第8次课第3章(4节)

1、电力系统自动装置原理 水电学院电力系 王德意3.4 励磁功率单元的保护与灭磁励磁功率单元的保护与灭磁3.4.1 功率单元的保护功率单元的保护 短路保护短路保护 过电压保护过电压保护 过热保护过热保护3.4.2 功率单元的灭磁功率单元的灭磁 逆变灭磁逆变灭磁 线性电阻灭磁线性电阻灭磁 非线性电阻灭磁非线性电阻灭磁3.4.1 功率单元的保护功率单元的保护FU1SCR3SCR1FU3FU5SCR5SCR6FU6SCR2FU2SCR4FU4BAC交流侧阻容吸收电路交流侧压敏电阻可控硅阻容吸收电路压敏电阻灭磁电阻FMKFMKFMK短路保护短路保护短路保护：可控硅产生过电流的原因中以直流侧短路最为严重。可

2、控硅直流侧短路时采用串联快速熔断器对可控硅进行保护，如图中的FU1FU6，这种保护措施具有分断电流快而分断所产生的电压低的特点。 FU1SCR3SCR1FU3FU5SCR5SCR6FU6SCR2FU2SCR4FU4BAC交流侧阻容吸收电路交流侧压敏电阻可控硅阻容吸收电路压敏电阻灭磁电阻FMKFMKFMK过电压保护过电压保护 励磁系统产生过电压的原因主要有换相过电压、操作过电压、发电机失步、相间短路、相对地短路时在励磁绕组上产生的过电压以及雷击过电压等。对于工作和操作过电压危害，励磁系统采取在整流器的交流侧交流侧接型阻容吸收电路接型阻容吸收电路，在可控硅两端并联阻容吸收电路可控硅两端并联阻容吸收

3、电路和直流直流侧阻容吸收回路侧阻容吸收回路的方法，组成交直流集中阻容吸收电路，对过电压进行吸收；FU1SCR3SCR1FU3FU5SCR5SCR6FU6SCR2FU2SCR4FU4B AC交流侧阻容吸收电路交流侧压敏电阻可控硅阻容吸收电路压敏电阻灭磁电阻FMKFMKFMK过电压保护过电压保护对于因雷击或从电网侵入很大的浪涌电压时，采用整流桥交流侧的接法的氧化锌压敏电阻保护电路接法的氧化锌压敏电阻保护电路；另外，对于在直流侧快速开关断开时，或当整流器某两桥臂的可控硅在导通时突然阻断(如过电流引起快速熔断器熔断)而在直流侧产生的过电压，采取在直流侧并接压敏电阻直流侧并接压敏电阻的方法予以保护。 F

4、U1SCR3SCR1FU3FU5SCR5SCR6FU6SCR2FU2SCR4FU4B AC交流侧阻容吸收电路交流侧压敏电阻可控硅阻容吸收电路压敏电阻灭磁电阻FMKFMKFMK压敏电阻伏安曲线过电压保护转子过电压检测及保护电路过电压保护转子过电压检测及保护电路 对于较大容量的发电机组，应设有专用的转子过电压检测及保对于较大容量的发电机组，应设有专用的转子过电压检测及保护电路护电路双断口开关双断口开关FMK配压敏电阻配压敏电阻RM4、二极管二极管D及可控硅及可控硅KP。一一组压敏电阻组压敏电阻RM5兼作过压保护和灭磁之用。兼作过压保护和灭磁之用。正常工作时正常工作时，KP处于截止状态，正向电压主要

5、降落在处于截止状态，正向电压主要降落在KP上，上，RM5承受电压极小，荷电率极低，电阻承受电压极小，荷电率极低，电阻Ra、Rb组成线性分压组成线性分压器，在器，在Ra上取得一较低电压；上取得一较低电压；RM4RM5DDWKPRaRbLQ接整流桥直流输出发电机转子FMKFMK+ +- -转子过电压检测及保护原理图过电压保护转子过电压检测及保护电路过电压保护转子过电压检测及保护电路当过电压袭来时，当过电压袭来时，Ra上电压升高，稳压管上电压升高，稳压管DW导通，继导通，继而触发而触发KP；KP导通使导通使RM5并接于转子两端，限制并吸收并接于转子两端，限制并吸收过电压。过电压消失后，过电压。过电压

6、消失后，RM5两端电压下降，电流也急两端电压下降，电流也急剧下降。当电流小于剧下降。当电流小于KP的维持电流时，的维持电流时，KP自动截止，压自动截止，压敏电阻又处于敏电阻又处于“浮置浮置”状态。状态。 RM4RM5DDWKPRaRbLQ接整流桥直流输出发电机转子FMKFMK+ +- -转子过电压检测及保护原理图过电压保护滑极过电压保护过电压保护滑极过电压保护当发电机因失磁或低励造成失步后，转子相对定子磁场当发电机因失磁或低励造成失步后，转子相对定子磁场产生滑行，这样就会在转子绕组中感应出频率同滑差频产生滑行，这样就会在转子绕组中感应出频率同滑差频率的交流电压信号，当交流电压同可控硅输出电压同

7、向率的交流电压信号，当交流电压同可控硅输出电压同向时，该感应电压能量会经过可控硅整流桥进行释放，当时，该感应电压能量会经过可控硅整流桥进行释放，当交流电压同可控硅输出电压反向时，因可控硅电流方向交流电压同可控硅输出电压反向时，因可控硅电流方向的不可逆性，该能量无释放回路，感应电压快速上升，的不可逆性，该能量无释放回路，感应电压快速上升，会达到转子绕组耐压试验电压的数倍，严重威胁转子和会达到转子绕组耐压试验电压的数倍，严重威胁转子和转子所连设备的安全。转子所连设备的安全。 在灭磁非线性电阻上加上过电压触发跨接器，当发生滑在灭磁非线性电阻上加上过电压触发跨接器，当发生滑极运行时，转子上的过电压会触

8、发跨接器，导通非线性极运行时，转子上的过电压会触发跨接器，导通非线性电阻释放过电压能量。电阻释放过电压能量。 过热保护过热保护 可控硅元件采用一体化功率组件，该组件将可控硅元件采用一体化功率组件，该组件将可控硅、整流管芯片与热管散热器组成一体，可控硅、整流管芯片与热管散热器组成一体，采用汽水分离式热管散热技术，传热迅速，采用汽水分离式热管散热技术，传热迅速，使可控硅组件在额定工况下实现使可控硅组件在额定工况下实现自冷散热自冷散热。在功率柜体顶部安装了在功率柜体顶部安装了轴流式风机轴流式风机，组成冗，组成冗余式强迫空气冷却系统。余式强迫空气冷却系统。功率单元还配有功率单元还配有温度检测报警装置温

9、度检测报警装置，温度检，温度检测报警装置设有两级报警信号，当可控硅功测报警装置设有两级报警信号，当可控硅功率组件温度超过故障报警值时，温度检测装率组件温度超过故障报警值时，温度检测装置向调节器发出温度故障报警开关量信号，置向调节器发出温度故障报警开关量信号，调节器自动启动强冷风机系统；当可控硅功调节器自动启动强冷风机系统；当可控硅功率组件温度继续升高达到温度事故报警值时，率组件温度继续升高达到温度事故报警值时，温度检测装置向调节器发出温度事故报警开温度检测装置向调节器发出温度事故报警开关量信号，调节器向机组控制系统发励磁系关量信号，调节器向机组控制系统发励磁系统事故信号，启动事故停机过程，并切

10、除励统事故信号，启动事故停机过程，并切除励磁功率单元。磁功率单元。 3.4.2 灭磁系统灭磁系统励磁系统在发电机正常停机时采用逆变灭磁，无需跳灭励磁系统在发电机正常停机时采用逆变灭磁，无需跳灭磁开关，转子磁场能量转移到交流电源系统；在事故状磁开关，转子磁场能量转移到交流电源系统；在事故状态下跳灭磁开关，将转子磁场能量转移到非线性电阻上态下跳灭磁开关，将转子磁场能量转移到非线性电阻上灭磁。灭磁。 灭磁装置可保证在任何需要灭磁的情况下（包括发电机灭磁装置可保证在任何需要灭磁的情况下（包括发电机空载强励情况）都能快速可靠的灭磁空载强励情况）都能快速可靠的灭磁 灭磁方式：灭磁方式： 逆变灭磁逆变灭磁

11、线性电阻灭磁线性电阻灭磁 非线性电阻灭磁非线性电阻灭磁逆变灭磁逆变灭磁三相桥式全控整流电路逆变工作状态：指将三相桥式全三相桥式全控整流电路逆变工作状态：指将三相桥式全控整流电路的控制角限制在控整流电路的控制角限制在90180内，而输出平均内，而输出平均电压则为负值。电压则为负值。由于电感是蓄能元件，因此在逆变工作状态电路将直流由于电感是蓄能元件，因此在逆变工作状态电路将直流电能变换为交流电能，并反馈回到交流电网中。电能变换为交流电能，并反馈回到交流电网中。在同步发电机励磁系统中，实现快速灭磁和减磁。在同步发电机励磁系统中，实现快速灭磁和减磁。逆变角：逆变角：180减去可控硅的控制角，其始终小于

12、减去可控硅的控制角，其始终小于90。逆变灭磁逆变灭磁eaebecidudVS1VS3VS5VS6VS2VS4R113355624246eaeaebecett1t0t2t3t4t5t6eabeacebcebaecaecbeabeactul00afedcbgh0ugug1ug3ug50ugug6ug2ug4ug1ug3ug5ug2ug4ug6tt56ug5ug6由60转150逆变灭磁逆变灭磁1.35cos(180)1.35cos2:180:llRMlluEEUEE 三相全控桥在逆变工作状态下的反向直流平均电压：逆变状态可控硅元件主要承受的是正向电压：逆变角（- ）交流侧线电压有效值。逆变灭磁逆变灭

13、磁逆变失败：逆变失败：三相全控桥运行在逆变工作状态 时，该关断的前一只元件不能关断而继续导通，该导通的后一只元件不能开通而继续截止。逆变失败的原因：逆变失败的原因：（1）触发电路工作不正常。（2）可控硅元件损坏。（3）交流电源发生异常现象。（4）逆变角过小。逆变灭磁逆变灭磁1626261800abttcbVVVV过小时，若 ，即 时当 相 ， 相导通，时刻换相时，需时间关断，在后， 相电位高于 相电位，无法关断，导致逆变失败。另外，三相触发脉冲丢失，电源异常等也会引起逆变失败。逆变灭磁逆变灭磁minminminmin1804510 逆变角的限制：在工程实际中是不允许将控制角调至180，即必须限

14、制逆变角 ，使其不小于某一极小值，也就是控制角不能大于最小逆变角： （：3035）式中：可控硅元件的换流角（两个相邻元件在换流期间所对应的电角度，一般为1520）：可控硅元件关断时间所对应的电角度，约 ：安全裕量，一般取线性电阻灭磁线性电阻灭磁：利用灭磁开关和线性灭磁电阻灭磁线性电阻灭磁：利用灭磁开关和线性灭磁电阻灭磁灭磁开关与灭磁电阻有机地组合，是励磁系统在事故情灭磁开关与灭磁电阻有机地组合，是励磁系统在事故情况下能否可靠灭磁的关键。况下能否可靠灭磁的关键。线性电阻一般为发电机转子电阻线性电阻一般为发电机转子电阻的的35倍。倍。 线性电阻灭磁并联灭弧栅式线性电阻灭磁并联灭弧栅式线性电阻灭磁非

15、线性电阻灭磁非线性电阻的特性非线性电阻的特性:非线性电阻灭磁整个灭磁过程可分为三个时段，即：整个灭磁过程可分为三个时段，即：建压、移能（换流）和耗能建压、移能（换流）和耗能，三个环，三个环节紧紧相连；其中，磁场能量的转移节紧紧相连；其中，磁场能量的转移是灭磁成功的关键，若能量转移不成是灭磁成功的关键，若能量转移不成功，氧化锌非线性电阻功，氧化锌非线性电阻 Rf不能参与灭不能参与灭磁，则整个磁场能量将由磁，则整个磁场能量将由K单独消耗，单独消耗，易烧坏开关。易烧坏开关。非线性电阻灭磁 二极管二极管D为正向阻断二极管，它的作用有二：一是在正常运为正向阻断二极管，它的作用有二：一是在正常运行时，转子

16、绕组两端的电压为上正下负，由于二极管行时，转子绕组两端的电压为上正下负，由于二极管D的反向的反向阻断作用，使得氧化锌非线性电阻阻断作用，使得氧化锌非线性电阻Rf 上不承受正向电压，降上不承受正向电压，降低其正向荷电率，以延长低其正向荷电率，以延长Rf的使用寿命；二是保证只在发电机的使用寿命；二是保证只在发电机励磁电压励磁电压UL反向时即下正上负时投入。氧化锌非线性电阻反向时即下正上负时投入。氧化锌非线性电阻Rf 的残压为的残压为1280V（电流为电流为50A时）。时）。 正常运行时，正常运行时，FMK合上，可控硅整流桥合上，可控硅整流桥SCR输出整流电压输出整流电压Ud和整流电流和整流电流Id

17、，转子电压转子电压UL正压即上正下负。正压即上正下负。葛洲坝葛洲坝6号机组灭号机组灭磁系统磁系统 双断口磁场断路器配双断口磁场断路器配高能氧化锌非线性电高能氧化锌非线性电阻灭磁阻灭磁非线性电阻灭磁事故时，事故时，FMK跳闸，双断口同时断开，触头拉弧并快速将电跳闸，双断口同时断开，触头拉弧并快速将电弧吹入灭弧罩内，在弧吹入灭弧罩内，在FMK双断口形成断口电压双断口形成断口电压UK1和和UK2，与与此同时，转子绕组因电流突然下降而在其两端产生反电势，即此同时，转子绕组因电流突然下降而在其两端产生反电势，即转子电压转子电压UL由正压变为负压，当由正压变为负压，当UL大于或等于大于或等于1280V时，

18、励磁时，励磁电流电流IL开始流经开始流经Rf，转子磁能由转子磁能由FMK开始往开始往Rf上转移，转子电上转移，转子电压压UL被限制在被限制在1280V以内，此时，磁场断路器断口电弧很快熄以内，此时，磁场断路器断口电弧很快熄灭，转子电流灭，转子电流IL继续并全部流过继续并全部流过Rf并由并由Rf将磁场能量消耗掉，将磁场能量消耗掉，直到直到IL为零，灭磁成功。为零，灭磁成功。葛洲坝6号机组灭磁系统 双断口磁场断路器配高能双断口磁场断路器配高能氧化锌非线性电阻灭磁氧化锌非线性电阻灭磁非线性电阻灭磁曲线曲线1为线性电为线性电阻灭磁过程阻灭磁过程曲线曲线2为非线性为非线性电阻灭磁过程电阻灭磁过程线性电阻

19、和非线性电阻灭磁效果对比线性电阻和非线性电阻灭磁效果对比DZL电子组合型非线性电阻灭磁电子组合型磁场断路器的工作原理：电子组合型磁场断路器的工作原理：正常运行时，机械开关的主触头正常运行时，机械开关的主触头K1和辅助触头和辅助触头K2闭合，闭合，电子换流器和移能器因电子换流器和移能器因K1的短接而未工作（不承受电压）。的短接而未工作（不承受电压）。CD2YNQGBRK1D1K2DHQDHQ:电子换流器电子换流器YNQ:电子移能器电子移能器GB：过电压保护过电压保护ZNOPTCPTC+ZNODZL电子组合型非线性电阻灭磁PTC电阻通过的电流I远远大于SiC和ZnO通过的电流。图中粗线为高能PTC和ZnO非线性电阻组合器件所呈现的VA特性，我们利用这种特性制成的电子换流器（DHQ）和移能器（YNQ）并接在开关主触头的两端，就能很好的实现开关的换流、建压并吸收掉存储在电感线圈中的能量。DZL电子组合型非线性电阻灭磁正常或事故