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灭磁系统
2021-12-09 02:23:47
来源:球王会怎么样 作者:球王会app

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  同步发电机在运行中,当发生定子绕组匝间短路、定子绕组相间短路、定子接地短路等故障时,继电保护装置就快速地将发电机从系统中切除,但发电机的感应电势却依然存在,继续供给励磁电流,故将会发生导线的熔化和绝缘材料的烧损,甚至烧坏铁芯。因此,当发生上述发电机的短路等故障时,在继电保护动作将发电机断路器跳开的同时,还应迅速地给发电机灭磁。灭磁就是将发电机转子绕组中的磁场能量尽快地减小到最小程度。当然,最简单的灭磁方法是将发电机转子励磁绕组与电源断开,但励磁绕组是一个大电感,突然断开,将使励磁绕组的两端产生很高的过电压,危害转子的绝缘,所以,用断开转子回路电源的办法来灭磁是不恰当的。将发电机转子绕组接到耗损磁场能量的闭合回路中去,才是可行的。

  磁最初就是直接利用耗能开关吸收发电机转子中储存的能量。比如俄罗斯生产的耗能开关利用弧间隔燃烧来耗能。但是这种方式存在如下缺点:

  ANSI/IEEEC37.18-1979标准规定,一般机械开关需要有至少一对主触头(MK1)、一对灭磁常闭触头(MK2)。20年来,随着国内ZnO电阻耗能在灭磁系统中的应用,灭磁触头也并非必要了。但值得注意的是,在不采用灭磁触头的灭磁系统中,需认真核算ZnO的灭磁残压与荷电率。

  这类灭磁方式在国内是主要的灭磁方式。主回路有明显的开断触头,在励磁系统内部故障时,可以开断励磁主回路,切断故障源,快速地消灭发电机主磁场,将发电机损失控制在最小范围内。使用的机械开关主要有DM2、DM4、DMX、E3H、E4H、UR、PHB、MM74、CEX等。

  这类灭磁方式的主要问题是灭磁开关选型比较困难。小机组选大的开关,成本比较高;选小开关满足不了工况要求;大型尤其是巨型水力发电机机组开关选择更为困难。

  这类方式下开关动作时间短,因此开关在开断过程中所需遮断能容就小,并且建压速度快,利于快速灭磁。但其缺点是开关动作的可靠性取决于电子回路工作的可靠性。

  与机械开关比较它没有触头磨损,易于维护,成本也低。但在大电流系统中不宜采用。它存在两个问题:发热问题及器件选型问题。然而值得注意的是,随着电力电子器件的快速发展,高电压大电流的全控器件也会在不久投入商业运行。电力电子器件将在灭磁中发挥更大的作用。但是长期通流带来的发热仍是采用这种方法需解决的首要问题。

  为克服上述两种灭磁方式的缺点,人们开始在材料科学领域探索,寻找一种既不发热,又可以建压的材料。将PTC电阻或钼棒与开关并联,利用材料在温度升高时电阻急剧增加的特点,建立比较高的电压,打通灭磁电阻回路,实现灭磁。也可以采用超导材料串入回路,在需要灭磁时使超导材料失超。但是若要建立比较高的电压,超导体的长度相应比较长,体积比较大。

  由于以上灭磁方式的缺陷,业内人士希望能够将可控硅整流桥直接关断,将机械开关移至励磁变低压侧。这样解决了励磁系统具有明显开路点的问题、又解决了机械并联灭磁方式开关难选择的问题。

  与水轮发电机相比,灭磁对于汽轮发电机要相对容易一些。主要因为转子电感值较小,阻尼绕组作用比较明显,因此交流灭磁在汽轮发电机励磁系统应用较多。交流灭磁是将直流开关难开断、难建压的问题转移到励磁源的交流侧。

  交流灭磁是利用可控硅阳极电源负半周辅助实现的一种灭磁方式。灭磁开关既可以安装在交流侧也可以安装在直流侧,但都必须配合封脉冲的措施(由于交流灭磁开关跳开过程中同步电源缺相而导致的自动封锁脉冲等效于封脉冲),否则都不能实现交流灭磁。

  当灭磁开关装在交流侧时,可以利用在灭磁开关打开的过程中一相无电流而自动分断的特点,并借助可控硅的自然续流将可控硅阳极的交流电压引入到灭磁过程中去。即使在发电机转子电流换流到灭磁电阻支路前,有可控硅的触发脉冲使得某个桥臂的两个可控硅直通,形成转子回路短接灭磁,仍然可以保证交流侧灭磁开关的分断而实现自然续流灭磁。当然这样灭磁时间会比较长,按转子时间常数Td0进行衰减,而且灭磁过程中最多只能利用灭磁开关两个断口的弧压。

  当灭磁开关安装在直流侧时,必须配合封脉冲措施,否则不能实现交流灭磁。灭磁开关安装在直流侧的好处是灭磁过程中可以充分利用灭磁开关串联断口的弧压。事实上,封脉冲是一种简便易行的方法,而其作用非常显著,因此在采用交流灭磁的场合,封脉冲措施是必须的。

  第一,需要考虑机端三相短路。当发电机机端三相短路时,只能够靠灭磁开关的断口弧压灭磁,如果灭磁电阻换流需要的电压大于交流灭磁开关的断口电压,则不能成功灭磁,就会损坏交流开关。考虑到这种情况,一般在转子两端设置电子跨接器或机械跨接器,甚至两者都设置。

  第二,需要考虑到可控硅整流桥臂是否存在可控硅损坏,是否有桥臂短路的情况,以及在交流侧短路的异常情况下可否可靠灭磁。

  当然,采用封闭母线的发电机组发电机机端短路可以认为基本不存在,一般励磁变到整流桥之间短路几率也比较小。若整流装置交流侧故障,只要整流桥臂熔断器选择合理,是能够降低此类故障几率的,所以这些异常工况也不必考虑。即使机端短路也能够利用短路点比较低的电压进行电流转移,实现灭磁。

  由于汽轮发电机转子储能比较小,电感比较小,加之阻尼比较大,参与灭磁过程作用比较大,采用短接转子灭磁,也是能够接受的。所以在配备了跨接器的情况下,可以单独采用交流灭磁。然而通常建议在水轮发电机灭磁中不选择单独的交流灭磁。而是选择机械开关并联移能灭磁或下面介绍的冗余灭磁方案。

  所谓冗余灭磁,是同时采用两种及两种以上的方法灭磁,如在交流、直流侧分别设置开关,在灭磁过程中同时分断,共同建压,在跳灭磁开关的同时封锁脉冲,利用封脉冲后可控硅续流形成的交流电压辅助灭磁等等,这类灭磁方式的好处是,当一种灭磁不能正常工作时,另外的灭磁方式仍然能够可靠地实现灭磁,当多种灭磁都正常时,可以大大降低对开关的要求。如三峡灭磁设计甚至可以在两重以上故障情况下可靠灭磁。

  实现交直流冗余灭磁可以采用多种方法[2],不同的方法结果可能相差很大,或者需要高性能的交/直流灭磁开关作为必要的保障。

  采用以下的灭磁时序可以最大限度地降低对交/直流灭磁开关的要求,实现多种工况下的可靠灭磁,即:正常情况下采用逆变灭磁;故障时首先采用约1-2个调节器控制周期的逆变灭磁,然后采用硬件封脉冲手段闭锁调节器输出脉冲,如果有交流灭磁开关可以同时跳交流灭磁开关(一般情况交流灭磁并非必须设置交流灭磁开关,但对于大型发电机配备交流灭磁开关是有益的),最后延时6到7毫秒(对于50赫兹而言)跳直流灭磁开关.

  由于当今大多采用氧化锌非线性电阻灭磁,所以以下的讨论都是基于氧化锌非线性电阻。采用碳化硅灭磁时与氧化锌非线性电阻灭磁设计的原则类似。而对于线性电阻的灭磁,所要考虑的仅仅是灭磁电阻以及电阻功率的选取,标准中有确切规定。

  灭磁系统设计所需考虑的工况,在国内有些争议。一是建议按照额定负载下,发电机机端三相短路的工况考核灭磁系统电流、能容以及需要建立的弧压。二是认为在空载发电机励磁失控误强励的工况来考核。

  通常认为最危险的工况是空载励磁失控误强励。此时开关面临应对整流输出直流电压和灭磁残压的叠加,并且电流也上升到失控强励的电流(此电流值不会比三相短路电流小),而且可以证明此时发电机储存的能量比三相短路的能量要大。因而采用此工况是合适的。

  ZnO(这里以及文中其他地方所提到的ZnO均是指低场强高能量的非线性ZnO电阻)与SiC相比有较强的非线性特性,在灭磁过程中磁场电压几乎不变,灭磁速度快,可以使发电机的灭磁更接近于理想灭磁,因此在我国得到了广泛的应用。本文主要针对ZnO灭磁设计中值得注意的问题展开讨论。

  在灭磁主回路确定的前提下,ZnO灭磁的设计中主要考虑的问题包括:灭磁能容的估算、灭磁阀片最大允许通流能力、灭磁装置最大允许电流、灭磁电阻的残压、灭磁电阻正反向荷电率、并联支路灭磁电阻的均流和均能等。

  这里有两点值得大家注意:第一,在我们在考虑最危险灭磁工况时,灭磁阀片的能容不应该简单地考虑阀片的标称能容,而应该考虑阀片的最大能容,在此基础上考虑均能、均流因素以及一定的裕量。也就是说,在考虑发电机最危险灭磁工况时,阀片的每片能容按30KJ计算是可行的。第二,理论上同样配比的材料烧制出的阀片的能容与阀片的体积成正比,所以同样截面的ZnO阀片,残压较高的阀片应该具有较大的能容。

  何用辉, 蒋云平. 大型同步发电机新型灭磁系统分析[J]. 上海大中型电机, 2008, 45(4):43-45.

  梁建行. 发电机灭磁系统几个技术要求的讨论[J]. 水电自动化与大坝监测, 2005, 29(3):45-50.

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