同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司(第二稿)

同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司)同一相的两臂断开或其脉冲丢失如图5-23（a）所示，若a相上下两臂元件的触发脉冲丢失而不能开通，或者熔断器KRD1及KRD4熔断，或者交流侧a相的熔断器KRDɑ熔断，则原来正常情况下应输出的Uɑb、Uɑc及Ubɑ、Ucɑ部分波形均无输出。图5-23（b）是表示控制角ɑ接近60°发生这种故障时Ud波形，输出电压的平均值Ud接近于零。图5-23（c）则表示ɑ=0°时Ud的波形，瞬时值不会呈现负值，平均值Ud也较大。4)同一组的两臂断开或其脉冲丢失如果共阴组或者共阳极组的两臂不能导通，象图5-24中桥臂1与3不能开通那样，这时只有Ucb及Ucɑ的部分波形输出，图5-24（b）是ɑ=60°下发生这种故障时的Ud波形。正常时在ωt1时刻触发SCR1应该开通桥臂1，现因故不能导通，在负载感应电势的作用下，继续使桥臂元件5与6开通，送出Ucb负半周波形，ωt2时触发SCR2由桥臂2与5续流，直至ωt4时刻进还不能使SCR5关断，则在ωt4处触通SCR4时，立即由桥臂5与4输出Ucɑ电压；否则，ωt4时SCR5关断，则需等至ωt5时触通SCR5，才由桥臂4与5构成通路，输出当时的Ucɑ电压。图5-24ɑ=60°，同一组的两臂不能导通时Ud波形(a)电路图；(b)输出电压Ud波形图5-24ɑ=60°，同一组的两臂不能导通时Ud波形(a)电路图；(b)输出电压Ud波形图5-25ɑ=30°，b相脉冲丢失时半控桥Ud波形上述这些异常情况下的波形分析，与实际拍照的示波图一致，至于负载电流则由于负载绕组的电感较大，电流波动较小。5)三相半控桥的桥臂断开或脉冲丢失对于三相桥式半控电路发生的异常情况，同样可以应用上述分析全控桥电路桥方法，只是要注意带电感性负载的半控桥具有续流二极管，共阳极组的硅二极管桥臂在自然换流点换流的特点。图5-25表示具有续流二极管的三相半控桥在ɑ=30°下，ωt3时刻b相脉冲丢失或该桥臂开路时，输出电压Ud的波形。如果发生b、c两相触发脉冲均丢失或均开路，则图5-25中ωt5至ωt7一段也没有电压输出，继续由续流维持Ud～0，工频每周内只在ωt1至ωt4这段区间有间有电压送出，更使平均电压Ud下降。2、三相半控桥的续流不良对于带大电感负载的三相桥式半控整流电路，如果续流不良，或者续流二极管损坏，运行中当控制角ɑ突然增大到接近180°时，可能出现一个桥臂的可控硅管持续导通（也称单相导通）、输出电压不能下降的失控现象。现以图5-26为例来说明这种失控现象。运行中的发电机因为需要强行减磁而将控制角ɑ突增至180°时，假设这时正在导通中的可控硅元件是c相的SCR5，因为续流情况不良，负载的感应电势在整流桥两端n、m点引起的电压，能够维持SCR5继续处于导通状态，即SCR5总是轮流与共阳极组的硅管D2、D4、D6构成电流的通路。这时整流桥输出的波形Ud将如图4-8中画有阴影线部分的形状。在从ωt1到ωt2的区间，电流从电源的c相→SCR5→负载→D4→电源电位最低的a相，负载上的电压波形为Uca。在从ωt2到ωt3的区间，电流从电源的c相→SCR5→负载→D6→到电源电位最低的b相，负载上的电压波形为Ucbo然后在由ωt3到ωt4的区间，负载的电感电势维持电jd经D2→SCR5续流放电。这时整流桥两端的反向电压只是D2管与SCR5管的正向压降，如果忽略此压降，则Ud在这段区间的数值接近oV。下一周期又重复上述过程。故三相桥式半控整流电路一臂失控时电压Ud的波形呈图5-27的形状。图5-26ɑ=180°SCR5失控的图5-27三相半控桥一臂失控时Ud的波形电流通路(续流管不良)这种一臂失控单相导通时输出电压的平均值为：(5-7)参看式（5-3），这时相当于三相全波半控整流电路当控制角ɑ=90°时输出电压的平均值。当发电机因甩负载而电压升高时，需要励磁调节器将触发脉冲后移到180°去关断可控硅桥。如最后导通的一相可控硅元件因续流二极管（4-7中未画出）续流不良而未能被关断，呈现出上述的异常现象，则有较大的励磁电压和励磁电流供给发电机转子励磁绕组，使发电机端产生过电压。为了避免发生上述异常情况，通常采用如下几种措施：1)尽量选用正向压降低的续流二极管，一般要求在0.55V以下。压降过大，有可能使最后导通的可控硅元件在此续流管续流管续流压降的作用下，流过该可控硅元件的电流大于维持电流而不能关断。2)续流二极管与整流桥输出母线间的连线应愈短愈好，减小连线上产生的压降，以利可控硅管的关断。3)选用维持电流较大、关断特性较好的可控硅元件。一般维持电流应选60mA以上的。如果所选用的可控硅元件的关断特性较差，维持电流较小，特别是通过较大电流以后，将不易关断。4)整定励磁调节器控制电压的下限值，使强行减磁的控制角α不是退到1800，而是限制在1700左右。这样强行减磁时，三相半控桥仍可利用交流电源的反向电压，去关断换流过程中的前一个可控硅元件，使输出电流id逐渐减下来，避免出现单相导通的失控现象。3、逆变过程的换相失败三相全控桥在逆变过程中可能换相失败，引起逆变失败的原因大致有如下几方面：1)触发回路工作不可靠，不能适时准确地给各可控硅管分配脉冲，致使脉冲丢失或脉冲延迟，导致应开通的元件不能开通；2)可控硅管或其控制极故障，失去阻断能力或导通能力；3)交流电源异常，在逆变过程中出现断电、缺相或电压过低；4)由于逆变时换相的越前触发角β过小，或因直流负载电流过大，交流电源电压过低使换相重迭角γ增大，或因可控硅管关断时间对应的关断角δ增大，使换相裕度角不够，前一元件关断不了，后续元件不能开通。图5-28表示ωt3时刻桥臂元件1向3[参看图5-17（a）的电路图]换相失败时逆变电压Uβ的波形。正常情况下输出的逆变电压本应呈现类似ωt3前的形状，现因ωt3时触发SCR3的逆变角β3过小（即触发SCR3的控制角过大），或因SCR1与SCR3的换流重迭角γ13加上SCR1关断时间t0ff对应的关断角δ1过大，致使β3小于γ13+δ1，SCR1向SCR3换流失败，在ωt3以后仍继续由桥臂1与2构成通路，按Uac电压波形输出逆变电压Uβ。ωt4时桥臂元件4受触发正常导通，元件2关断，直流回路由桥臂元件4与1直通短路，Uβ≈0。到ωt5时刻，触发SCR5，但因这时SCR1的a相电位高于SCR5的c相电位，SCR5不能开通，继续由SCR4与SCR1直通短路。直到ωt6时，触发SCR6，将SCR4关断，才改由SCR1与SCR6构成通路，按Uab电压波形送出逆变电压Uβ。图5-28ωt3时刻换相失败时逆变电压Uβ的波形从图5-28的Uβ波形可以看到，发生一次这样的逆变换相失败，将近有2400的区间使逆变电压异常，影响逆变灭磁时励磁电流的下降速率而增长灭磁时间，因此必须采取相应的措施防止发生逆变换流的失败。§5-5半导体励磁系统的保护半导体励磁系统有可能发生各种故障，事实上，由于保护措施的配置不善，使得故障扩大化，曾发生多次严重损坏电气设备的大事故，据统计发电机故障中励磁系统的事故约占一半。因此对于半导体励磁系统的保护设计和配置问题应予重视。整流装置中的硅元件（硅整流元件及可控硅元件）是半导体励磁装置中的重要器件。为了保证它们安全可靠地长期运行，除了提高硅元件的产品质量，正确选择硅元件的参数，留有一定的裕度外，还必须在装置中适当地采用保护措施。因为硅元件承受过电压和过电流的能力较差，可控硅元件承受正向电压上升率和电流上升率有一定的限度，转子励磁绕组的绝缘只有一定的耐压水平。如不采取适当的保护和抑制措施，运行中就有可能超过容许范围，损坏半导体励磁系统中的有关部件。为此必须熟悉硅元件本身的标准定额，了解装置所在的电路中引起过电压、过电流以及电压上升率、电流上升率过高的原因和危害，对可控硅元件本身在开通和关断过程中，在电路中引起的暂态过程，需要进行分析和试验。而对于担任抑制和保护功能的器件，必须熟悉其性能参数，并力求选用最简单有效的保护方式，协调工作。由于这方面的影响因素比较复杂，必须将理论分析与试验数据结合，正确地设计保护方式和抑制电路，合理地配备和选用保护器件。1、过电压的来源及保护方式加于可控硅元件上的瞬时反向电压，如果超过其非重复反向峰值电压，达到反向击穿电压，将造成可控硅元件的反向击穿；如果所加瞬时正向电压超过其非重复峰值断态电压，而达到其正向转折电压，或者电压值虽不高但正向电压上升率超过允许值（即超过断态电压临界上升率），都将造成可控硅元件的误导通，破坏整流电路的正常工作，也可能导致可控硅元件的损坏。在选用硅元件的电压参数时，应留有一定的安全裕度。但是裕度选择过大，可能经济上不合算。事实上对于实际电路中可能出现的过电压峰值，也难于精确计算。因此，还须采用过电压保护环节，将主电路中可能产生的瞬变电压的幅值，抑制到一个较为合理的水平，以保证主电路可靠运行。要正确设计过电压保护环节，就必须了解过电压的来源及其电气特性，熟悉保护电路和器件的性能。产生过电压的原因，除了大气过电压之外，主要是由于系统中断路器操作过程，以及可控硅元件本身换相关断过程，在电路中激发起电磁能量的互相转换和传递而引起的过电压。后两种过电压分别称为操作过电压和换相过电压。图5-29为过电压的抑制措施及配置综合示意图。图5-29过电压的抑制措施及其配置综合示意图（1~4RC-阻容保护）2、过电压的保护利用电容器两端电压不能突变，而能储存电能的基本特性，可以吸收瞬间的浪涌能量，限制过电压。为了限制电容器的放电电流，降低可控硅开通瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率di/dt，以及避免电容与回路电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻，从而构成阻容吸收保护。一般可抑制瞬变电压不超过某一容许值，作为交流侧、直流侧及硅元件本身的过电压保护。用于单相或三相交流侧、直流侧的过电压阻容保护，如图5-30（a）、(b)所示。并联于可控硅元件两端的阻容保护接线如图5-30（c）所示。用于三相交流侧的阻容保护通常采用Δ形接法以减小电容量，但耐压要求高些。下面分别说明阻容保护元件参数的选择。图5-30阻容吸收保护的接线1)交流侧阻容保护一般按断开空载变压器时产生的能量冲击来选择阻容吸收保护的电容量。变压器折合到副方的空载等效激磁电感为(5-8)式中U(0)2—变压器副方空载额定电压，V；U(0)2—折合到副方的激磁电流，A；f—电源频率，HZ。变压器的最大磁场能量为(5-9)若此磁场能量全部转换成电容器内的电场能量，使电容器C上的电压最高可达变压器副方额定电压幅值的K倍，则电容器应储存的最大电场能量为(5-10)式中C—电容量，F。取Wc=WL，可得电容量为(5-11)此式是理论上将变压器的全部磁场能量转换成电容器贮存的电场能量，而使电压不超过K倍时所需的电容值。实际上断开变压器空载激磁电流时，电弧要消耗大部分能量（例如断路器触头断开电流，出现过电压时，电流已降低到激磁电流I0的20%-40%）。变压器铁芯及导线电阻上也有损耗，变压器和进线电缆的对地电容以及各种寄生电容均有吸收作用，故实际选择阻容保护用电容器的电容量C比式（5-11）的计算值要小，通常约乘上0.2-0.4或更小一些的修正系数。至于容许电压升高的倍数，一般选取K值在1.3-1.5较为经济。基于上述考虑，由于可取不同的K值及修正系数，因此有不同系数的选择公式[8]。例如：对单相桥式，有的公式取C=29000对三相桥式，有的公式取C=10000对三相半波，有的公式取C=8000所选电容器的额定电压，应不小于交流侧最高工作电压峰值的1.1-1.5倍。在选定电容器作为储能元件后,一般应串入耗能电阻R,避免电容C与回路电感L产生串联谐振,应选择电阻值如下:(5-12)但是电阻R的阻值不能选择过大.考虑变压器原方切断电流的瞬间,激磁电流I(0)2通过R在副方产生的电压,应低于容许的过电压值,即(5-13)通常采用如下数值[8]:电阻的功率可取:图5-31反向阻断式阻容保护及综合阻容网络为了避免可控硅管在开通过程中，因交流侧阻容保护的放电电流流过可控硅管,而造成过大的电流上升率可能损坏可控硅元件，整流桥交流侧的阻容保护也可采用反向阻断式接线,如图5-31所示。当整流桥Z的交流侧发生过电压时，其直流侧的阻容保护可以吸收交流电源发生的浪涌电压，以避免可控硅桥KZ承受过电压。而交流侧电压下降或短接时，由于整流桥Z的反向阻断作用，可以阻止电容器向交流侧的可控硅元件放电。其参数选择可参考下列算式[8]：计算电容取(5-14)式中L1—变压器每相漏感，μH；τ—放电时间常数，一般取2s。(b)直流侧阻容保护若在直流侧装设阻容保护Cd、Rd来抑制交流侧的浪涌过电压，可参考下式选择阻容参数：[8]对于单相桥式，可取(5-15)对于三相桥式，可取(5-16)电容器的额定电压一般取直流侧最高工作电压的1.1-1.5倍;当采用直流电容器时,电容器的额定电压一般取直流侧最高工作电压的3-5倍。电阻功率取:(5-17)式中U-纹波电压,一般取频率最低、幅值最高的谐波电压Un,V；fn—与Un对应的谐波频率，Hz。图5-31的反向阻断式阻容保护（或称去耦阻容保护），也可经过RC网络接于直流侧，如图中虚线所示，构成所谓综合阻容网络，同时兼作直流侧的阻容保护。(c)关断过电压保护为了防止硅元件关断过程引起的过电压，可以在每个硅元件的两端分别并接阻容保护Cb、Rb，如图5-30（c）所示，或者通过单相桥接入反向阻断式阻容保护，并尽量靠近被保护元件，引线宜短。电容Cb的参数选择与反向恢复电荷Qr有关，而Qr又与硅元件的额定正向平均电流IT（AV）有一定的关系，可按下式选择：(5-18)一般对500A的整流元件可取1μF，300-200A的取0.5μF，100A的取0.25μF,20A的取0.1μF。在此电容回路内串入电阻Rb，是为了避免可控硅元件开通时，电容器Cb放电电流的上升率太高，也为了避免放电电流过大及在电感回路中产生振荡。电阻可按下式选择：(5-19)式中L1—变压器漏感，μH；La—连线及桥臂电感，μH。通常电阻Rb在5-50Ω间选用。电阻功率为(5-20)式中—硅元件反向工作峰值电压，V。可控硅元件并接的阻容保护，除了起限制元件本身关断过电压的作用外，对于多个硅元件串联的电路，还起动态均压的作用，以及配合桥臂电感L0起限制正向电压上升率的作用。总之，阻容保护应用相当广泛，性能也可靠。但是正常运行时阻容保护的电阻消耗功率，发热厉害。特别是由交流励磁机供电的励磁方式，由于交流励磁机电压波形的畸变，使得阻容保护的电阻发热很厉害。一般阻容保护还增大可控硅导通时的电流上升率，只有采用反向阻断式的阻容保护，才可避免这一不利影响。此外，阻容保护还有容易使波形畸变，以及作为大容量装置的保护时则体积过大等缺点。故在许多情况下，可采用压敏电阻浪涌吸收器，来代替交流侧或直流侧的阻容保护。3、过电流保护对于半导体励磁装置，可能有下列几方面的原因，使流过整流桥臂元件及励磁变压器绕组的电流超过其正常定额。1)整流桥内部某一桥臂元件击穿短路，丧失阻断能力，则交流电源可通过已损坏短路的桥臂和其它完好的桥臂元件，交替形成二相短路及三相短路。这些电流将流过某些完好的桥臂元件及变压器绕组，其数值可超过交流侧三相短路时周期分量的幅值。2)整流桥所连接的转子励磁绕组回路可能发生飞弧短路、转子绕组两点接地、直流母线间短路等故障，此种直流侧短路的故障电流同样流过某些桥臂元件及变压器绕组，数值也同样可能很大。3)全控整流桥在逆变工作状态下，由于逆变角β过小，或者交流电源电压消失，或者触发脉冲消失等原因引起逆变换流失败，转子绕组通过某对桥臂元件直通短路续流，使这些桥臂元件流过较正常工作电流大和持续时间长的电流。4)可控硅控制极受外部干扰信号而误触发，或失脉冲而单相导通，或限制环节失灵使可控硅控制角过小等原因，均有可能使流过硅元件的电流大于正常工作值。对于这些情况，通常采用过电流保护措施，迅速将通过硅元件的电流予以限制，或者及时切断故障电流，避免硅元件PN结的结温过高而损坏。在一般整流装置中采用的过载及短路保护如下：在直流侧装设直流快速开关，其动作时间约10ms，它的主要作用是切断直流侧的故障电流，保护整流装置并避免整流元件的熔断器在直流侧短路时发生熔断。当在整流装置内部发生故障时，直流快速开关对本装置不能起有效和保护作用，仅对并联运行的其它整流装置内部故障有保护作用。4、快速熔断器具有快速熔断特性的熔断器，其熔断时间一般在0.01s以内，专门用作硅元件的过电流保护器件。其熔体（或称熔片）的导热性能良好而热容量小，能快速熔断。通常是每个硅元件串联一个快速熔断器，其熔体额定电流的选择一般是这样考虑：1)熔体的额定电流应等于硅元件额定电流的有效值，大于实际工作电流的有效值，即(5-21)(5-22)式中IR—熔体的额定电流，有效值，A；IT（AV）--整流元件的额定电流（A），即额定通态单相正弦半波电流的平均值，其有效值则相当于平均值IT（AV）的π/2倍,即1.57倍;IA(RMS)—流过桥臂的实际工作电流的均方根值,A;np—并联支路数;Kc1—均流系数。2)熔体的熔断特性必须与整流装置中元件的短时过载能力相配合。即在预期故障电流的条件下，熔体的熔断特性必须处于被保护元件的短时过载特性的下方，才能有效地起到保护作用。这里所说的预期故障电流是指不装熔断器时，该电路中可能产生的最大故障电流。装了快速熔断器以后，在电流未达预期故障电流以前，熔体已熔断，这时的电流值称作熔体的熔断电流。快速熔断器的熔断特性是指通过熔体的熔断电流（峰值）与清除故障时间的关系。清除故障时间包括熔体的熔化时间与飞弧时间。一般预期故障电流增大，相应地熔中的脉冲变压器的原、副方的两根线分别采用绞线，以增强干扰能力。5、并联支路的均流如果负载电流大，流过桥臂的工作电流（平均值）超过单个元件所能承受的额定通态平均电流，则需要采用多个元件并联，这时要考虑防止并联支路间电流分配不均匀的问题。如果电流分配不均的问题严重，则负担重的元件最先损坏，接着加重其他元件的负担，从而引起其他元件也相继损坏，即所谓连锁击穿损坏。因此对于并联支路的均流问题应予以重视。下面分别介绍均流问题的基本概念。并联支路间的电流分配不均的原因有二：1)在瞬态时，由于并联元件开通时间的先后有差异，而引起瞬态电流不均。例如图5-32（a）的两个支路并联电路，若SCR1的开通时间比SCR2早△t[见图4-6(b)]，则引起的瞬态不均的电流△i=()×△t。这里是SCR1开通时的电流上升率。2）在导通进入稳态后，由于并联元件在导通状态下的伏安特性（正向压降）有差异，则引起稳态电流不均，如图5-32（c）中所示的△I。图5-32并联支路出现的电流不均现象(a)并联支路；(b)开通时间差异△t引起的瞬态电流不均△i；(c)正向压降特性差异引起的稳态电流不均△I解决电流分配不均的问题通常有两种途径。其一是注意选配并联支路的元件，使其具有相近的开通特性和正向压降，各元件开通时间的偏差尽可能小（例如小于20μs），正向压降的偏差也尽可能小（例如不超过0.05V），元件的额定电流降低到0.8-0.9倍使用。对于选配并联元件有困难，或并联支路数较多，较大的场合，则采取专门的均流措施，即在各并联支路内串入均流电抗器、均流互感器（小功率场合或者串入均流电阻）。通常是采用均流电抗器，它使先开通支路的电流上升率减小，迟开通支路的电压增大。它对可控硅元件同时兼起抑制di/dt与du/dt的作用。如果提高触发电流的陡度和幅值，使开通时间偏差△t缩小，同时增大回路电感L，降低di/dt,这样就从两方面来使开通偏差电流值△i下降。此外，应注意元件安装时的排列与引出母线的位置。因为硅元件的通态电阻很小，各并联支路阻抗的差异对电流均衡度的影响很大，应使各支路的电阻相等和自感相等，互感也大致相等，并避免其它相在换流过程中对本并联支路产生的互感影响。即在可能的情况下，可采用长线均流的方法。近来又有智能均流的方法，其实质是通过微调触发脉冲位置的方法使难以开通的或通态压降大或回路阻抗高的可控硅提前触发。事实上最好的均流方法应使得可控硅的参数和回路阻抗尽量一致，其它的均流方法虽然可以达到均流的目的，但如果可控硅本身的参数差异较大，则均流对可控硅是反而是有害无益的。最合理的推算应是均热负荷，这样才可以确保每只可控硅都充分发挥它的能力。但均热负荷也有它的弱点，即实现起来比较困难。灭磁与过压保护§6-1灭磁方式的发展过程1、串联耗能灭磁灭磁最初就是直接利用耗能开关吸收发电机转子的能量。比如利用弧间隔燃烧来耗能，比如俄罗斯的耗能开关。但是这中方式因为存在如下缺点：体积大、不易维护灭磁成功与否取决弧的形成容易引起事故产品随发电机机组容量需要特殊的订制，不易产品规模化，系列化所以逐渐被并联移能方式的灭磁代替了。2、机械开关并联移能灭磁机械开关串联于励磁主回路，灭磁耗能电阻并联与转子两端，这是这类灭磁方式的接线方式。如图：图6-1机械开关并联灭磁根据ANSI/IEEEC37.18-1979标准规定，一般机械开关需要有至少一对主触头（MK1）、一对灭磁常闭触头（MK2）。随着国内20年来采用ZNO电阻耗能在灭磁系统中的应用，灭磁触头也不一定必要了。但是值得注意的是，在不采用灭磁触头的灭磁系统里，需要认真核算ZNO的灭磁残压与ZNO的荷电率。这类灭磁方式在国内是主要的灭磁方式。主回路有明显的开断触头，在励磁系统内部故障的时候，可以开断励磁主回路，切断故障源，快速的消灭发电机主磁场，将发电机保护在最小事故内。目前使用的机械开关主要有DM2、DM4、DMX、E3H、E4H、UR、PHB、MM74、CEX等。这类灭磁方式的主要问题是灭磁开关选择比较困难，小机组选大的开关，成本比较高；选小开关满足不了工矿要求；大机组（尤其是超大机组）水电选开关就非常困难。3、电子开关并联移能灭磁在前些年，国内一些厂家将灭磁开关建压任务，转移到了电力电子器件上来。主要是利用电容的放电过程，使可控硅的电流到零，并形成反压使之关断。具体回路如下：图6-2电子开关并联灭磁这类方式开关动作时间快，因此开关在关断过程中所需要的遮断能容就小。并且电压的建立速度快，利于快速灭磁；但是开关动作的可靠性取决于电子回路工作的可靠性。他比较机械开关没有触头磨损，易于维护，成本也低。但是他目前在电流大系统中不易采用。一是发热问题，一是器件选择麻烦。值得注意的是，目前电力电子器件的快速发展，高电压大电流的全控器件也会在不久投入商业运行。相信电力电子器件在灭磁中发挥更大的作用。但是如何解决器件长期通流带来在发热问题，也是需要解决的问题。正因为如此，所以有人希望能够将可控硅整流桥直接关断，将机械开关移至励磁变高压侧，这样解决了励磁系统具有明显开路点、又容易解决机械并联灭磁方式开关难选择的问题。材料电阻并联移能灭磁基于上述两种灭磁方式的缺点，人们开始在材料科学领域探索。是否能够找到既不发热，又可以建压的材料。利用PTC电阻或钼棒与开关并联，利用材料在温度升高的时候，电阻急剧增加，建立比较高的电压，打通灭磁电阻回路，实现灭磁。也可以采用超导材料串入回路，在需要灭磁时使超导材料失超，但是超导材料建立比较高的电压，超导体的长度也比较长，体积比较大。交流灭磁灭磁对于汽轮发电机来讲，要相对容易一些。主要是因为转子的电感的值比较小，阻尼绕组作用比较明显。因此，交流灭磁在汽轮发电机励磁系统应用比较多。交流灭磁是将直流开关难开断、难建压的问题，转移到励磁源的交流侧。如下图：图6-3交流灭磁接线图图6-4交流灭磁时，励磁电压录波图交流灭磁特点是，必须在灭磁的时候封锁脉冲，因为当前导通的桥臂经过120度后，如果没有将电流转移到灭磁电阻回路，经过脉冲触发，电流换相将最终形成某一相上下桥臂直通，形成转子回路短接灭磁。这样灭磁时间会比较长，按转子时间常数Td0进行衰减。如果在跳开交流侧开关之前，配合切除可控硅的触发脉冲，那么由于不能够进行换流，而直接将励磁变压器的交流电压串入直流回路，使得在负电压的时候直接使电流转入灭磁电阻回路。此时交流开关在电流过零处自然熄弧而开断。值得注意的是交流灭磁需要考虑到机端三相短路，不能够串入直流电压，就不成功能够进行交流灭磁，就会损坏交流开关。考虑到这种情况，一般在转子两端设置电子跨接器或机械跨接器，甚至两者都设置。另外值得注意的是交流灭磁还需要考虑到可控硅整流桥臂存在可控硅损坏，桥臂短路的情况，以及交流侧短路的情况。此时切除脉冲也不影响换流。所以通常不建议在水轮发电机灭磁中选择单独的交流灭磁。而是要么选择前面机械开关并联灭磁或下面介绍的冗余灭磁方案。由于汽轮发电机转子储能比较小，电感比较小，加之阻尼比较大，参与灭磁过程作用比较大，采用短接转子灭磁，也是能够接受的，所以在配备了跨接器的情况下，可以单独采用交流灭磁。当然机端短路，在采用封闭母线的发电机组，可以认为基本存在，另外整流装置交流侧故障，一般励磁变到整流桥之间短路几率比较小，且整流桥臂只要熔断器选择合理，是能够降低此类故障几率的。冗余灭磁所谓冗余灭磁，就是在交流、直流侧都分别设置开关，在灭磁过程中同时分断，共同建压。这种灭磁方式的好处是，由于交流开关在电流过零时分断，使得直流侧开关能够以比较低的建压能力转移磁场电流。同时在封锁脉冲的时候，可以利用交流灭磁的负电压，帮助直流开关建压移能。§6-2灭磁系统设计原则1、灭磁系统设计考虑工况灭磁系统设计考虑的工况，目前在国内有些争议。一是建议按照额定负载下，发电机机端三相短路的工况考核灭磁系统电流、能容，需要建立的弧压。二是认为在空载发电机励磁失控误强励的工况来考核灭磁系统电流、能容和开关建压能力。通常认为最危险的工况是空载失控误强励。此时开关面临整流器输出直流电压和灭磁残压的叠加，并且电流也上升到失控强励的电流（其值也不比三相短路的电流小），而且此时可以证明发电机储存的能量要比三相短路的能量要大。因而采用此种工况是合适的。具体见附录[4]。灭磁系统的任务是以尽快的速度消灭磁场能量，使得发电机电压消失，使得事故降低到最小。那么灭磁设计的原则就是1、能够转移电流实现灭磁、2、安全转移能量、3、快速消耗能量。其重要性依次递减。所以选择灭磁方式、考核灭磁参数和配置，首要的前提是能够在最恶劣工况下，灭磁！否则快速都是空谈。2、灭磁系统参数核复考核灭磁参数也是按照上述原则进行。按照能够转移电流的前提，必须直流磁场断路器在分断磁场电流的时候能够建立恶劣工况下，实现移能的电压。灭磁残压要求进行最大电流核复，避免额定参数与恶劣参数的想矛盾。灭磁能容也需要考虑到灭磁电阻损坏的情况一定的冗余度。§6-3灭磁系统用部件介绍1、磁场断路器关键参数灭磁系统的主要部件是磁场断路器或是交流断路器。目前对于交流真空开关的研究在国内比较多。其主要问题是交流开关在交流灭磁系统中，能否承受一个或两个周波的连续燃弧过程。因为真空开关由于触头之间的间隙比较小，容易形成燃弧，关键是在电流过零时能否熄弧，熄弧后是否会重燃，另外反向恢复电压能否将之击穿。在交流灭磁中，只要能够顺利转移电流，开关一般不存在反向恢复电压；主要的问题是开关能否连续进行两周波的燃弧，即开关的遮断能容多大？当然对于小的机组，励磁交流侧电压不超过1000V的励磁系统，完全可以采用额定工作电压在1000V的ABB的低压交流开关，其有一定遮断容量，比较适合在中型机组交流灭磁中采用。对于直流磁场断路器，考核的参数比较多。主要涉及开关的额定工作电流、电压、主触头的额定电流下的分断电压（不是通常说的建压能力），最大电流下的额定分断电压（是通常说的建压能力），短时允许电流（开关过载能力），灭磁触头的短时通流能力等。对于不同的励磁系统主接线（比如两开关触头是否放在转子的正负极各一对触头，还是串联在一极），目前由于考虑到灭磁开关的飞弧安全距离的因素，一般将灭磁开关的触头设置在励磁回路的一极。所以通常在选择开关时候还需要考核开关的飞弧安全距离，避免弧的短接造成灭磁失败的事故。磁场断路器的燃弧过程是非线性的。研究比较困难。一般情况，比较假定转子电流没有任何衰减、从灭磁开关燃弧到转移完成电流的过程中，认为灭磁开关建立的电压与弧电流的乘积是一常数。但是在燃弧（尤其是在阴极表面气化的金属等离子体形成，以及气筒吹弧或磁场引弧的过程不满足乘积定常数的定律，同样在熄弧的过程也不满足定常数的定律，因为这两过程都是微妙级，研究非常复杂，一般认为这是一个突变的瞬间只是满足弧电流保持原电流初值；熄弧电流突然到零）。图6-5灭磁开关建压过程波形2、灭磁电阻灭磁电阻的选择需要根据灭磁能容、灭磁残压、灭磁电流等因素综合考核。对于线性电阻灭磁，问题比较少，主要是考虑灭磁残压的核查，避免转子回路的过电压。一般为了灭磁的速度，选择的电阻为转子电阻的3-5倍，事实上并不需要选择如此高的倍数，一般3倍就比较合理。非线性电阻灭磁，主要是SIC和ZNO。目前国内主要是采用ZNO灭磁，主要是因为采购容易，价格便宜，灭磁残压容易控制，灭磁速度比较低。SIC采购主要是国外进口，不方便，同时价格也高。但是他由于不存在均流的问题，加之压接没有ZNO娇气，体积比较小，但是在灭磁残压的控制上，选择SIC，需要额外的小心，避免开关的配合不合理，导致灭磁的事故。非线性电阻需要考虑长期的工作电压下漏电流与寿命的问题，ZNO需要进行荷电率的复核。一般额定（最大）工作电压为阀片10mA电压的60%的工况，ZNO的寿命一般在20年，而70%以上却平均只有几年的寿命。当然SIC，由于漏电流比较大，需要配备灭磁触头，或电子触发的撬杠电路。对于非线性电阻还需要进行阀片能量的核查。一般阀片的最大能容是工作一次的冲击焦耳数。所以在阀片进行了一次冲击后一般需要进行一段时间散热之后，才能够进行第二次冲击。所以在实际操作过程中需要合理安排励磁实验的进度以及灭磁的可能性的预报，避免灭磁电阻的烧毁的事故。对于汽轮发电机，需要指出的是不必要选择过快的灭磁方案实际上对发电机转子来将是不利，因为在灭磁的过程，阻尼绕组（由涡流效应等价的绕组）如果承受过大的电流可能导致转子的过热，甚至会导致转子毁坏。3、电子跨接器（交流灭磁选配）电子跨接器(与西屋的DXCB相区别)是由可控硅反向并联与转子两端而成，一般他与交流灭磁相配合。为了可靠短接转子两端还有并联机械跨接器的。这样形成冗余短接，从而避免交流灭磁开关长时间通流而烧毁。是否存在误触发的问题，即使在正常情况下，跨接器被误触发由于没有进行整流可控硅的切除脉冲，所以在下个脉冲周期到来就可以将跨接器反向阻断。因此需要在灭磁的时候进行强行逆变或切除脉冲，引入交流侧负电压。注意即使在机端短路也能够利用短路点的比较低的电压进行电流转移，实现灭磁。§6-4励磁系统的灭磁配置1、灭磁系统的一般操作逻辑灭磁系统一般设置正常停机和故障停机。正常停机用AVR进行逆变停机，故障停机用保护跳灭磁停机。日常需要对电阻进行定期的维护，灭磁开关的清扫。2、列举NARI公司的几种配置300MW自并激励磁系统灭磁配置灭磁开关柜FLK-2500/DM41柜或FLK-DMX/3000或FLK-E/E2500或FLK-E/E30001柜1柜1柜灭磁电阻柜FLR-1500/ZnO1柜或FLR-XR1柜两机励磁系统灭磁系统配置（220MW）灭磁开关柜FLK-3000/DMX1柜或FLK-3000/E/E1柜灭磁电阻柜FLR-1500/ZnO1柜或FLR-XR1柜350MW自并激励磁系统灭磁配置灭磁开关柜FLK-4000/MM741柜FLK-5000/CEX灭磁电阻柜FLR-ZnO1柜或FLR-XR1柜两机励磁系统灭磁系统配置（500MW）灭磁开关柜FLK-6000/MM741柜或FLK-CEX/55001柜灭磁电阻柜FLR-ZnO1柜或FLR-XR1柜§6-5励磁系统的过电压及其抑制1、过电压产生的原因与危害1）过电压源过电压产生原因主要是：雷击、操作、换相、拉弧、失步、非全相合闸等，主要在励磁变二次侧和转子侧。即整流装置的交流侧和直流侧。针对交流侧可以采用硒堆、阻容、非线性电阻、阻断式阻容等；直流侧可以采用阻容、非线性电阻，跨接器等。2、过电压抑制交流侧过电压设置压敏电阻尖峰电压抑制器一套，抑制操作、雷击过电压；采用集中阻断式过电压吸收装置一套，抑制可控硅整流桥的换流、反向恢复的过电压；直流侧在灭磁开关两侧分别放置一套过电压保护装置，其中灭磁开关电源侧，过电压保护主要是抑制能量比较小的瞬间过电压；灭磁开关转子侧，过电压保护主要抑制非全相运行和短时异步运行过电压。集中阻断式阻容保护，不仅接线简单，减轻可控硅开通的负担，增强可控硅的过压保护可靠性，而且能够缩短整流桥换相重叠时间，加速换流过程。3、过电压装置的配置图6-6过电压配置4、过电压仿真 交流侧波形 直流侧波形触发角=30度时§6-6轴电压及其抑制1、轴电压产生原因与危害汽轮发电机产生轴的原因主要有四个：发电机转子励磁端发电机转子大轴与励磁系统之间通过转子绕组就形成了如图所示的模型：图6-7可控硅整流与轴电压由于轴瓦与轴之间的油膜可以认为是一电容，同时转子绕组与轴之间也存在分布电容，这样在转子绕组上面交变的电压就要通过电容感应到大轴上，这样就产生了大轴的电压。轴电压的危害非常大，他能够使油膜老化，绝缘降低，甚至击穿。这样在大轴、轴瓦到大地之间若存在小电阻通路，就可以使大轴磁化。发电机转子汽机端汽轮发电机发电机的汽机端由于蒸汽冲击气轮机的叶片，产生的静电就会在大轴上堆积高的电压。一般在汽机端进行接地，使产射干内静电电荷迅速到地，从而抑制这类轴电压。发电机定子转子感应由于发电机内部或外部的原因使发电机主磁通不对称，就会在轴-轴瓦-轴座大地回路中感应交流电压。产生磁通不对称的原因主要是（1）定子侧有谐波或三相不对称的负序（一般负序在大轴上感应的电压为频率为3次谐波、各次谐波含量依次产生轴电压与谐波次数差1次的谐波分量）；（2）发电机制造时铁心叠片存在周期性的接头，那么因为周期性接头将产生偶次谐波。（3）转子偏离中心，使得大轴感应偶次谐波；（4）大轴有辐条断、短，使磁场不平衡产生偶次交流，电枢反应到大轴回路产生3次谐波。大轴轴向剩磁大轴的乘磁也将在大轴回路中产生电压。2、轴电压抑制措施针对轴电压产生的机理，目前采用了气端接地防止静电、励端采用图7所示的办法抑制轴电压，通过电容中点接地使其钳位到地电位。对于因为感应的原因产生轴电压，因为此源功率比较大，不容易采用组容吸收的办法实现轴电压抑制（例如平凉电场）。那么在发电机本身不能够进行改进的情况下，需要对轴瓦、轴座的绝缘等级进行加强和监视，防止在轴瓦与大轴之间了；流过大电流连续腐蚀油膜。电力系统稳定器随着全国各省、各地区电网的快速发展扩大，以及电网之间的联网输电，电力系统低频振荡的现象时有发生；特别是西电东输工程以及三峡机组的建成发电，低频振荡的频率有向0.15Hz或更低发展的趋势。在此种情况下，势必要求电网中有更多的中、大型机组投入电力系统稳定器（PSS）。此文介绍了，有功作为反馈信号的PSS原理和投入试验的过程。§7-1低频振荡原理同相位，阻尼力矩与Δω同相位。如果同步力矩不足，将发生滑行失步；阻尼力矩不足，将发生振荡失步。低频振荡是发生在弱联系的互联电网之间或发电机群与电网之间，或发电机群与发电机群之间的一种有功振荡，其振荡频率在0.2-2Hz之间，低频振荡发生的有四种可能的原因：1、系统弱阻尼时，在受到扰动后，其功率发生振荡且长时间才能平息。2、系统负阻尼时，系统发生扰动而振荡或系统发生自激而引起自激振荡。这种振荡，振荡幅度逐渐增大，直至达到某平衡点后，成为等幅振荡，长时间不能平息。3、第三种是系统振荡模与某种功率波动的频率相同，引起特殊的强迫振荡，这种振荡随功率波动的原因消除而消除。4、由发电机转速变化引起的电磁力矩变化和电气回路耦合产生的机电振荡，其频率约为0.2-2Hz。低频功率振荡发生可能会引起联络线过流跳闸或造成系统与系统或机组与系统之间的失步而解列，造成电网事故扩大化，解决低频振荡问题是电网安全运行的重要课题。研究表明，大型弱联系的电力系统本身的固有自然阻尼小，现代电力系统中，大容量发电机组普遍使用快速励磁调节器或使用自并激可控硅快速励磁系统，这些设备的大量使用，其作用常常是削弱了系统阻尼，甚至使系统产生负阻尼，为提高系统稳定性，在励磁系统中利用附加控制，产生附加阻尼转矩，增加正阻尼抑制低频振荡，这就是使用电力系统稳定(PSS)的目的所在。§7-2PSS作用原理现用单机对无穷大系统来分析PSS作用原理，单机对无穷大系统可用图一的等值电路来表示。图7-1单机对无限大系统等值电路图当为自并励方式时，其小扰动的线性化数学模型传递函数框图，如图7-2：图7-1单机对无限大系统等值电路图图7-2自并励发电机小扰动线性模型传递函数框图图7-2自并励发电机小扰动线性模型传递函数框图由传递函数框图可得，ΔMe=ΔMD+ΔMS+ΔMex令ΔMe′=ΔMD+ΔMS=K1Δδ+DΔω有图三向量图其中ΔMe′是不考虑有快速励磁调节和电枢反应时的电磁转矩增量。图7-3无励磁调节时电磁转矩向量当有调节器作用后，根据传递函数框图有ΔUF=KSΔδ+K6ΔEq′当KS＜0时有上图的向量图ΔMex=DAΔW+KAΔδ图7-3无励磁调节时电磁转矩向量可见调节器产生了负阻尼DAΔW为抵消快速励磁调节所带来的负阻尼转矩并加强机组的正阻尼，需引入一附加控制输入，通过设计和计算，使该附加输入产生的附加转矩与Δω同相，则该附加转矩即对低频振荡起阻尼作用。这就是PSS的基本原理。图7-4励磁调节器产生的负阻尼转矩向量§7-3