发电机灭磁及过电压保护介绍(NR).

发电机灭磁及转子过电压保护报告内容–灭磁主要任务及要件–灭磁耗能方式–灭磁开关及移能方式–灭磁装置设计–转子过电压保护–轴电压抑制介绍2•灭磁主要任务灭磁主要任务及要件3灭磁定义：灭磁就是把转子励磁绕组中磁场储能尽快地衰减到可能小的程度。最简单的办法是将励磁回路断开，但励磁绕组具有很大的电感，突断断开，会在两端产生很高的过电压，因此，在断开励磁电源的同时，还应将转子励磁绕组自动接入至放电电阻或其它吸收能量装置上去，把磁场中储存的能量迅速消耗掉。灭磁任务：断开励磁电源，保证励磁电源不再向转子供能量；接通放电设备，将转子励磁电流由开关强迫转移至放电设备；消耗磁场能量，快速消耗磁场能量，保证机组故障电源维持时间最短•灭磁速度评价灭磁主要任务及要件4（a）发电机电压衰减的时间常数TED；（b）也有用灭磁等值时间TEQ表示：式中Ia为发电机灭磁时的静子电流，即电弧中流过的电流，iao为其超始电流。Va为灭磁时的电机电势，它与ia成正比。（c）从开始灭磁到发电机静子电压小于维持电弧电压的时间TM；000011dtvVTdtiITaaEQaaEQ•灭磁装置基本要求灭磁主要任务及要件5-保证安全可靠灭磁。a.灭磁开关应有足够的分断发电机转子电流能力b.灭磁反电压不超过规定的倍数c.灭磁装置的电路和结构应简单可靠d.灭磁装置要有足够的容量-灭磁时间应尽可能地短暂报告内容–灭磁主要任务及要件–灭磁耗能方式–灭磁开关及移能方式–灭磁装置设计–转子过电压保护–轴电压抑制介绍6•线性电阻耗能方式灭磁耗能方式7常规线性电阻灭磁，简单可靠。如忽略阻尼绕组，发电机空载额定电压灭磁时，其端电压按指数衰减。如发电机额定电压为18000V，R=0时，下降到峰值为200V的时间需TM0=4.84T1，R=5r时，TM1=0.8T1，T1=L/r发电机励磁回路时间常数。•线性电阻耗能方式灭磁耗能方式8考虑阻尼绕组后，发电机空载额定电压按灭磁回路时间常数和阻尼绕组回路时间常数之和指数衰减，时间较长。控制灭磁过程中磁场绕组过电压，近年来趋向取较小的灭磁电阻值，从灭磁电阻R为5倍磁场电阻r，减小到R=(1～３)r。线性电阻不能直接与转子并联，必须配备常闭灭磁主触头或电子触发的跨接器，在灭磁时，常闭灭磁主触头闭合或跨接器导通，线性电阻接入灭磁回路。•非线性电阻耗能方式灭磁耗能方式9灭磁过程中转子两端电压不变，电流直线下降，非线性电阻阻值随流过电流减小而增大，非线性电阻特性为：β称为非线性系数，β愈小，电流衰减过程中励磁电压的变化愈小。KiU•非线性电阻耗能方式灭磁耗能方式10灭磁用非线性电阻主要是SiC和ZnO，ZnO国内生产，SiC国外进口，ZnO非线性系数为0.046，SiC非线性系数为0.3，就非线性性能看，ZnO非线性灭磁电阻要优越得多。ZnO非线性灭磁电阻，采购容易，价格便宜，灭磁残压容易控制，灭磁速度快。SiC非线性灭磁电阻体积比较小，耐用性较好。采用非线性电阻在灭磁残压的控制上，需要格外小心，避免开关的配合不合理，导致灭磁的事故。•非线性电阻耗能方式灭磁耗能方式11对于汽轮发电机，因整体铸造的转子阻尼很强，即T2较大，因此不强调快速灭磁，采用线性电阻作为灭磁电阻，可靠性高，更为合适。国内高能氧化锌非线性电阻发展较快。而且选择过快的灭磁方案实际上对发电机转子会带来不利因素，因为在灭磁的过程，如果励磁电流下降过快，可能导致阻尼绕组（由涡流效应等价的绕组）感应电流过大，从而导致转子铁芯过热。在水轮发电机上非线性电阻特别是ZnO非线性灭磁电阻，除作为灭磁电阻外，还兼作转子过电压保护，因此，应用广泛•灭弧栅耗能方式灭磁耗能方式12灭弧栅灭磁就是利用开关灭磁弧直接吸收发电机转子的能量，灭弧栅栅片间隙中的电弧压降基本上是定值，不随电弧电流变化，因此有很好的灭磁效果。国内曾广泛采用的引进自前苏联的DM-2开关，就是在灭磁时将电弧吹入灭弧栅灭弧。灭弧栅由很多铜片组成串联间隙，每个间隙压降为25～30V。发电机空载额定电压灭磁时，计及阻尼绕组影响，励磁绕组、阻尼绕组电流、发电机机端电压的衰减见图•逆变灭磁方式灭磁耗能方式13如果给发电机转子提供直流电流的变流器采用可控硅全控桥型式，当控制角大于90°时，整流装置输出电压为负，励磁电流也相应的从正到负，但当励磁电流衰减到零时，由于整流装置不能反向导通而截止。灭磁过程中相当于在转子绕组上加固定反向电压，磁场能量通过可控硅换流装置反馈回励磁电源。•逆变灭磁方式灭磁耗能方式14逆变灭磁较机械灭磁的优点是没有机械操作，动作可靠，而且没有延时。灭磁时转子过电压低。因此可控硅励磁以逆变灭磁为正常工况下主要灭磁方式。为了提高灭磁可靠性，避免变流器故障时发电机无法灭磁，一般都采用正常时逆变灭磁及故障时灭磁开关+灭磁电阻灭磁两种灭磁方式。•Q轴磁通衰减灭磁耗能方式15发电机在带负载工况灭磁时，除Ｄ轴磁通分量外，还有Ｑ轴磁通分量，该分量的衰减决定于Ｑ轴阻尼，目前采用的快速灭磁只能影响Ｄ轴磁通，不能加速Ｑ轴磁通的衰减，因此提出来了在灭磁时将发电机出口三相短路，使磁通移向Ｄ轴，以加快灭磁速度的方案。这个措施使灭磁过程复杂，而且误动作将造成严重后果，所以在工业上未有采用。报告内容–灭磁主要任务及要件–灭磁耗能方式–灭磁开关及移能方式–灭磁装置设计–转子过电压保护–轴电压抑制介绍16•励磁电源分断条件开关及移能方式17灭磁开关MK分断时，由发电机励磁绕组大电感的作用，将在MK常开主断口间产生高电压并形成电弧击穿，也就是说励磁电源并没有与发电机励磁绕组断开，而是通过电弧连接在一起，只有电弧熄灭后，才能算真正意义上的断开。GMKSCRMKRUkUscrUmIkIfIm0mfKIIISCRmKSCRKmUUUUUU•励磁电源分断条件开关及移能方式18灭磁开关能否真正分断励磁电源，成功将灭磁电流转移至灭磁电阻，本质取决于灭磁开关断口弧压与可控硅变流器的电压之差是否大于灭磁时电流流过灭磁电阻所产生的灭磁电压，常规设计可控硅变流器为交流电压最大值的1.35倍，按此要求，对于大型发电机组要求灭磁开关弧压要达到很高的数值才能保证安全分断励磁电源，完成能量转移GMKSCRMKRUkUscrUmIkIfIm•励磁电源分断辅助措施开关及移能方式19灭弧栅电压是一个常数，不随电流改变而改变，也就是说，灭磁开关所产生的弧压是一个常数，与灭磁电流大小无关。而灭磁电压Um是按最恶劣灭磁工况下设计，实际上也是一个常数。改变可控硅换流器（而且必须是可控硅换流器）输出的电压，就可影响灭磁电流的转换条件，有两种改善灭磁换流的两个技术措施：一是逆变灭磁，分断开关时控制脉冲触发角度突变至逆变角，可控硅换流器输出电压平均值为负值，这样，即使灭磁开关弧压小于将灭磁电流转移至灭磁电阻的电压Um，也可完成能量转移。•励磁电源分断辅助措施开关及移能方式20二是中断脉冲，控制励磁调节器突然中断可控硅换流器触发脉冲，脉冲中断后，在励磁绕组电感反电势作用下，原导通可控硅继续导通，其它可控硅不再导通，则励磁电源Uac与发电机励磁绕组串联的电路，则USCR变为交流正弦波，叠加上开关弧压后，灭磁电阻两端电压呈大小交替变换，当为Uac正半波时，Um比弧压UK小，不易换流；当Uac负半波时，Um比弧压UK大，容易换流。GMKSCR1MKRUkUscrUr(a)SCR2GSCRMKRUscrUrUACUscr(b)(c)•励磁电源分断辅助措施开关及移能方式21采取中断脉冲措施可改善灭磁时移能条件，但是工程设计时校核灭磁开关弧压时，要以最严重条件考虑，如果励磁电源短路时，励磁交流电压为0，灭磁移能条件转化为：即只要灭磁开关断口弧压大于最大灭磁电流所需灭磁电阻电压，就可励磁电源分断，并完成能量转移。由此可见采取中断脉冲措施，可以降低灭磁开关弧压要求，但同时中断脉冲措施的可靠执行，也成为安全灭磁的条件。KmUU•直流侧灭磁开关开关及移能方式22对于线性电阻或SiC非线性电阻，则必须常闭主触头，如果灭磁开关没有常闭主触头，则线性电阻或SiC非线性电阻必须串联一个跨接器（CrowBar），正常运行时，跨接器CB断开，流过电流为零，灭磁时，控制跨接器导通，完成灭磁。这样，必须保证电子跨接器可靠动作才能可靠灭磁。GSCRMKUkUscrUmIkIfImRmLmCBGMKSCRMKRUkUscrUmIkIfIm•直流侧灭磁开关开关及移能方式23对于非线性特性优良ZnO非线性电阻，灭磁常闭主触头不一定必要，但需要认真核算氧化锌ZnO的灭磁残压与氧化锌ZnO的荷电率，如果荷电率不能满足要求，则一般将非线性电阻与逆止二极管D串联后，并接至发电机励磁绕组。GMKSCRMKRUkUscrUmIkIfImGSCRMKZnOUkUscrUmIkIfImD•直流侧灭磁开关开关及移能方式24直流侧灭磁开关灭磁方式在国内是主要的灭磁方式，回路简洁，操作简单，运行可靠。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，快速的衰减发电机励磁绕组磁场，将发电机保护在最小事故内。•交流侧灭磁开关开关及移能方式25对于汽轮发电机，一转子电感较小，储存能量小一些；同时转子涡流形成的阻尼作用较强，同时考虑Ｑ轴磁通的影响，快速灭磁效果不显著。因此，汽轮发电机组灭磁时可以选择较低的灭磁电压Um，甚至可以采用零灭磁电压（短路灭磁）方式，从而降低灭磁开关弧压的要求，这样可以将灭磁开关布置在交流侧，以交流侧开关代替直流侧开关，也称为交流灭磁GRdLdRbZ1Z2dxCBSCRACUkUrUac•交流侧灭磁开关开关及移能方式26交流灭磁本质上与直流侧开关没有不同，对于功率变流器来说，在任一时刻，交流侧有两相与发电机励磁绕组形成直流回路，交流侧开关不论在何时分断，其分断的仍是直流电流，而不是交流电流，这与配电系统的交流开关分断性质完全不同（负载电流有过零点），如果励磁电流if不能转移发生转移，同样在交流开关断口处（同一时刻只有两个断口有弧，另一个断口无电流断开）产生电弧和形成弧压，只时弧压后续发展与直流侧开关不同。•交流侧灭磁开关开关及移能方式271）在交流侧开关分断时中断换流器触发脉冲，由于不能够进行换流，励磁电流将一直在中断脉冲前导通的两个可控硅中流通（如前分析），直接将励磁变压器的交流电压串入直流回路，使得在交流电压负半波的时候，弧压与交流电压幅值之后大于灭磁电压Um，使电流转入灭磁电阻回路，流过交流开关的电流衰减至零，断口电弧熄灭，交流开关切断励磁电源•交流侧灭磁开关开关及移能方式282）在交流侧开关分断后仍保存触发脉冲或变流元件为整流二极管，假设当前导通的桥臂为+A和-C，开关B相没有电流直接分断，如果弧压没有将电流转移到灭磁电阻回路，经过60度后，经过脉冲触发，要将电流换至+B相，B相断口已分断，换相失败，仍在+A和-C中流通，再过60度后，-A相触发脉冲，电流由-C相转至-A相，最终形成A相上下桥臂直通，形成转子回路短接灭磁（Um=0），流过交流开关电流衰减至零，断口电弧熄灭，但由于零电压灭磁，灭磁时间会比较长，按转子时间常数进行衰减。•交流侧灭磁开关开关及移能方式29对于交流侧开关灭磁，为保证励磁电流能正确转移至灭磁电阻回路中，在跳开交流侧开关之前，必须配合中断可控硅的触发脉冲措施。但如果考虑到机端三相短路，不能够串入交流电压，如果交流开关弧压不能大于灭磁电压Um，就不成功能够进行灭磁，开关断口电弧不能很快熄灭，就会损坏交流开关。因此，采用交流开关灭磁方式时，灭磁电压Um设计较低，或者采用跨接器短路灭磁。保证交流开关弧压大于灭磁电压UmKmUU•交流侧灭磁开关开关及移能方式30仅在汽轮发电机灭磁中选择单独的交流灭磁，汽轮发电机可以选择很低的灭磁电压，而且一般采用线性电阻或短路灭磁方式，交流侧灭磁开关较容易选择，特别地，对跨接器短路灭磁方式，一般地空气开关或真空开关即可满足要求。对于交流灭磁方式，多采用先进行逆变后进行交流开关灭磁的方式，既可保证绝大部分正常运行逆变快速灭磁，又