同步发电机灭磁及转子过电压保护

同步发电机灭磁及转子过电压保护上海鑫日电气科技有限公司一概述随着大型同步发电机组单机容量的不断增大，特别是采用具有高顶值自励可控硅励磁系统，对灭磁及转子过电压保护的技术要求已提到了一定的高度。

用常规的磁场断路器及非线性电阻相结合的方式已不能满足大型同步发电机组正常可靠灭磁的要求。

在电站实际运行的过程中，由于灭磁失败，引起磁场断路器烧毁以及因灭磁不力而造成转子过压击穿励磁设备的事故屡见不鲜。

因此人们长期以来一直在致力于研究用新的方法来解决直流电感性负载的大电流开断领域这一难以攻克的课题。

二同步发电机的灭磁及技术要求同步发电机的灭磁，即把储藏在同步发电机转子回路中的磁场能量消耗掉。

由于电力系统的不断扩大和大型同步发电机组单机客量的增大，快速切除故障电流是确保电力系统稳定和安全运行的重要条件，特别是当发电机内部或外部（包括机端变，励磁变及主变，出口母线等）出现短路或接地故障时，必须快速切断励磁电流，并在尽短的时间内消耗掉储藏在发电机励磁绕组中的能量。

在电站实际运行的过程中，曾出现过因灭磁失败而引起转子过压，造成磁极击穿，烧毁磁场断路器及励磁设备等严重事故，甚至还出现过因灭磁时间过长，烧毁定子绕组及因主变短路时未能迅速灭磁断流，造成主变绕组烧损，外罩炸裂的恶性事故。

由此可见，快速可靠的灭磁及有效的限制转子过电压措施成了大型发电机组安全运行至关重要的问题。

设计大型同步发电机的灭磁系统，通常应满足以下基本的技术要求：1．必须满足各种运行状况下可靠灭磁的要求。

大型同步发电机组励磁电流的不断增长，转子绕组的电感越来越大，转子所储存的磁场能量也相应随之增大，所以大型机组的灭磁装置必须满足有足够大的灭磁容量，他除了在正常及机端短路等强励状况下能可靠灭磁外，特别是对于具有高顶值系数的自励可控硅系统，还必须满足在空载误强励、三相短路等极限状况下可靠灭磁的要求。

2．满足快速灭磁的要求，尽可能实现接近理想灭磁时间。

大型发电机组虽然采用了现代快速灵敏的继电保护装置，但这种保护装置的作用是当发电机出现故障时，能尽快地将机组解列，但即使机组已经解列，可故障电流依然存在，不论发电机的故障是一相短路还是部分绕组短路，在故障电流期间，损坏的程度是随绝缘燃烧和铜线熔化的时间而增加，所以只有在发电机解列的同时，采用快速灭磁才是限制故障电流和使绕组免于全部烧毁最充分有效的措施。

3．灭磁应更加彻底。

大型机组的出口母线电压很高，在这种高压机组中，哪怕只要有维持发电机母线电压10%的励磁残压，这种残压也足以维持故障处的电弧，为此大型机组的灭磁应更加彻底，其灭磁时间应以转子电流下降到定子的电压不足以维持故障处电弧的燃烧的时间才称灭磁结束。

4．有效的转子过电压限制措施。

大型机组在灭磁的过程中，由于励磁电流的突然中断会产生过电压，这种灭磁过电压的能量很大，若没有有效的限压措施以及足够容量的消能装置，它将直接危及发电机转子及励磁装置的安全。

三. 大型同步发电机灭磁系统的设计。

我们以目前最广为采用的自并激机组励磁系统为例，来介绍设计灭磁系统的方法和基本原则。

由自并激机组励磁系统的原理图1可以看出，励磁系统的能源是取自并接在机端的整流变压器ZB 提供的三相电源，经三相可控整流后向转子绕组提供直流激磁电流的。

灭磁的方法主要有线性电阻灭磁，非线性电阻灭磁，利用短弧阴极效应原理设计的带灭弧栅的自动灭磁开关灭磁、逆变灭磁等。

用带灭弧栅的自动灭磁开关由于受制造容量的限制，大型同步发电机组上不宜采用，逆变灭磁由于在自励系统中，由于逆变电压是随发电机电 ZB 图1 自并激机组励磁系统原理图压变化的，发电机在不对称短路时，有可能导致逆变失败，所以对后两种灭磁方式不能考虑作为大型发电机灭磁的主要方式。

至于交流灭磁及无源零开断自动灭磁仅是解决切断励磁电源实现磁场电流的换流，仍须采用电阻或非线性电阻消能的灭磁方法。

3—1. 理想灭磁时间及非线性电阻灭磁所谓理想灭磁时间，即灭磁时间尽可能短，而且在整个灭磁过程di，不应超过转子绝缘强度所允中转子绕组两端的感应电势e L= －Ldt许的最大值V fm，下面我们用绕组对线性电阻放电的原理接线图来加以说明（见图2）。

LfRf图2. 励磁绕组对线性电阻放电原理接线图在磁场开关BK1跳闸后，根据换路定律：不论产生电路中过渡过程的原因为何，在换路前后每一个电感中的电流都应当保持原值而不能有跃变，所以在接入BK2及电阻R后，磁场绕组回路的灭磁方程式di+if（R+Rf）=0 (1)为：Ldt励磁绕组中的电流i f衰减的规律是i f =ff R V 0e f f L R R )(+-t=i fo e 1T t - (2) T 1=ff R R L + (3) 我们称T 1为放电回路的时间常数，由公式（2）可知灭磁过程为一指数衰减的形式，要想加快灭磁速度，只要增加放电电阻R ，则时间常数T 1值就减小，也就是灭磁时间缩短。

因为灭磁初瞬间励磁电流的初始值为i f0,它与放电电阻R 的乘积就是励磁绕组两端的电压，如果为追求灭磁速度快而选用较大的电阻值，则在灭磁瞬间，将在励磁绕组两端产生过电压U R =i f0R , 将可能超过绕组绝缘强度的允许值V fm 。

为了达到理想灭磁,使灭磁速度尽可能快，而且使绕组两端的感应电势不超过允许电压V fm ，则要求在整个灭磁过程中，希望L dtdi 保持不变，并等于V fm ,即： L dt di f = －i f R=－V fm =C(常数) I f R=V fm =CI f =R 1V fm =R1C （4） 由公式（4）可知，为保证V fm 为一常数。

则必须当灭磁电流i f 在衰减过程中,在R 上的电压降保持不变，也就是放电电阻的变化应与衰减电流i f 成反比。

众所周知，线性电阻R 的值是个恒值电阻，V fm 的值在整个灭磁过程中不可能不变，它将随着灭磁电流i f 的减小而减小，而非线性电阻SiC 和ZnO 就具有满足V fm 基本保持不变的特性。

3—2．非线性电阻器R N压敏陶瓷（V oltage Sensitive Ceramics ）或称压敏变阻器，系指对电压变化敏感的非线性电阻陶瓷，其伏安特性如图3所示。

图3压敏电阻的伏安特性当电压低于某一临界值时，电阻的阻值非常高，几乎为一绝缘体，当电压超过这一临界值时，电阻急剧减小，接近于导体，这一电压值称为“阀值电压”或“压敏电压”。

目前压敏陶瓷主要有SiC和ZnO 两大类，由于ZnO压敏特性远优于SiC，我们在下面会重点介绍高能（低场强）ZnO非线性电阻器的特性，由非线性伏安特性可看出当电压达到一定的阀值，电流通过它的变化率要比在非线性电阻两端的电压变化率大得多，所以用它来实现快速灭磁和有效抑制瞬态过电压是非常理想的器件。

非线性电阻的非线性伏安特性也可以用下列概数来表示：U=Ki β(5)其中：U—端电压瞬时值。

i —通过其中的电流瞬时值。

β—非线性系数。

K —电流为1A 的端电压瞬时峰值。

如果我们将图2中的R 改为采用非线性电阻R N ,则励磁绕组对放电电阻的等值电路，如图4由公式（5）得：U fo =Ki βf U fo —灭磁初始电压i fo —灭磁初始电流则U f =Ki f β=00f f i U i f β=U fo (0f fi i )β 假设放电回路中所有的电阻均是非线性的，则励磁绕组对非线性电阻的放电过程可由下列微分方程时表示：U f +L dtdi f=0 (6) Ri fo (0f fi i )β+L dt di f =0 i βf +R L f i dtdi f=0 i βf dt+(RL f )1-βi fo di f =0 dt+R L f i 1-βf i f di f =0 i f dt+R L fi fo i β-fdi f =0 ⎰∞0dt i f = -(R L f)i 10-βf ⎰-010f i f i βdi f (7)在这里我们引进一个“有效灭磁时间”定义的概念，所谓有效灭磁时间即可从图5来理解T 1=(01f I )⎰∞0i f dt (8) T 1I f0=⎰∞i fdt i fi f0T 1T f t图5 有效灭磁时间T1在没有接入非线性电阻的情况下，发电机的磁场电流实际是以励磁绕组本身的时间常数T f =RtL f 衰减的。

而有效灭磁时间T 1是指在接入非线性电阻R N 后，灭磁时间可以缩短到磁场电流对时间的积分面积对初始磁场电流的平均值。

也就是指S 1面积与S 2的面积相等。

其物理意义是指在T 1时间内可以有效的将转子绕组中对应于磁场初始电流为i fo ，所储藏的能量以最快的时间消耗掉。

代入公式（7）T 1i fo =RL fi 1-β⎰-010f i f i βdi f =-RL f i 02100)2(f f f i i βββ--- =R L fβ-20f i∴ T 1=r L f β-21(9)其中: r=R N +R f它揭示：我们只要增大非线性电阻R N 也可以减小时间常数T 1，而且可以达到接近有效灭磁时间的灭磁速度。

但事实上非线性电阻的起始电阻值同样也受到励磁绕组绝缘强度允许电压V fm 的限制。

它必须满足：U fm ≥R N0i f0R N0—非线性电阻初始值因为非线性电阻当灭磁电流较大时其动态阻值较小,而后随磁场电流的衰减而阻值增大,它始终使非线性电阻的可变阻值与衰减的灭磁电流的乘积基本保持常数，因此我们就可以用的V fm 值来求得理想的灭磁时间。

3—3. 灭磁系统的设计原则由以上对非线性电阻用在灭磁电路中的数学分析,它可以基本满足灭磁系统的技术要求，不但能使灭磁速度尽可能快，而且使绕组两端的感应电势不超过转子绝缘强度的允许值V fm .由此可以得出结论：采用非线性电阻来替代线性电阻灭磁，可以实现理想灭磁。

有了非线性电阻器件，并不一定能实现安全可靠的灭磁，它还必须选择有相应开断特性的直流磁场断路器相配合，才能实现磁场电流从主回路向灭磁回路的安全转移，否则将会酿成重大的恶性事故。

四. 多断口直流磁场断路器配合非线性电阻灭磁目前国内外大型发电机组的灭磁方式，大都采用强力型多断口直流磁场断路器配合非线性电阻的灭磁方式，较典型的原理接线如下：BK 2R f L f 图6强开关型灭磁原理接线图用这种双断口开关配合非线性电阻R N 的灭磁方式，我们曾在三峡试验电站进行反复的试验，并得到下列结论：1. 提高非线性电阻R N 的残压，可以缩短灭磁时间，加快灭磁速度。

2. 高残压的非线性电阻必须采用高断口弧压的磁场断路器，否则灭磁不会获得成功。

我们列出在BK 开断的过程中，转子绕组回路的过渡过程的方程式得以求证：V Z =V K +i f R f -L f dtdi fV Z =V K +i f R f -L f dtdi f L f dt di =V RN =V K +i f R f -V Z 其中： V Z —整流桥输出电压V K =V K1+V K2—磁场断路器断口电压若忽略转子绕组电阻的压降，则磁场电流要从磁场断路器换流到非线性电阻R N 支路，必须满足V K -V Z ＞V RNC , 若V K -V Z 的电压小于非线性电阻动作的残压V RNC , 则不能实现换流，灭磁就不会成功。