同步發(fā)電機的滅磁

1、第五章 同步發(fā)電機的滅磁第一節(jié) 概 述近年來，隨著主機容量的增加，發(fā)電機的自動滅磁系統(tǒng)越來越受到重視。特別是對于采用快速勵磁系統(tǒng)的同步發(fā)電機而言，當電機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，要求盡快地滅磁以縮短在故障點的燃弧時間。當采用發(fā)電機-變壓器組接線時，在發(fā)電機外部至變壓器以及主斷路器連接的導(dǎo)線上出現(xiàn)故障時，發(fā)電機也需要快速滅磁。當發(fā)電機定子繞組發(fā)生接地時，將產(chǎn)生接地故障電流。如果發(fā)電機中性點經(jīng)高電阻接地，一個定子線棒的絕緣被擊穿，故障電流較小，鐵芯損傷不會太嚴重。如果故障電流較大，除擊穿線棒絕緣外，還將有嚴重的銅和鐵芯的燒壞，這種故障至少需要更換損壞的絕緣，甚至部分地拆修發(fā)電機的定子鐵芯。從這一觀點出發(fā)，有

2、的制造廠認為發(fā)電機可以不用滅磁開關(guān)，對于生產(chǎn)具有無刷勵磁系統(tǒng)機組的廠家，更傾向于這一觀點。因為在小電流故障時，并不需要快速滅磁，而當大故障電流時，快速滅磁能否限制銅以及鐵芯的損壞仍有爭議。如果認為不采用快速滅磁裝置，在某些場合本來很小的損壞會導(dǎo)致更大的燒損事故。采用簡單而有效的快速滅磁裝置還是有必要的。特別是現(xiàn)代大型水輪發(fā)電機多采用單元式接線，為降低發(fā)電機、變壓器及高壓電纜（若有的話）故障所造成的損害，希望發(fā)電機在此情況下能快速滅磁。由于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子本身的巨大阻尼作用，使汽輪發(fā)電機的快速滅磁變得十分困難。但對水輪發(fā)電機，快速滅磁是可以實現(xiàn)的，并且具有十分重要的意義。如上所述，對發(fā)電機滅磁系統(tǒng)

3、的主要要求是可靠而迅速地消耗存儲在發(fā)電機中的磁場能量。最簡單的滅磁方式是切斷發(fā)電機的勵磁繞組與電源的連接。但是這樣將使勵磁繞組兩端產(chǎn)生較高的過電壓，危及到主絕緣的安全。為此，滅磁時必須使勵磁繞組接至可使磁場能量耗損的閉合回路中。目前滅磁系統(tǒng)就其原理而言，主要有以下幾種方式：（1）具有短弧柵片的滅磁系統(tǒng)；（2）利用非線性電阻的滅磁系統(tǒng)；（3）利用恒值電阻的滅磁系統(tǒng)。如按磁場能量的消耗方式而言，在滅弧柵片式滅磁系統(tǒng)中，磁場能量主要消耗在開關(guān)中，可稱為耗能型。在線性恒值和非線性電阻滅磁系統(tǒng)中，滅磁開關(guān)不全部承受耗能任務(wù)，磁場能量主要消耗在線性和非線性電阻端，故此類系統(tǒng)可稱為非耗能型或轉(zhuǎn)移型滅磁系統(tǒng)。

4、就近年來的發(fā)展趨勢而言，非耗能型的線性和非線性電阻滅磁系統(tǒng)獲得了廣泛的運用。第二節(jié) 線性電阻滅磁過程中的一對矛盾滅磁速度及轉(zhuǎn)子過電壓現(xiàn)代大型水輪發(fā)電機多采用單元式接線，為降低發(fā)電機、變壓器及高壓電纜（若有的話）故障所造成的損害，希望發(fā)電機在此情況下能快速滅磁。由于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子本身的巨大阻尼作用，使汽輪發(fā)電機的快速滅磁變得十分困難。但對水輪發(fā)電機，快速滅磁是可以實現(xiàn)的，并且具有十分重要的意義。從國外某大型水電站，曾因主變壓器至升壓站的500KV電纜故障，致使整個電纜廊道燒毀，造成巨大的經(jīng)濟損失。國內(nèi)的大型水輪發(fā)電機也有因不能快速滅磁而造成主變壓器或發(fā)電機大規(guī)模燒損的情況發(fā)生。早期采用的滅磁電路

5、如圖5-1所示，若滅磁開始，發(fā)電機定子開關(guān)已跳，并且不考慮阻尼的作用，則滅磁過程中發(fā)電機勵磁電流：圖5-1 早期線性電阻滅磁電路(5-1)式中：iL滅磁過程中發(fā)電機的勵磁電流；IL滅磁開始瞬間發(fā)電機的勵磁電流；TM滅磁時間常數(shù)。(5-2)式中：L發(fā)電機勵磁繞組的電感；RL發(fā)電機勵磁繞組的電阻值；RM滅磁電阻值。在滅磁開始瞬間勵磁繞組兩端的過電壓為：(5-3)在電力系統(tǒng)故障時，勵磁系統(tǒng)要進行強勵，設(shè)滅磁開始時勵磁已上升頂值，則有(5-4)式中：IL滅磁開始時的勵磁電流；K勵磁倍數(shù)，通常K=1.82；ILe發(fā)電機的額定勵磁電流。將式（5-4）代入式（5-3）可得:(5-5)式中：ULe發(fā)電機額定勵

6、磁電壓；KM滅磁電阻和勵磁繞組電阻之比。(5-6)由上可見，若要加快滅磁速度，則要加大RM，以減少滅磁時間常數(shù)TM，然而，RM加大，會使滅磁開始時的轉(zhuǎn)子過電壓升高，通常選KM=5，K=2，則滅磁過程中轉(zhuǎn)子過電壓可能達額定勵磁電壓的100倍，這樣就形成了加快滅磁速度和減小滅磁時發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓的矛盾。怎樣解決這一矛盾呢？仔細分析一下滅磁過程曲線（圖5-2）即可發(fā)現(xiàn)在滅磁過程中只是開始時勵磁繞組兩端的電壓很高，隨著勵磁電流的衰減，勵磁繞組兩端的電壓在不斷降低，這意味著勵磁繞組中電流的衰減速度在不斷變慢（），從而使整個滅磁過程變得很長。我們?nèi)裟苁箿绱胚^程中勵磁繞組兩端的電壓基本不變，則勵磁電流將一直

7、以較高的速度衰減，從而使整個滅磁過程大為縮短，這樣就較好地解決了滅磁速度和轉(zhuǎn)子過電壓的矛盾。即所謂理想滅磁。利用燃弧柵滅磁，壓敏電阻滅磁及它勵系統(tǒng)中用逆變滅磁的特性均接近理想滅磁。圖5-2 線性電阻滅磁過程第三節(jié) 利用燃弧柵滅磁的自動滅磁開關(guān)如圖5-3所示，這種開關(guān)（國產(chǎn)型號DM2）是利用燃弧柵中的電弧作為滅弧過程中的耗能元件，燃弧柵將整個電弧分隔成一段段的短弧，據(jù)短弧極效應(yīng)原理，短弧的壓降基本恒定，這使滅磁過程中勵磁繞組兩端的電壓基本不變，整個滅磁過程接近理想滅磁過程（圖5-4）。圖5-3 采用燃弧柵滅磁開關(guān)滅磁的電路原理圖圖5-4 燃弧柵滅磁過程當發(fā)電機采用靜止晶閘管勵磁系統(tǒng)時，若采用燃弧

8、柵滅磁開關(guān)滅磁，由于晶閘管整流橋和滅磁開關(guān)是串聯(lián)的，晶閘管整流橋的工作狀態(tài)將對滅磁過程和發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓產(chǎn)生重大影響（圖5-5）。圖5-5 靜止可控硅勵磁系統(tǒng)采用燃弧柵滅磁電路圖在滅磁過程中，若整流橋處于逆變狀態(tài)，即整流橋的輸出電壓為負值，則勵磁繞組兩端的電壓UL等于滅磁開關(guān)滅磁電壓UM和整流橋的輸出電壓UZ之和。即：(5-7)由于整流橋的輸出電壓會隨著發(fā)電機電壓及勵磁電流的減小而降低，故整個滅磁過程中勵磁繞組兩端的電壓有較大的變化，使轉(zhuǎn)子過電壓增加，整個過程離理想滅磁較遠，而且整流橋的陽極電壓越高，這種差別越大，如圖5-6所示。圖5-6 整流橋逆變時的滅磁過程圖5-7 整流橋強勵時的滅磁過程

9、在滅磁過程中，若整流橋處于強勵狀態(tài)，則勵磁繞組兩端的電壓UL等于滅磁開關(guān)滅磁電壓UM和整流橋的輸出電壓UZ之差。即：(5-8)這樣的結(jié)果是使滅磁開始一段過程中，勵磁繞組兩端的電壓UL較小從而使勵磁電流的衰減變慢，滅磁過程延長（如圖5-7）。比較圖5-6和圖5-7不難看出，整流橋的工作狀態(tài)對滅磁過程有很大的影響，并使滅磁過程偏離理想滅磁，晶閘管整流橋的陽極電壓越高，這種差別也就越大。這種情況在發(fā)電機發(fā)生空載誤強勵（發(fā)電機的端電壓即整流橋的陽極電壓可能升到額定值的1.5倍）時，顯得尤為突出。這時，勵磁繞組兩端的電壓很低，滅磁過程會變得很長。同時，滅磁過程中耗能元件（燃弧柵）吸收能量的很大一部分是由

10、勵磁電源提供的，這加大了耗能元件的負擔。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是由于勵磁繞組，耗能元件滅磁開關(guān)和勵磁電源（整流橋）三者是串聯(lián)的，稱串聯(lián)滅磁，若將三者改為并聯(lián)（圖5-8）稱并聯(lián)滅磁。當采用并聯(lián)滅磁時，則上述問題可得到解決，用此方案滅磁時，勵磁繞組中的能量消耗在DM的燃柵上。這樣使滅磁過程中轉(zhuǎn)子繞組兩端了電壓基本不變，接近理想滅磁的要求。這個方案中要求D和DM之間有較好的配合，目前正在研究之中。圖5-8 并聯(lián)滅磁接線原理圖第四節(jié) 利用壓敏電阻滅磁一、壓敏電阻目前用于滅磁的壓敏電阻有碳化硅壓敏電阻，和氧化鋅壓敏電阻，由于后者有壓敏特性好，泄漏電流小，能容大等許多優(yōu)點，在我國用得較多。圖5-9 壓敏電阻滅

11、磁接線圖圖5-10 壓敏電阻的伏安特性所謂壓敏電阻是指它的電阻值會隨它兩端的電壓變化的電阻，即當它兩端電壓限低時，它呈高阻態(tài)，只有很小的電流（微安級）從中流過，但當它兩端的電壓高于某一數(shù)值時，它的電阻急劇降低，允許有很大的電流從中流過，圖5-9、5-10表示了壓敏電阻滅磁的接線圖和它的伏安特性，在使用中，我們常用非線性系數(shù)b來表示壓敏電阻壓敏特性的好壞，定義：(5-9)其中：為工作點的靜態(tài)電阻；為工作點的動態(tài)電阻。顯然，b越小，壓敏電阻的壓敏特性越好。不難看出，壓敏電阻的伏安特性類似于穩(wěn)壓二極管，但壓敏電阻有雙向穩(wěn)壓特性。當大電流流過壓敏電阻，由于它兩端的電壓也很高，故壓敏電阻上要消耗大量的能

12、量，使壓敏電阻發(fā)熱。若流過壓敏電阻的電流過大，或電流持續(xù)的時間過長，使壓敏電阻上消耗的能量超過其極限允許值時，壓敏電阻會擊穿損壞，損壞后的壓敏電阻呈短路狀態(tài)。通常把一次通流過程中壓敏電阻上允許消耗的最大能量稱為壓敏電阻的能容量。它是壓敏電阻的主要性能指標之一。二、能量問題壓敏電阻在滅磁過程中，要吸收轉(zhuǎn)子的磁場能量，而壓敏電阻所能吸收的最大能量是有限制的。若其吸收的能量超過它的容量，壓敏電阻便會因過熱而燒毀。因此，準確計算發(fā)電機在各種可能運行方式下轉(zhuǎn)子繞組儲存的磁場能量，便成為適當?shù)剡x取壓敏電阻能容量的基礎(chǔ)，在計算機上進行的大量計算表明，在發(fā)電機各種運行方式中，發(fā)生空載誤強勵時，壓敏電阻上消耗的

13、能量往往最大，我們可對此過程進行近似分析。在發(fā)電機空載并忽略阻尼繞組作用的情況下，勵磁繞組中儲藏的磁場能量為：(5-10)式中：IL勵磁繞組中的勵磁電流；L勵磁繞組的電感；WL勵磁繞組儲藏的總能量。當發(fā)電機工作在空載誤強勵時，這時還認為L為常數(shù)，但當發(fā)電機發(fā)生空載誤強勵時，這時還認為L為常數(shù)，會帶來很大的誤差，我們可以用下述方法來近似計算勵磁繞組的磁場能量。忽略勵磁繞組的電阻，假定在滅磁過程中勵磁繞組兩端的電壓恒定為ULM，則有：（5-11）式中：ULM滅磁過程中勵磁繞組兩端的電壓；FL勵磁繞組的總磁通；W勵磁繞組的匝數(shù)。此式說明在滅磁過程中，勵磁繞組中的磁通（即鐵芯中的磁密）隨時間作線性變化

14、。見圖5-11（a）。這樣勵磁電流IL隨時間的變化將和發(fā)電機的空載特性曲線有相似的形狀，相當于將發(fā)電機的空載特性曲線逆時針旋轉(zhuǎn)90°，如圖5-11（b）、（c）所示。在整個滅磁過程中壓敏電阻上消耗的總能量也就是滅磁前勵磁繞組的總磁能。即：（5-12）式中：UM勵磁繞組兩端的電壓；Ic勵磁電流；WL勵磁繞組的總磁能。圖5-11 滅磁過程曲線 （a）磁通（b）空載特性（c）勵磁電流顯然，是圖5-11（c）中陰影線所示面積，即此面積正比于勵磁繞組總磁能的大小，由于滅磁過程中IL的變化和發(fā)電機所示的面積是相同的，所以，我們可采用發(fā)電機的空載特性曲線來估算勵磁繞組在所研究狀態(tài)下的總磁能。應(yīng)該指

15、出，在滅磁過程中，勵磁繞組的總磁能不會全部消耗在壓敏電阻上，因為阻尼繞組，勵磁繞組本身的電阻及開關(guān)斷開口在滅磁過程中都會消耗一部分能量。計算表明，壓敏電阻在滅磁過程中所消耗的能量，約占勵磁繞組總能量的60%70%。三、均能問題由于壓敏電阻在滅磁過程中要吸收的能量很大，對大，中型水輪發(fā)電機約為幾十萬到幾百萬焦耳，但一個壓敏電阻元件所能吸收的能量（即其能容）是有限的，一個國產(chǎn)高能氧化鋅壓敏電阻元件的能容大都在二萬焦耳左右，這樣，一套滅磁裝置常常要用幾十甚至一，二百個壓敏電阻元件。串，并聯(lián)而成。由于壓敏電阻流通時的電壓較高，（五百到六百伏左右），元件的串聯(lián)數(shù)不能太多（常為35個元件串聯(lián)構(gòu)成一個支路）

16、，否則，滅磁時勵磁繞組兩端的電壓會過高。因此，一套滅磁裝置的壓敏電阻通常有幾十個并聯(lián)支路。由于壓敏電阻具有良好的壓敏特性，微小的電壓特性差別會造成很大的電流差，因此，保證這些并聯(lián)支路在滅磁過程中的能耗一致（即電流分布均勻），就成為裝置可靠工作的基礎(chǔ)。為保證各并聯(lián)支路在通流時電流分布均勻，要求各支路有一致的伏安特性，采用微機控制和檢測的專用測試設(shè)備可以做到這一點。另外，還可在每個支路中串聯(lián)一個阻值不大的線性電阻，此電阻不但有均流作用，還能防止當壓敏電阻在正常運行中擊穿損壞時，該支路的電流不致過大。四、對磁場斷路器的要求在圖所示的電路中，滅磁時，首先磁場斷路器D分斷，強迫勵磁繞組中的電流從壓敏電阻中流過（即完成一次換流），設(shè)斷路器斷口上的電壓為UD，這時有：(5-13)式中：UD斷路器分斷時斷口兩端的電壓；UY壓敏電阻通流