发电机交直流灭磁的模拟试验

1、.发电机交直流灭磁的模拟试验曲 国 权东北电网公司松江电站工程建设局彭 辉 李 自 淳中科院等离子体物理研究所科聚公司摘 要：本文说明了同步发电机交流和直流灭磁多项模拟试验的情况，介绍了试验电路和试验方法，分析了试验录波图反映的试验物理过程，最后总结出试验结论。关键词：发电机；交流灭磁；直流灭磁；模拟试验1 前言随着电力事业的飞速发展，发电机的容量和参数不断提高，传统的以DM2型灭磁开关为代表的“串联型吸能灭磁”已经趋于淘汰，新型的以磁场断路器为中心的“并联型移能灭磁”正在广泛应用。但由于磁场断路器产品的发展跟不上需要，所以在灭磁方式上出现了交流灭磁和直流灭磁等多种方案。关于同步发电机交流灭磁

2、和直流灭磁的理论分析，经过多年学术会议和专业刊物的组织引导，以及广大业内同行的深入探讨，已经比较成熟。有关这方面的论文和专著也已广泛流传1，大家观点基本趋于一致。但是由于条件的限制，在实验验证方面还比较欠缺。本着“实践是检验真理的唯一标准”的宗旨，我们利用中国科学院等离子体物理研究所1:1灭磁模拟实验室的有利条件，对交直流灭磁的各种工况做了一系列模拟试验，吸能元件分别用ZnO、SiC和线性电阻。经过大量对比试验，得出一番有意义的结论，本文就有关情况作一介绍。2 试验原理接线图见图1和图2。本试验的负载受设备条件的限制，采用了空气芯电感L和线性电阻R1来模拟发电机的励磁绕组，这样就不能充分模拟发

3、电机的一些特性，如饱和特性、阻尼特性和电枢反应特性，所以本文所述的灭磁时间就相当于纵轴灭磁时间。试验将侧重于对交流侧和直流侧灭磁的原理和特点进行验证。3 试验参数励磁电流A，励磁电压V，电感L=0.72H，电阻R1=1。图1 交流侧灭磁模拟试验原理接线图图2 直流侧灭磁模拟试验原理接线图4 录波量 UL，UZ，UK，Uab，Ubc， UKA，UKB，UKC，IL，IRV，IK，IKA，IKB，IKC，共14个量。14个录波量的检测位置和正负极性见图1和图2，录波量的定义见表1。表1 录波量定义表序号代号定义序号代号定义1UL转子电压（电感电压）8UKC交流开关C相断口电压2UZ整流输出电压9I

4、L转子电流（电感电流）3UK直流开关断口电压10IRV灭磁电阻电流4UabAB相交流线电压11IK直流开关断口电流5UbcBC相交流线电压12IKA交流开关A相断口电流6UKA交流开关A相断口电压13IKB交流开关B相断口电流7UKB交流开关B相断口电压14IKC交流开关C相断口电流以上各量不同时录取。交流侧灭磁和直流侧灭磁分别录取不同量（见图1和图2），交流灭磁11个量，直流灭磁5个量。5 磁场断路器和灭磁电阻试品磁场断路器MK用DW10-1500/3型，三极交流空气开关，额定电压380V AC，额定电流1500A，加装联动常闭触头。灭磁电阻用ZnO、SiC非线性电阻RV或线性电阻R分别做试

5、验，串联MK联动常闭触头，分闸时该触头比MK主触头分断提前24ms闭合。6 试验项目、目的、方法及结果分析6.1直流侧灭磁测磁场断路器MK断口弧压本试验目的为实测MK的断口弧压，以便选配合适的灭磁电阻及在后续试验中验证理论换流条件。试验回路用图2，不接灭磁电阻RV/R，合MK，调节IK200A，跳MK，录波图见图3、图4和图5。各录波量及关键时刻均标注在图3上，图4和图5相同。t 1时刻为MK主触头分断点，t2时刻为MK断口熄弧点。从录波图可看出，“实测最高平均弧压”2 ，单断口为500V，双断口串联为950V，三断口串联为1450V。实际试验时，交流和直流灭磁断口弧压均为双断口叠加，故选配灭

6、磁电阻的非线性电阻RV残压在1000V左右，线性电阻R=10和5。6.2 交流侧灭磁不切脉冲试验本试验目的为验证是否如理论分析那样，在这种情况下会形成整流桥同相正负桥臂可控硅同时导通，自然续流灭磁。试验回路用图1，接线性灭磁电阻R=10，合MK，调节IL82A，不切除整流器可控硅的触发脉冲，跳MK。录波图见图6a和图6b（因同时测录的量太多，如标在一张图上会看不清，故分标于二张图，读者应二图同时对照着看，下同）, 各录波量及关键时刻均标注在图上。时刻t 1以前为正常励磁状态，MK常开主触头闭合，断口弧压U KA =UKB =U KC=0；断口电流I KA、I KB、IKC均为方波；MK常闭放电

7、触头断开，故IRV=0；转子电压U L为周期3.33ms的锯齿波，转子电流I L为平直水平线。t 1时刻MK常闭放电触头闭合，I RV电流上升；同时交流侧I KA和I KC也同步上升，此时I KB=0；随后I KA 向I KB 换流，I KA下降到0。图6a和图6b的t 1时刻不重合系录波误差。t2时刻MK常开主触头断开，此时I KA=0，A相断口无电弧开断，UKA立即分到电压而上升；I KC= -I KB ， +C和-B相两只可控硅管导通续流，励磁回路演变成如图A, UL=Ubc-UKB+UKC；MK开关B、C两相断口燃弧续流，弧压-UKB和UKC逐渐上升，叠加在交流电压Ubc上，使UL逐渐

8、偏移升高。由于线性电阻R的电流I RV与其两端电压成正比，故随着UL的反向及升高，I RV也作同样的变化。由于线性电阻R的分流，在IL基本不变的情况下，使交流侧电流I KB和I KC作相应下降。 图A 交流侧灭磁两相可控硅导通续流等效电路图t2后不到3.33ms，+A相触发脉冲来到，但此时MK开关A相断口已断开，无阳极电压，故+A相可控硅不能导通换相，波形图上无任何反映。t2后不到6.66ms的t3时刻，-C相触发脉冲来到，-C相可控硅导通（-B相可控硅关断），与原来导通的+C相可控硅形成同相桥臂导通续流（见图B），整流器接近短路，U L下降到仅为两只可控硅管的正向压降；MK开关断口熄弧，I

9、KB=I KC=0。图B 同相可控硅导通续流等效电路图t3以后由于U L接近零，I L缓慢下降，时间常数 =L/R1=0.72H/1=0.72s。图7 MK熄弧后等效电路t3后MK的三相主断口均熄弧，但断口前仍加有三相对称的交流电压Uab= U bc= Uca=265V，其峰值为×265=375V。并联在MK三相断口上测量断口电压的三只霍尔元件与断口后的电路（包括图1中未画出的桥臂并联阻容、桥臂可控硅及直流部分元件）组成一个等效星形电路，如图7所示。在t3 t4期间，因B相的可控硅刚截止，还处于热态，这时每隔3.33ms来一次的触发脉冲对其有一定触发作用，即改变其阻抗值。由于ZB阻值

10、受触发脉冲影响而变，同时C相可控硅保持导通，ZB的变化会使分压比变化。从图6b上看到，在t3t4期间，每隔3.33ms，U KB和U KC的波形就冒一个尖，就是这个原因。A相可控硅早就截止，已经冷却，故U KA没有这种情况。t4以后，三相的可控硅全部冷却，触发脉冲对其不再起作用，故断口电压不再冒尖。由于桥臂短路，ZAZBZC0，U KAU KBU KC=265/=153V ，峰值为×153=216V，三相电压互差120°。以上结论和录波图相符, 以下试验中也有类似的情况，不再重复分析说明。6.3 交流侧灭磁切脉冲试验本试验目的为验证交流侧切除可控硅触发脉冲后灭磁的过程是否符

11、合理论分析。试验回路用图1，灭磁电阻分别用ZnO、SiC和10线性电阻。合MK，调节I L82A，切脉冲跳MK。由于MK的固有动作时间较长，所以主断口在切脉冲后约40ms断开。录波图见图8a.b、图9a.b和图10a.b。各录波量及关键时刻均标注在图8a.b上，图9及图10相同。按图8分析灭磁过程。时刻t1以前为正常励磁，t1时刻切脉冲，UL从锯齿波变为正弦波，和阳极电压Uab相同（图8a中和Uba反相是因为各自设定的正方向相反）。此时C相电流为零，-A、+B两相可控硅导通续流，等效电路和图A相似，但MK触头闭合。到t3时刻MK主触头分断，由于C相本无电流，故C相断口无电弧开断，UKC立即分到

12、电压而上升。A、B两相断口燃弧续流，弧压 UKA、UKB逐渐升高，叠加在Uab交流电压上，使UL逐渐升高。到t4时刻到达ZnO的导通残压，转子电流IL全部转移到ZnO中，IRV上升到IL，IKA和IKB下降到0，开关断口熄弧，换流成功。t4以后IL在ZnO中迅速衰耗下降，到t5降到零，灭磁结束。t4后UKA、UKB和UKC分压均为正弦波。此时整流桥可控硅全部截止，桥臂并联的电容器没有畅通的放电回路，故其上保留工作中充上的直流电压，使UKA、UKB和UKC 三个电压的零线偏移。图6b上无此现象，因那时整流桥短路，电容已放电。图9和图10与此类似，不再赘述分析。图10上t2时刻为MK常闭放电触头闭

13、合，因线性电阻R增流，在交流侧电流IKB和IKC上均凸起一个小包，另外因SiC及线性电阻伏安特性“软”，在全部换流成功之前，也有少量导通，部分换流，但MK断口始终没熄弧，形成“拉锯战”，开关燃弧时间延长，触头烧损严重。比较图8a、图9a和图10a，三者的最高灭磁电压均为650V左右（受MK弧压限制），三者的灭磁时间（从t3 MK开断到t5灭磁结束），ZnO为102ms，SiC为160ms，10电阻为356ms，可见在最高灭磁电压基本相同的情况下，ZnO灭磁时间最短，SiC次之，线性电阻最长。6.4 直流侧灭磁不切脉冲试验本试验目的为验证直流侧不切除可控硅触发脉冲灭磁的过程是否符合理论分析。试验

14、回路用图2，灭磁电阻分别用ZnO、SiC和10/5线性电阻，合MK，调节IK80A，不切脉冲跳MK，录波图见图11a.b、图12a.b、图13a.b及图14a.b。各录波量及关键时刻均标注在图11a.b上，其余各图相同。按图11分析灭磁过程。t1前为正常励磁，Uk=0, I K为恒定值，U L=-UZ为锯齿波（相位反相因指定正向相反）。t1时刻MK主触头分离，触头燃弧，弧压UK上升，使UL反向并不断上升，IK开始下降。到t2时刻UL升高到ZnO的导通残压，励磁电流全部转入ZnO电阻内流通，I RV上升，I K下降到零，MK熄弧，换流成功。t2以后励磁电流在ZnO内迅速衰耗，近似直线下降，到t3

15、时刻电流降到零，灭磁结束。t2后MK熄弧，断口电压UK系转子电压UL和电源电压UZ叠加而成的锯齿波，并非真正的“弧压”（此时已无电弧）。图12、图13和图14的分析与图11相似，不再赘述。图14b上可看到在t1前有一个t0时刻为MK常闭放电触头提前闭合。由于SiC和线性电阻伏安特性“软”，在t0后就出现电流，使I K电流也相应变化，两者部分“换流”，“拉锯”，最后才全部换流成功。6.5 直流侧灭磁切脉冲试验本试验目的为验证直流侧切除可控硅触发脉冲后灭磁的过程是否符合理论分析。试验回路及方法同上述6.4节，但在跳MK开关前先切脉冲，录波图见图15、图16、图17、图18和图19。各录波量及关键时

16、刻均标注在图17上，其余各图相同。按图17分析灭磁过程。时刻t1前为正常励磁。t1时刻切脉冲，整流桥两相桥臂导通续流，等效电路如图C，UL及UZ从锯齿波变为正弦波（两者反相因指定的正向相反），IK有微量波动。t2时刻MK的常闭放电触头闭合，此时正值UL是反向峰值，故IRV突然反向上升，引起IK也上升，UL 受干扰出现一个尖峰。t3时刻MK主触头断开，弧压UK从零开始上升。由于弧压UK和UZ的叠加，使UL反向并不断升高，IRV也作相应的变化，IK则反之。到t4时刻全部励磁电流转入R中，IK下降到零，MK熄弧，换流成功。t4后UK为UL和UZ的叠加电压，并非真正“弧压”；同时由于IK=0，整流桥可

17、控硅管截止，交流阳极电压被隔离，仅通过桥臂并联的阻容和测UZ的分压器分压而使UZ仍有一定正弦交流波形，但幅值大减。图C 直流侧灭磁两相可控硅导通续流等效电路图图18是和图17同样工况又一次试验的录波图，只是偶然的使t2靠近UL的零点，故IRV没有突变，UL也没有干扰尖峰出现。其他各图情况相似，不再赘述说明。图3 单断口弧压试验录波图单断口弧压t1Ukt2Ik双断口串联弧压图4 双断口串联弧压试验录波图 三断口串联弧压t2Ikt1图5 三断口串联弧压试验录波图Uk交流侧灭磁不切脉冲-1t1ILt2t3IRVUbaUL图6a 交流侧灭磁不切脉冲试验录波图（一）t3t1t2IkBt4UkAUkCUk

18、BIkCIkA交流侧灭磁不切脉冲-2图6b 交流侧灭磁不切脉冲试验录波图（二）ILt1ULIRVt5t4Uba交流侧灭磁切脉冲带ZnO-1图8a 交流侧灭磁切脉冲带ZnO试验录波图（一）图8b 交流侧灭磁切脉冲带ZnO试验录波图（二）t3UkAt4IkAt1UkCUkBIkBIkc交流侧灭磁切脉冲带ZnO-2交流侧灭磁切脉冲带SiC-1图9a 交流侧灭磁切脉冲带SiC试验录波图（一）图9b 交流侧灭磁切脉冲带SiC试验录波图（二）交流侧灭磁切脉冲带SiC-2图10a 交流侧灭磁切脉冲带10电阻试验录波图（一）交流侧灭磁切脉冲带10-1t2交流侧灭磁切脉冲带10-2图10b 交流侧灭磁切脉冲带1

19、0电阻试验录波图（二）直流侧灭磁不切脉冲带ZnO-1t2t3ULUZ图11a 直流侧灭磁不切脉冲带ZnO试验录波图（一）t3直流侧灭磁不切脉冲带ZnO-2IRVt2t1UkIk图11b 直流侧灭磁不切脉冲带ZnO试验录波图（二）图12a 直流侧灭磁不切脉冲带SiC试验录波图（一）直流侧灭磁不切脉冲带SiC-1直流侧灭磁不切脉冲带SiC-2图12b 直流侧灭磁不切脉冲带SiC试验录波图（二）直流侧灭磁不切脉冲带10-1图13a 直流侧灭磁不切脉冲带10电阻试验录波图（一）图13b 直流侧灭磁不切脉冲带10电阻试验录波图（二）直流侧灭磁不切脉冲带10-2图14a 直流侧灭磁不切脉冲带5电阻试验录波图（一）直流侧灭磁不切脉冲带5-1t1t0图14b 直流侧灭磁不切脉冲带5电阻试验录波图（二）直流侧灭磁不切脉冲带5-2图15 直流侧灭磁切脉冲带ZnO试验录波图直流侧灭磁切脉冲带ZnO直流侧灭磁切脉冲带SiC图16 直流侧灭磁切脉冲带SiC试验录波图直流侧灭磁切脉冲带10-A图17 直流侧灭磁切脉冲带10电阻试验录波图AUZULt4IRVt3t1UkIkt2图18 直流侧灭磁切脉冲带10电阻试验录波图B直流侧灭磁切脉冲带10-B直流侧灭磁切脉冲带5图19