大型发电机灭磁及转子过电压保护.doc

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:
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。
,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。
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中转子绕组两端的感应电势eL= -L,不应超过转子绝缘强度所允许的最大值Vfm,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)。
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为: L+if(R+Rf)=0 (1)
励磁绕组中的电流if衰减的规律是
if=et=ifoe (2)
T1= (3)
我们称T1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T1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if0,它与放电电阻R的乘积就是励