁开关指标要求p 额定工作电压：额定工作电压： 大于转子上的最大工作电压（按照大于转子上的最大工作电压（按照130%130%变压器额定电压产生的最大输出直流电压）。变压器额定电压产生的最大输出直流电压）。p 额定工作电流：额定工作电流： 大于转子最大长期连续工作电流大于转子最大长期连续工作电流（按照（按照110%110%发电机额定励磁电流计算）发电机额定励磁

11、电流计算）p 开断电流能力：开断电流能力： 大于转子强励电流和短路电流大于转子强励电流和短路电流p 开断电压能力：开断电压能力： 大于灭磁电阻上电压和可控硅整流大于灭磁电阻上电压和可控硅整流桥输出电压之和。桥输出电压之和。灭磁电阻要求灭磁电阻要求灭磁电阻的任务：消耗转子磁场储能灭磁电阻的任务：消耗转子磁场储能 a. a. 灭磁电阻值越大，灭磁耗能功率越大，灭磁时间越短；灭磁电阻值越大，灭磁耗能功率越大，灭磁时间越短；b. b. 灭磁电阻值越大，灭磁时反向电压越高；灭磁电阻值越大，灭磁时反向电压越高；c. c. 灭磁电阻接入回路应简单可靠；灭磁电阻接入回路应简单可靠；RdFBKRRUUUiRUm

12、AdFBKmAFRFRdFBKUUUUUUUU1010灭磁电阻种类灭磁电阻种类氧化锌非线性电阻，其伏安氧化锌非线性电阻，其伏安特性的表达式为：特性的表达式为：式中：式中：UU非线性电阻两端的电压非线性电阻两端的电压II过非线性电阻的电流过非线性电阻的电流CC材料系数材料系数非线性电阻的系数非线性电阻的系数CIU 灭磁电阻特性比较灭磁电阻特性比较q 氧化锌电阻非线性特性最优氧化锌电阻非线性特性最优（0.046），碳化硅次之），碳化硅次之(0.3)，线性电阻线性电阻(1.0)q 热容量碳化硅比氧化锌大，同热容量碳化硅比氧化锌大，同样容量，碳化硅体积小得多样容量，碳化硅体积小得多q 非线性电阻寿命用

13、额定容量消非线性电阻寿命用额定容量消耗次数限制，线性电阻电气寿耗次数限制，线性电阻电气寿命最长，不受灭磁次数限制。命最长，不受灭磁次数限制。iuLRZnOSiC线性灭磁电阻线性灭磁电阻线性电阻灭磁时，其电压与通过电流成正比，设计线性线性电阻灭磁时，其电压与通过电流成正比，设计线性灭磁电阻以灭磁电阻通过最大灭磁电流（以短路时流过灭磁电阻以灭磁电阻通过最大灭磁电流（以短路时流过磁场绕组电流：约为磁场绕组电流：约为3倍额定励磁电流）时灭磁电阻两端倍额定励磁电流）时灭磁电阻两端电压在标准规定的灭磁电压范围（电压在标准规定的灭磁电压范围（30%至至50%转子绝缘转子绝缘耐压的幅值）为准。耐压的幅值）为准

14、。fNMfNfNMfNMfNMMMRRRUUIRUIRU3.24.1*2*53*2*3max特性表达式：氧化锌灭磁电阻氧化锌灭磁电阻氧化锌非线性电阻的非线性特性，在导通状态下，电流氧化锌非线性电阻的非线性特性，在导通状态下，电流在大范围变化时，电压基本保持不变，灭磁过程中能够在大范围变化时，电压基本保持不变，灭磁过程中能够保持灭磁电压仅有较小的变化，设计氧化锌灭磁电阻以保持灭磁电压仅有较小的变化，设计氧化锌灭磁电阻以串联的片数残压之和作为灭磁电压即可。串联的片数残压之和作为灭磁电压即可。VUAIVUAIVUmAIIU16461001332100152820133220107701.013321

15、01332046.0046.0046.0046.0时，时，时，特性表达式：碳化硅灭磁电阻碳化硅灭磁电阻碳化硅灭磁电阻非线性特性稍弱，在导通状态下，电流碳化硅灭磁电阻非线性特性稍弱，在导通状态下，电流在大范围变化时，电压变化幅度较大，设计碳化硅灭磁在大范围变化时，电压变化幅度较大，设计碳化硅灭磁电阻以灭磁电阻通过最大灭磁电流（以短路时流过磁场电阻以灭磁电阻通过最大灭磁电流（以短路时流过磁场绕组电流：约为绕组电流：约为3倍额定励磁电流）时灭磁电阻两端电压倍额定励磁电流）时灭磁电阻两端电压不超过发电机允许最大灭磁电压为准。不超过发电机允许最大灭磁电压为准。VUAIVUAIVUmAIIU1500100

16、37710092620377209501.0377103773.03.03.03.0时，时，时，特性表达式：灭磁电阻容量计算灭磁电阻容量计算q 灭磁容量计算涉及到非线性模灭磁容量计算涉及到非线性模型计算，采用仿真方法。型计算，采用仿真方法。q 模型采用发电机六阶模型，考模型采用发电机六阶模型，考虑磁场饱和、阻尼绕组、涡流虑磁场饱和、阻尼绕组、涡流反应等因数，计及灭磁开关动反应等因数，计及灭磁开关动作过程，采用电力系统综合仿作过程，采用电力系统综合仿真程序。真程序。q 灭磁工况考虑空载误强励及发灭磁工况考虑空载误强励及发电机端部短路故障，取最大的电机端部短路故障，取最大的灭磁能容作为灭磁电阻容量

17、的灭磁能容作为灭磁电阻容量的工程选择依据工程选择依据灭磁开关与灭磁电阻的配合灭磁开关与灭磁电阻的配合发电机转子额定电压为：发电机转子额定电压为：UlnUln根据标准要求，灭磁控制电压为：（根据标准要求，灭磁控制电压为：（4 47 7）UlnUln可控硅整流桥输出的误强励电压为：可控硅整流桥输出的误强励电压为：(2.5) Uln(2.5) Uln可控硅整流桥失控输出的最大电压为：可控硅整流桥失控输出的最大电压为：(1.3(1.31.351.352.05) Uln=3.6 Uln2.05) Uln=3.6 UlnVVUVUUU：，UUUUMKFRMKFRdMK53003800500)74(00)6 .106 . 7(lnln，则压假设大型机组，转子电则励磁变副边电压为发电机端部短路时磁开关断口上的电压：整流桥失控灭磁时，灭灭磁的困难及对策灭磁的困难及对策困难：对于巨大型机组，很多励磁电压达至困难：对于巨大型机组，很多励磁电压达至600V600V，则，则要全部满足灭磁的要求，灭磁开关分断时断口弧压要全部满足灭磁的要求，灭磁开关分断时断口弧压要求超过要求超过6000V6000V，开关选型非常困难。，开关选型非常困难。对策对策1 1：选择换流相对容易的线性电阻灭磁，且选择：选择换流相对容易的线性电阻灭磁，且选择电阻阻值相对较低，增加灭磁时间；电阻阻值相对较低，增加灭磁