发电机灭磁与过电压保护.doc

随着我国电力工业的发展,对发电机安全稳定运行提出了更高的要求,励磁系统性能的优劣是机组安全运行的关键之一。当发电机内部故障或停机时,继电保护装置能快速把发电机与系统断开。但电机的惯性使转子转速不能突变,储藏在励磁绕组中的磁场能也不能迅速消失,励磁电流突变势必在转子绕组两端引起相当大的暂态过电压,这将造成电机内部绝缘损坏等问题。因此,发电机出现故障停机时必须把转子励磁绕组的磁场能尽快地减弱到可能小的程度,这就是所说的灭磁。灭磁的关键是:断流和消磁。相应的灭磁保护装置主要包括两大部分,一是磁场断路器或灭磁开关,二是吸能限压元件,即灭磁电阻。灭磁开关起断流和部分消磁的作用;灭磁电阻起消磁耗能的作用。所论述的灭磁方式、设计灭磁方案都是围绕断流和消磁来展开。目前常用的磁场断路器及非线性电阻灭磁系统,在某些电站的实际运行中曾发生灭磁失败致烧毁励磁系统设备事故,暴露了灭磁系统在参数设计及设备选择上存在的一些问题,包括磁场断路器的性能参数要求及其选择计算方法、灭磁电阻容量要求及其选择计算方法、对灭磁时间的要求、发电机应考虑的严重灭磁工况等。本文试图对这些问题进行分析,并以这些依据设计出合理的灭磁方案。:灭磁开关耗能型灭磁方式和灭磁电阻耗能型灭磁(或移能型灭磁方式)。灭磁开关耗能型灭磁方式的原理是利用开关断口上的电弧燃烧来消耗转子能量以达到灭磁的目的。灭磁时直接跳灭磁开关,切断转子电流灭磁。灭磁开关跳开后,切断了供电电源和转子绕组的电流回路。但励磁绕组具有很大电感,在开断直流时,会在断口两端产生很高的过电压,该过电压将会使断口开断所产生的电弧维持燃烧,直到磁场储能在电弧上全部消耗,转变为热能。最终因能量耗尽,电弧不能维持燃烧,断口熄弧开断。这种灭磁方式对开关的要求较高:①开关在分断转子电流时,要维持电弧的燃烧来消耗能量,并控制电弧电压在安全范围内,不能强力吹弧。强力吹弧会使转子回路产生较高的过电压,威胁转子回路的安全。②开关应具有足够的能容量,对于直接开断直流电感性负载回路的开关其能承受的最大而不会损坏开关的燃弧能量,称之为开关的能容量。磁场能量越大,则电弧维持燃烧的时间就越长,当超过开关的能容量时,就可能烧损或烧坏断口的触头,或烧坏开关的燃弧室。这种开关灭磁方式存在的问题是:①开关的能容量有限,大容量的灭磁开关难以制造。②灭磁开关在每次灭磁后,灭磁室的绝缘下降,绝缘水平的恢复需要一定的时间。③小电流开断时,常常会造成吹弧失败烧坏触头。鉴于上述问题,对于大容量的机组,一般不采用这种灭磁方式。灭磁电阻耗能型灭磁或移能型灭磁方式的原理是灭磁时将转子电感回路接通一灭磁电阻旁路,强迫转子电流流经这一高阻值的灭磁旁路,使转子能量消耗在灭磁回路的电阻上,直到零而完成灭磁。这种移交能量给电阻消耗以达到灭磁的方式在一定程度上降低了灭磁开关的要求且灭磁时间大大缩短。克服了灭磁开关耗能型灭磁长期存在的缺点。因此得到广泛应用。交流灭磁就是属于这种方式。按灭磁的电阻分可分为非线性电阻氧化锌灭磁、非线性电阻碳化硅灭磁和线性电阻灭磁。与交流灭磁对应的就是直流灭磁。直流灭磁是最早使用的方式,现在还有部分厂家仍在使用该方式[1];随着发电机组容量的不断增加,交流灭磁方式慢慢取代了部分直流灭磁方式。++++----DRVIRFMKSCRId图1灭磁原理图直接断开FMK为直流灭磁;封脉冲后再断FNK为交流灭磁直流灭磁是一种利用直流灭磁开关来切断励磁绕组中的电流,并吸收其磁场能量;或利用直流灭磁开关的电弧电压将励磁绕组中的能量转移到并接到励磁绕组两端的电阻上的一种灭磁方式。也属于移能型灭磁方式。这里以灭磁开关加非线性电阻灭磁为例。其原理如图1所示(励磁方式采用了可控硅整流装置SCR),FMK为灭磁开关(通常称为磁场断路器),为非线性电阻,表示非线性电阻的电压。正常运行时FMK闭合,SCR输出整流电压和整流电流。为正压(即上正下负)。灭磁时,FMK双断口同时断开,触头拉弧并将电弧吹入灭弧罩,电弧在FMK双断口形成电弧电压和。同时,由正压变为负压,当大于的导通电压时,非线性电阻击穿导通,励磁电流流经,磁场电流由FMK转到上来,FMK双断口电弧熄灭,衰减,直到和均为零,转子磁能变为热能,发电机灭磁成功(也称为换流成功)。二极管D保证只在发电机励磁电压反压(即下正上负)时投入。避免在机组运行时,有电流流过ZnO阀片,而加速ZnO阀片的老化。灭磁条件可用(1)式表示:=(+)-≥(1)直流灭磁方式的优点就是线路及操作简单,直接断开FMK即可。但是,因在无灭磁电阻并联方式中,灭磁开关分断时,要靠维持电弧燃烧来消耗能量,不能强力吹磁。同时要控制电弧电压,避免过电压对转子绝缘造成威胁;而在有非线性并联