同步發電機勵磁系統

培訓講義四川德陽東方電機控制設備有限公司編

同步發電機勵磁系統

培訓講義四川德陽東方電1前言東方電機控制設備有限公司前身早在1964年誕生于東方電機廠內，當時分成設計、工藝、檢查、采購和生產車間的形式分別隸屬于各個職能部門。國家的每個五年計劃中，東電控制人都承擔了發電控制設備的研發攻關任務，先后研制生產了磁放大器式勵磁調節裝置、晶體管式勵磁調節裝置、晶閘管整流型勵磁裝置、集成電路勵磁調節裝置和微機型勵磁調節器，是國內主要制造生產企業之一。研發、生產出的近五百套產品，有效地保證了國內如烏江、龔嘴、葛洲壩、銅街子、映秀灣、龍羊峽、安康、萬安、漫灣、李家峽、寶珠寺、大朝山等大、中型水電站以及出口美國、加拿大、伊朗、敘利亞、土耳其、菲律賓、印尼、巴基斯坦、孟加拉、阿爾巴尼亞、緬甸、危地馬拉等國家眾多電站機組的正常運行，為國家的電力制造業和電力工業的發展做出了貢獻。但由于控制設備生產基地建設的初衷是解決國內水力發電設備成套供貨問題，并且受計劃經濟體制的影響，當時國內采用的是發電設備成套供貨模式。由于水電開發工程建設周期普遍很長，加之控制設備技術更新發展很快，隨發電設備主機配套供貨的當時認為成熟、可靠、有運行經驗的產品，往往在機組投運時，控制設備在技術上便已顯落后。此外，由于長期受計劃經濟體制的影響，勵磁產品基本上都采用的是成套供貨模式，整個東方電機沒有單獨的輔機銷售人員，這無形之中使產品的研發和產品對市場的適應都相對滯后，不能很好地滿足用戶需求。為了扭轉這種局面以適應市場需求，2000年東方電機股份有限公司出資注冊成立了全資子公司－東方電機控制設備有限公司。東方電機控制設備有限公司是東方電機股份有限公司集銷售、設計、工藝、采購、制造、質量檢驗到用戶服務等各環節于一體成立的發電控制設備專業公司。公司成立的這五年多時間以來，始終以“始于用戶所需，終于用戶滿意”為經營理念，改革、完善勞動用工制度，建立嚴明高效的內部管理機制，全面實施目標成本控制；努力開拓市場，以元器件全球采購、裝置免維護設計以及產品實現“智能式”操作和維護為理念，升級完善現有產品，強化產品標準化、系列化工作，廣泛與國際一流公司合作，提升技術水平，通過建立完善的質量保證體系，加強質量過程控制，提高服務意識和服務質量，公司技術開發、經營、生產取得了長足發展。公司的快速成長和發展，從另一個角度充分說明了東方電機控制設備前言2多年的技術儲備和經驗底蘊正逐步被市場認同；同時，大型國有企業作風嚴謹，功底扎實的優良傳統和“重合同、守信譽”的良好信譽保障，也重新贏得用戶的信任和青睞。公司概貌

公司生產作業面積近8000m2，電氣產品科研、試驗基地2600m2。設計手段先進，配有多臺HP工作站，引進了美國EDS公司UGII及ANSYS等大型工程軟件包。生產、試驗設備精良，擁有加工設備116臺，各型動態試驗機組四套，進口的發電機電力系統仿真裝置，可進行勵磁系統閉環試驗、并網試驗、PSS試驗。2004年公司為了滿足三峽項目勵磁系統、燃氣輪機項目勵磁系統、SFC系統廠內生產、試驗的要求，投資600多萬元進行廠房改造和試驗設備的升級更新，使生產能力大幅提高，改造后將擁有2600m2全新的、設備齊全和全封閉凈化的科研、裝配和試驗廠房，用于電氣設備生產與試驗，擁有的七個專用勵磁試驗工位，能保證每月同時產出三峽同類型機組勵磁系統兩套。公司以人為本，一支高素質的職工隊伍，是企業走向成功的基礎。東方電機控制設備有限公司擁有一支朝氣蓬勃高素質的科技人才隊伍，300多名職工中，大專以上學歷占總人數的三分之二，其中博士研究生2名，碩士研究生33人（含工程碩士15人）。教授級高級工程師5人，享受政府特殊津貼的專家2人、高級工程師47人，工程師65人。多年的技術儲備和經驗底蘊正逐步被市場認同；同時，大型國有企業3公司從事與勵磁產品相關的專業技術人員共45人，全部擁有大學本科以上學歷，具有10年以上工作經驗并承擔過大型工程項目的高級工程師占62%，工程師占31%，其中包括中國電機工程學會大電機專委會勵磁分專業委員會副主任委員和委員（兼任秘書）各1名、顧問委員（原主任委員、副主任委員）2名。中國電機工程學會大電機專委會勵磁分委會長期掛靠在我公司，為勵磁技術的發展作出了應有的貢獻。為了公司長期發展的需要，公司成立了技術委員會，成員構成除公司內部各專業專家外，還聘請了國內各專業的多名知名專家為非執行委員。公司技術委員負責對公司執行的重大工程項目和科研開發項目進行項目評審、審批和技術監督。公司設有技術開發部，負責公司新產品的開發，技術工程部負責公司工程項目組織實施和全過程管理。勵磁專業設有專業總設計師，在總工程師的領導下，負責勵磁產品的開發和設計的全部技術問題，并且針對三峽項目、燃機項目等國家重點項目，設立專門的項目小組，負責全部工作。公司在產品設計上貫徹“始于用戶所需，終于用戶滿意”的設計理念，始終把高可靠性和免維護性做為用戶的最基本需要，嚴格按照有關的國家標準和國際標準以及技術協議和用戶要求，以國際慣例和當前行業中成熟可靠的技術和控制理論為基礎，來進行系統的設計和配置。以全球采購的原則來采購所需的元器件和部件，并且只選用標準的、成熟的、經過運行證明是可靠的元器件和部件，以保證系統可靠性及免維護性，并為用戶備品備件提供幫助和支持。公司從事與勵磁產品相關的專業技術人員共45人，全部擁有大學本4“九五”、“十五”期間公司受國家有關部門的委托，負責三峽機組勵磁系統國產化研究，以期達到國內能自主生產類似于三峽等級巨型機組勵磁系統的水平。在新產品的科研開發上投入了大量經費，長期與國內著名高等院校（如清華、華中科技大學、浙江大學、四川大學、重慶大學等）以及國外著名公司（如ABB、GE、Siemens、R-R等）進行技術交流、科研合作、技術引進與人員培訓等全方位合作，使公司的技術水平和產品制造能力大幅度提高。為了讓我們與用戶之間有很好的交流，我們特編寫這本“勵磁培訓講義”。目的是讓用戶了解和掌握我們產品的性能和使用方法，同時也介紹勵磁系統的一些基本概念，加深對我們產品功能、特性的全面了解，使我們的產品更好的為用戶服務。“九五”、“十五”期間公司受國家有關部門的委托，負責三峽機組5目錄第一章概述1.1同步發電機勵磁的含義及其調節作用1.2同步發電機勵磁系統的發展簡介1.3同步發電機勵磁系統的分類、組成和特點第二章自并激勵磁系統2.1自并激勵磁系統主電路的接線方式2.2自并激勵磁發電機的起勵2.2.1他勵起勵2.2.2殘壓起勵2.3自并激勵磁發電機短路過程的分析及短路電流計算2.3.1自并激勵磁發電機短路電流的特點2.3.2自并激勵磁發電機短路電流的計算2.4自并激勵磁發電機對繼電保護的影響2.5自并激勵磁系統與電力系統穩定2.5.1自并激勵磁系統對靜態穩定的影響2.5.2自并激勵磁系統對動態穩定的影響第三章同步發電機勵磁系統主回路的分析3.1勵磁變壓器的分析3.1.1兩大類型干式變壓器的比較3.1.2關于“環保特性”3.1.3市場前景展望3.2三相晶閘管整流柜3.2.1晶閘管的結構形式目錄第一章概述63.2.2整流柜冷卻方式3.3同步發電機的滅磁3.3.1常值電阻滅磁3.3.2非線性電阻滅磁3.3.3逆變滅磁3.3.4滅磁方式的探討第四章勵磁裝置的保護4.1過電壓的來源及保護方式4.1.1過電壓的來源4.1.2抑制過電壓的措施4.2過電流保護4.3自并激勵磁系統軸電壓的保護4.3.1軸電壓的來源4.3.2軸電壓的防護第五章微機勵磁調節器5.1勵磁調節器的分類5.2東方GES系列勵磁調節器5.3PCC勵磁裝置產品介紹5.3.1概述5.3.2PCC型的主要特點5.3.3PCC型微機勵磁調節器有以下主要功能5.3.4PCC型微機勵磁調節器的主要技術指標5.3.5工作原理5.3.6軟件介紹3.2.2整流柜冷卻方式75.3.7勵磁變壓器5.3.8晶閘管整流裝置5.3.9滅磁及過壓保護裝置5.3.10起勵方式附東方GES型發電機勵磁裝置電站（廠）調試大綱5.3.7勵磁變壓器8第一章概述1.1同步發電機勵磁的含義及其調節作用1.1.1發電機勵磁的含義發電機是將機械能轉變為電能的機器，但它必須具備有三個條件：a有磁場（轉子）b有導線（定子）c有使導線切割磁力線的動力（水、汽輪機）。因此，所謂發電機勵磁就是用直流電源供給發電機轉子使定子產生電勢的磁場。E=BVlE—發電機內電勢B—轉子產生的磁通密度V—發電機導線切割磁力線的速度l—發電機定子導線的長度從上式中可見，當V、l不變時，E是隨Ｂ的改變（亦即隨轉子電流的大小）而改變。故而研究發電機勵磁就是要控制轉子電流使發電機滿足電力系統各種工況的要求。1.1.2發電機勵磁的調節作用a提高電力系統穩定運行的能力電力系統無論受到任何擾動，通過調節同步發電機的勵磁，使系統穩定運行的能力有所提高。當電力系統受到小干擾或大干擾，導致同步發電機轉速出現小的或者大的變速狀態，使靜穩定性或動穩定性亦或暫態穩定性將受到不利的影響。這時，勵磁控制將使這種影響得到抑制或消除，保持同步發電機的同步穩定。b維持電力系統的電壓水平發電機的內電勢E與發電機端電壓U、發電機的負載電流I及發電機電抗x的關系可由如下公式表示：第一章概述9當電網的負載增大時，亦即發電機電流I增大。從上式中可看出，如E不變，則發電機端電壓U下降。如裝有勵磁調節器，則勵磁電流（即轉子電流）可隨負載的增加而增加，亦即E增加而使發電機端電壓U維持在一定的水平上。相反，在發電機甩負荷后，自動勵磁調節器可以及時減少勵磁電流以限制機端電壓不致過份升高。自動調節發電機的勵磁，可以維持供電系統的無功功率或功率因數保持恒定。電壓恒定是供電質量的一個重要標志。c提高發電機功率極限和電力系統傳輸功率的能力d改善電力系統及同步發電機的運行狀態：提高繼電保護裝置的可靠性；當系統發生短路故障時，通過調節勵磁（強勵），使短路電流衰減得很慢，甚至不衰減。這就保證了短路電流使繼電保護裝置在整定值及時間內準確可靠地動作。平衡并網運行時各臺發電機之間無功功率，使之合理分擔系統所需無功；當系統短路故障消除，自動調節勵磁使其加快系統電壓恢復；通過控制勵磁，除保持同步發電機的恒壓運行外，還可以使系統作恒無功或恒功率因數運行，以提高電力系統運行的經濟性。1.2同步發電機勵磁系統的發展簡介同步發電機傳統的勵磁方式是采用同軸的直流發電機作為勵磁機，提供發電機的勵磁電流。通過勵磁調節器改變直流發電機的勵磁，從而改變供給轉子的勵磁電壓，以調節同步發電機的勵磁電流。眾所周知，這種勵磁方式存在很多問題，如直流勵磁機受制造容量限制；整流子和炭刷維護較麻煩；勵磁調節響應較慢。這些問題使得這種勵磁方式無法適應電力系統發展的需要。半導體勵磁就是為適應電力系統發展需要而出現的一種新的勵磁方式，半導體勵磁是采用大功率的硅整流器或晶閘管組成整流電路，用電子整流方式將交流變換成直流，取代直流勵磁機用機械整流方式獲得直流勵磁電源。從五、六十年代以來電力電子技術、計算機及現代控制理論等新興科學相繼在電力系統中得到應用并發展，這就為充分發揮勵磁控制的作用，解決同步發電機和電力系統的穩定運行創造了條件。國內外的科技工作者相繼研制成功強力式勵磁調節器、電力系統穩定器、最佳勵磁控制器和自適應控制器等，特別是微機被應用于同步發電機勵當電網的負載增大時，亦即發電機電流I增大。從上式中可看出，如10磁系統中，使半導體勵磁技術有了一個質的飛躍。由于微機的應用使勵磁調節功能得到了更大的擴展，為發展更大的同步發電機單機容量、電網的發展和提高電力系統穩定性、可靠性成為可能。我公司在八十年代初就投入到微機勵磁調節器的研制工作中去，相繼研制成功單微機勵磁調節器、雙微機勵磁調節器和三微機勵磁調節器，并應用于同步發電機的勵磁系統中去，取得了很好的效果。1.3同步發電機勵磁系統的分類、組成和特點1.3.1同步發電機勵磁系統的分類同步發電機勵磁系統可分成兩大類，如下表所列帶旋轉部件的勵磁他勵方式直流勵磁機加晶閘管電路控制直流電機的勵磁電流交流勵磁機加靜止硅整流器加靜止晶閘管整流器加旋轉硅整流器（無刷勵磁）加旋轉晶閘管整流器（無刷勵磁）全靜態勵磁自勵方式勵磁變壓器加靜止晶閘管整流器勵磁變壓器加復勵變壓器分別帶可控或不可控整流器在直流側相并聯變壓器與變流器在交流側并聯后加可控或不可控整流器勵磁變壓器加復勵變壓器分別帶可控或不可控整流器在直流側相串聯變壓器與變流器在交流側串聯后加可控或不可控整流器磁系統中，使半導體勵磁技術有了一個質的飛躍。由于微機的應用使111.3.2同步發電機勵磁系統的組成和特點1.3.2.1同步發電機勵磁系統的組成a勵磁系統主回路：由勵磁電源、晶閘管整流器、滅磁回路、起勵回路以及過流、過電壓保護回路組成。b自動勵磁電壓調節器：由測量、給定比較、綜合放大、移相觸發、脈沖放大、加上各種限制器、補償器、功率穩定器等各種功能模塊組成。1.3.2.2同步發電機各勵磁系統的特點1.3.2.2.1他勵勵磁系統他勵勵磁系統的特點是用同軸的交流勵磁機作為主整流器的電源。勵磁電源獨立，不受電力系統運行情況變化的影響。根據所用整流器情況的不同，他勵系統可分成下列幾種形式a交流勵磁機帶靜止硅整流器勵磁方式這種勵磁方式中，由于勵磁機電樞及整流器均靜止不動，其輸出與同步電機勵磁繞組滑環上的電刷相連接，所以又稱為靜態勵磁系統。整個系統中，有與發電機同軸旋轉的100HZ交流主勵磁機，400HZ的中頻永磁式副勵磁機，習慣上將這種勵磁簡稱為“三機”勵磁系統。我公司20世紀90年代生產的200MW，300MW火電機組上，主要應用的就是這種勵磁系統。如下圖所示：1.3.2同步發電機勵磁系統的組成和特點12主勵磁機的輸出經硅二極管整流后供給發電機的勵磁，而主勵磁機的勵磁則取自于同軸的永磁勵磁機。它是由傳統的直流機勵磁方式演變而來的，相當于用靜止的半導體整流器代替了轉動的機械整流器，這不但解決了整流子和碳刷運行維護問題，而且由于交流勵磁機的制造容量可以不受限制，故能適應大型發電機勵磁要求。這種勵磁方式具有下列特點：·勵磁系統完全獨立，不受電力系統運行狀態的影響；·用交流勵磁機供電，勵磁電源可靠，維護工作量較小；·勵磁調節反應速度較快，強勵頂值電壓易于滿足電力系統穩定性的要求；·副勵磁機帶晶閘管整流橋負載后，受每個周波內晶閘管換流的影響，輸出電壓的波形要產生畸變，給勵磁裝置的運行帶來不利的一面，須在裝置中采取措施進行避免；·存在轉動部件維護麻煩。b

交流勵磁機加旋轉硅整流器勵磁方式（無刷勵磁）這種勵磁方式的原理與上述他勵靜止整流勵磁方式相同，但結構不同。交流勵磁機的直流勵磁繞組固定不動，勵磁機的交流電樞繞組、硅整流器與主機勵磁繞組一起，在一根轉軸上旋轉，因而發電機的勵磁繞組與硅整流器處于相對靜止的位置，直接電連接在一起，沒有了將靜止部件中的電流引入旋轉部件的滑環電刷結構，故稱無刷勵磁。主勵磁機的輸出經硅二極管整流后供給發電機的勵磁，而主勵磁機的13無刷勵磁的主要優點是：·沒有整流器（子）、滑環、碳刷，不需要進行這方面的維護工作，也無機械換向事故，運行的可靠性提高了；·沒有碳粉和銅沫引起電機線圈污染，故電樞繞組絕緣的壽命較長；·沒有滑環容量的限制，勵磁機的容量可以作的很大，與“三機”勵磁系統相比，相近的勵磁調節性能，隨著單機容量的進一步增大，無刷勵磁更優越些；·在易燃、易爆的環境條件下，無刷勵磁不會因滑環的滑動電氣接觸而產生火花造成惡性事故。由于取消了整流器（子）和滑環，在帶有腐蝕氣體場所，只要對絕緣采取措施，亦可運行。無刷勵磁在運用過程中也存在著下列幾個方面的問題：·無刷勵磁主要是從發電機及勵磁系統的整體性出發形成的，其投入、切除及運行，均以整機為單元，因而對勵磁系統內的各組件要求很高，而旋轉整流器及其輔助設備（熔斷器，電阻，電容等），在運行中要承受強大的離心力，對這些部件間的機械連接和電連接是一個極大的考驗，要求有很高的維護檢修水平；·發電機的勵磁是通過調節交流勵磁機的勵磁來間接調節的，而交流勵磁機作為一個機電組件，其時間常數較大，使勵磁系統的反應速度降低；·發電機的轉子電流、電壓不能直接測量；·由于發電機轉子與硅整流器在一根軸上旋轉，目前尚無法在發電機磁場回路中裝入滅磁開關及滅磁電阻，當發電機內部及外部故障，需要立即進行停機滅磁時，無刷勵磁不能馬上直接對發電機磁場回路進行滅磁，而是通過對主勵磁機磁場回路進行滅磁來間接對發電機進行滅磁，滅磁時間較長，對事故的迅速處理不利，這是這種勵磁方式的最大缺陷；·對旋轉元器件的故障檢測與報警技術有待進一步完善；·發電機轉軸上增加了旋轉硅整流器盤及其輔助部件，轉軸長度勢必增加，這樣又增加了整個汽—電機軸系的長度和重量，這對整個軸系的穩定是不利的。1.3.2.2.2自勵勵磁系統無刷勵磁的主要優點是：14這類勵磁系統的共同特點是勵磁電源取自發電機自身，用勵磁變壓器或與勵磁變流器共同供給整流裝置變換成直流后，再供給發電機本身，這種勵磁系統稱為自勵勵磁系統。按勵磁功率引出方式的不同，自勵勵磁系統可分為自并激勵磁系統、自復激勵磁系統二種，常用的、且應用也最廣的是自并激勵磁系統。a

自并激勵磁方式（電勢源靜止勵磁機系統）這是自勵勵磁系統中接線最簡單的一種勵磁方式。其典型原理圖如下所示：自并激勵磁系統原理圖勵磁電源由一臺接于機端的勵磁變壓器取得，經變壓器ET降壓后，接入晶閘管整流器SCR，通過晶閘管整流成直流后，供給發電機磁場繞組。自動勵磁調節器從發電機機端取得信號，控制晶閘管的導通角，從而按需要控制發電機勵磁電流。自并激勵磁方式的主要特點是：設備和接線比較簡單；由于無轉動部分，具有較高的可靠性；造價低；勵磁變壓器放置自由，縮短了機組軸系長度；勵磁調節速度快。因為勵磁電源相對不獨立，故而需要起勵電源；由于整流輸出的直流頂值電壓受發電機端或電力系統短路故障形式（三相、二相或單相短路）和故障點遠近等因素的影響，因而被懷疑是否能滿足強勵的要求等等。目前這些技術問題都已相繼得到解決。這類勵磁系統的共同特點是勵磁電源取自發電機自身，用勵磁變壓器15b自復激勵磁方式（復合源靜止勵磁機系統）勵磁電源除來自機端的勵磁變壓器外，還取自于與發電機定子回路串聯的勵磁變流器，這就是自復激勵磁，其原理圖如下所示：按照勵磁電源在交流側或是直流側復合，自復激又可細化為四種勵磁方式：·直流側并聯自復勵方式；·直流側串聯自復勵方式；·交流側并聯自復勵方式；·交流側串聯自復勵方式。其中交流側串聯自復勵方式最常用，故而介紹此種勵磁方式。 這種勵磁系統中晶閘管的陽極電壓是與定子電流成比例的勵磁變流器（串聯變壓器）的二次電壓與機端供電的勵磁變壓器二次電壓相量和，經過晶閘管橋整流輸出的勵磁電流能反應定子電壓、定子電流和功率因數的變化。用自動勵磁調節器控制晶閘管的觸發角來調節勵磁電流的大小。其主要特點為：時間常數小，反應迅速，調節靈敏；當發電機近端短路時，能迅速強勵，機組不易失磁；勵磁系統受電網干擾小；與自并勵相比較，接線較復雜，設備較多；勵磁變流器副方尖峰過電壓問題較嚴重；同樣需要起勵電源。b自復激勵磁方式（復合源靜止勵磁機系統）按照勵磁電源在交16第二章自并激勵磁系統目前由于自并激勵磁系統自身的優點，已在國內、外水、火電的大、中、小型同步發電機組上得到廣泛的應用，因此對該勵磁系統進行著重的介紹。2.1自并激勵磁系統主電路的接線方式這是自勵勵磁系統中接線最簡單的一種勵磁方式。其典型原理圖如下所示：自并激勵磁系統原理圖勵磁電源由一臺接于同步發電機機端的勵磁變壓器取得，經變壓器ET降壓后，接入晶閘管整流器SCR，通過晶閘管整流成直流后，供給發電機磁場繞組。自動勵磁調節器從發電機機端取得信號，控制晶閘管的導通角，從而按需要控制發電機勵磁電流。勵磁變壓器通常采用環氧澆注、干式、自冷型式，有溫控報警，其高壓側不設自動開關，副邊根據需要可設、可不設開關或自動開關。高壓側接線必須包括在發電機的差動保護范圍之內。副邊出線口裝有電流互感器TA，作為勵磁調節器的測量轉子電流信號。勵磁變壓器繞組的聯接組別一般為Y/d－11，也有采用D/y－11，目的為了消除由于晶閘管整流換向引起波形畸變所產生高次諧波中的三次諧波及其三倍的高次諧波之影響。第二章自并激勵磁系統自并激勵磁系統原理圖172.2自并激勵磁發電機的起勵當機組啟動后，在轉速接近額定值時，機端電壓為殘壓，其值一般較低（約為額定電壓的1%~2%）。這時由于同步電壓太低，調節器可能還不能正常工作，晶閘管不能開放，故而沒有勵磁電流送出使發電機建立電壓。因此，必須采取措施，先供給發電機初始勵磁，以便發電機能夠建立起一定的電壓，完成起勵過程。起勵措施有兩類。第一類是他勵起勵，第二類是殘壓起勵。a他勵起勵其基本作法是另設起勵回路，由另外的電源供給初始勵磁電流。起勵電源可以是廠用蓄電池（直流），也可以是廠用交流電。廠用交流電一般通過起勵變壓器降壓后，由二極管整流變成直流。然后通過限流電阻和直流接觸器，將起勵回路接入發電機磁場回路。對采用廠用蓄電池電源的，起勵回路中須接入一正向二極管，防止發電機建壓過程中的反充電。起勵時，起勵接觸器閉合，勵磁電流送入發電機磁場繞組，發電機電壓逐漸升高。當電壓升至額定電壓的10%~30%時，起勵回路斷開，進行自勵。起勵電源容量和電流的選擇，一般遵循這種原則：起勵電流選擇為發電機空載額定勵磁電流的10%左右，持續時間5~6秒。b殘壓起勵當發電機殘壓較高（約5%以上）時，可利用殘壓起勵。這要求勵磁調節器在同步信號為5%以上時，能輸出觸發脈沖，使在起勵初始階段，整流橋中的晶閘管完全導通。然后在勵磁調節器的控制下，將發電機的電壓升至所整定的電壓。目前采用微機勵磁調節器后，對于同步信號可降低至2%～5%左右時即可殘壓起勵。當殘壓不能滿足起勵要求，經過幾秒鐘的延時，自動投入他勵起勵方式。2.3自并激勵磁發電機短路電流的特點及計算2.3.1自并激勵磁發電機短路電流的特點由于自并激勵磁的勵磁電源取自于發電機機端，因此當自并激勵磁發電機發生短路時其短路電流與常規勵磁發電機發生短路時的短路電流有一些共同點，也有其特殊性。共同點為：一是兩種勵磁方式的發電機短路電流的超瞬變分量是相同的，因為超瞬變分量由發電機阻尼繞組的參數決定，與勵磁方式無關；二是兩種勵磁方式的短路電流2.2自并激勵磁發電機的起勵18

的瞬變分量的起始值相等，因為它是由勵磁繞組磁鏈守恒原理決定的，也與勵磁方式無關。其特殊性為：瞬變分量衰減的時間常數二者不同，而且當近端三相短路時，自并激勵磁發電機的短路電流會一直衰減到零，沒有一個穩定值。注：常規勵磁是指采用半導體勵磁調節器的直流勵磁機方式和交流勵磁機帶硅整流器的勵磁方式。這兩種勵磁方式都存在著勵磁機勵磁繞組的時間常數，因此整個勵磁系統的時間常數較大。2.3.2自并激勵磁發電機短路電流的計算目前采用自并激勵磁系統的發電機在機端至主變的引線均采用封閉母線，使機端發生短路的概率很小。故以主變高壓側發生三相短路時這一最為嚴重故障工況來計算其短路電流。幾個假設：·根據發電機組的額定容量SGN，取主變容量ST為1.1×SGN，主變壓器的阻抗為UK%=14%·短路前機端電壓為UGN·短路前發電機為空載即Ed=Ed′=Ed″=1·短路切除時間速動為0.5s，后備保護動作切除時間為3s。a發電機短路電流計算的瞬變分量的起始值相等，因為它是由勵磁繞組19b三相突然短路瞬間陽極電壓的計算

式中：KfT——勵磁變壓器變比——發電機額定相電壓c三相突然短路瞬間勵磁系統提供的轉子電壓的計算——自并激勵磁發電機短路時，勵磁回路等效時間常數。d計算短路臨界切除時間（Id衰減到10%Idk時）b三相突然短路瞬間陽極電壓的計算式中：——自并激勵磁發20實際應用證明，按照我公司對勵磁變壓器選擇的參數能滿足在主變高壓側三相短路時0.15～0.5s速動切除短路點和后備保護3s內動作切除短路點后，發電機能自動建壓恢復運行。2.4自并激勵磁發電機對繼電保護的影響自并激勵磁發電機發生近端短路（特別是三相對稱短路）時，短路電流迅速衰減，這對繼電保護動作來說，在強勵能力不足的情況下會使其后備保護無法動作。因此對自并激勵磁系統必須采取相應的措施。目前在大、中型水、火電機組上機端到主變壓器的引線（包括到勵磁變壓器的高壓側的引線）均采用封閉母線，這就使具有自并激勵磁系統的發電機發生近端短路（包括三相短路）的概率達到非常非常小，幾乎為零。如果短路發生在主變高壓側（以三相短路為例）根據實例計算能保證繼電保護在0.15～0.5s速動，后備保護在3s內動作時短路電流衰減在1.5～1.7倍以上。另外也可采用過電流起動“記憶”帶時延的低電壓保護。當發生短路時電流突增，電壓突降，電流繼電器起動后仍然保持著它的作用（記憶），如果在整定的時間內電壓還不恢復，電壓繼電器一直在起動狀態，則動作于跳閘。2.5自并激勵磁系統與電力系統穩定先介紹電力系統穩定的基本術語：·靜態穩定：指電力系統的負載（或電壓）受到微小擾動時，系統本身保持穩定傳輸的能力。這主要涉及到發電機轉子功角過大而使發電機同步能力減少的情況。·動態穩定：主要指系統遭受大擾動之后，同步發電機保持和恢復到穩定運行狀態的能力。失去動態穩定的主要表現形式為發電機之間的功角及其它量產生隨時間而增長的振蕩，或者由于系統非線性的影響而保持等幅振蕩。這一振蕩也可能是自發性的，其過程較長。如果在大擾動事故后，采用快速和高增益的勵磁調節系統所引起的振蕩頻率在0.2～3Hz之間的自發振蕩，屬于動態穩定范疇。2.5.1自并激勵磁系統對靜態穩定的影響由于自并激勵磁系統的反應靈敏、調節速度快，對于同步發電機遭受微小擾動時，根據理論分析和實驗證明，自并激勵磁系統的發電機可穩定運行在極限功率角δmax為110°～130°的范圍內（常規勵磁系統極限功率角δmax為90°）。實際應用證明，按照我公司對勵磁變壓器選擇的參數能滿足在主變高212.5.2自并激勵磁系統對動態穩定的影響當電力系統遭受大擾動（如突然短路并切除）之后，機端電壓下降，勵磁系統給出頂值電壓進行強勵，并平息振蕩。過去人們認為，自并激勵磁系統在短路時強勵能力不足，動穩定極限低。但是應該從短路地點、短路種類作具體分析。對于遠方短路，電壓下降不多不影響強勵倍數。對于近端不對稱短路，特別是單相短路，也不影響強勵倍數。對于主變高壓側（目前在大、中型發電機組的出口端到主變副邊都采用封閉母線，故而近端不太可能發生三相短路）三相短路，由于主變有一個短路阻抗，因而機端電壓不可能降到零，故而還有一定的強勵作用，另外在大、中型發電機組中，本身有一定的固有強勵倍數，因而只要在0.15～0.7s內切除短路點，自并激勵磁系統隨著電壓的恢復，強勵能力也就恢復。2.5.2自并激勵磁系統對動態穩定的影響22第三章同步發電機勵磁系統主回路的分析同步發電機勵磁系統主回路包括有：勵磁變壓器、晶閘管功率裝置、滅磁裝置及過電壓保護裝置（保護裝置在第四章單獨闡述）。3.1勵磁變壓器的分析在自并激勵磁系統中勵磁變壓器是一個很重要的設備，一般采用干式、環氧澆注型的變壓器，也有提出采用紙絕緣，那末它與環氧澆注型有何不同，下面作一些簡單的介紹。變壓器分成干式和油浸式兩種絕緣冷卻方式。而干式變壓器又可分為環氧澆注型（包括帶填料與不帶填料的，注型式與繞包式等），其絕緣耐溫等級為B、F、H級，以F級應用最多；另一類型則是浸漬式（包括繞組絕緣材料用NOMEX紙的以及不用NOMEX紙的等類型），其絕緣耐溫等級一般為H級。3.1.1兩大類型干式變壓器的比較a機械強度和耐受短路的能力：環氧澆注式線圈的整體機械強度好，耐受短路的能力最強，因為其高、低壓繞組是在模具內進行整體澆注，經加熱固化成型，從而形成一個機械強度很高的圓柱體，由于沒有墊塊這類支撐點，所以導線不會承受彎曲應力。無論對突發短路時的軸向電動力或幅向電動力均有很強的耐受能力，因而機械強度高可以認為是環氧澆注干變的最大優點。無論從運行實踐或突發短路試驗結果都證實了這點。浸漬式干變主要采用餅式線圈，低壓導線與鐵心之間靠撐條支撐。而作為餅間絕緣介質的空氣其絕緣強度又大大低于環氧樹脂，所以軸向絕緣尺寸較大，相應餅間電容較小，因而在沖擊過電壓作用下的過電壓分布特性較差，其機械強度與耐受短路電動力的能力就大大不如環氧澆注式干變。根據發達國家的經驗，采用NOMEX紙、VPI（真空壓力浸漬）工藝的開敞通風式H級干變，其BIL（基準沖擊水平）值最高僅能達150千伏，相應只能制造33千伏級的干變。相反，國際公認的環氧澆注干變的BIL值可達250千伏，即可以制造到66千伏級的干變。由于環氧澆注式干變采用層式線圈，沿其軸向可設置多個散熱風道，故可以制造大容量的干變。目前國際公認：環氧澆注式干變的最大容量可達2萬千伏安，而浸第三章同步發電機勵磁系統主回路的分析23漬式干變僅能達到0.8-1萬千伏安。因此，要生產高電壓、大容量的干變，非環氧澆注式莫屬。b損耗及過載能力：從理論上來說，干變的過載能力是與其熱容量成正比，而與其負載損耗成反比的，采用餅式線圈的浸漬式，其自身的散熱性能并不優于環氧澆注式，所以，絕不能簡單地說浸漬式干變的過載能力就一定優于環氧澆注式。環氧澆注式干變的環氧樹脂耐電壓強度較之空氣要高出許多（約3.5～4倍），其線圈包封為2mm樹脂層，在同等絕緣水平條件下，浸漬式干變線圈的段絕緣距離、主風道距離和餅間絕緣距離較環氧澆注式干變大15％。因而在同等耐電壓絕緣水平和尺寸條件下，根據對比計算分析和制造試驗驗證，浸漬式干變的損耗較環氧澆注式干變大15～20％。另一方面，在同等絕緣水平和尺寸條件下，相同的絕緣等級(H級)，由于環氧澆注干變的額定損耗和額定溫升低，具有節約能源環保的優點，同時由于額定溫升低，其過載能力強。只有當不僅線匝的絕緣采用NOMEX紙，而且所有繞組的絕緣件（如撐條，墊塊等）也都采用NOMEX紙件來制造時，這樣的浸漬式干變才具有較強的過載能力。這是由于NOMEX紙是C級絕緣材料，其耐熱溫度可達220℃，故用它來制造H級（耐熱溫度為180℃）的干變，一開始就存在有20%左右的過載熱裕度之故。但是NOMEX紙的價格昂貴，我國目前生產H級浸漬式干變的廠家，往往只是在匝絕緣中使用它，而繞組的其他絕緣件都采用一般的H級材料。因而對這樣的H級干變，就不能一概認為它具有較強的過載能力。目前國產的浸漬類干變都是H級的，由于其損耗標準較高，這對節能降耗不利。從理論上來說，H級產品較之F級可以尺寸更小，重量更輕，但實際上從各廠的產品樣本看，這兩種類型產品并無多大差異。c防潮及耐腐蝕性能：環氧澆注式干變的防潮及耐腐蝕性能比較好，尤其適用于在極端惡劣的環境下工作；相反，傳統浸漬式干變的主要缺點就是防潮性能差，且容易吸塵，在投入運行前需要預熱等。即使在采用NOMEX紙以及真空壓力浸漆等新工藝后，雖然這些缺點可以一定程度得到克服，但一些本質上的問題卻依然存在。d局部放電與運行壽命：由于環氧澆注式的線圈經過真空處理和澆注成型，匝間和層間無氣泡，在同類產品中，其局部放電最低；此外環氧澆注式干變的機械強度高，在短路電動力的作用下不漬式干變僅能達到0.8-1萬千伏安。因此，要生產高電壓、大容24會變形，且防塵、防污性能好。故運行壽命長。根據國外的報導，其運行壽命較之OVDT類干變要長。以往影響環氧澆注變壓器運行可靠性與壽命的主要問題是澆注線圈的開裂。但是隨著薄絕緣玻璃纖維增強結構的采用以及原材料的進步和澆注工藝的改進，目前這一問題已很好解決。當然一旦樹脂混料不均勻或澆注工藝有缺陷時，仍有開裂或內部出現氣泡而使局部放電增大等事故產生。相反，浸漬式干變卻無需擔心開裂，在采用NOMEX紙后，由于匝絕緣較薄，繞組內部的溫度分布也比較均勻。浸漬式干變的最大優點是無需澆注設備與模具，初期投資可大大節省，另外，產品設計的靈活性也較大，特別是生產油浸式變壓器廠轉產這類產品較容易。e運行維護：環氧澆注式的運行維護工作量可認為是很小的，特別是可以立即從備用狀態下投入運行而無需預熱去潮。這是因為它的防潮、防塵性能好，無需預熱。因而可立即投運并帶負荷運行。浸漬式線圈的表面是靠真空壓力浸漆（VPI）后的薄的復蓋絕緣層來絕緣的，所以這種變壓器在停運狀態下，就容易因吸潮而降低其絕緣水平，在投運后可能引起局部放電增大，甚至發生絕緣擊穿等嚴重事故。因此，為可靠起見，當停運一段時間后再重新投運時必須先行預熱去潮后，才能投運帶負荷，這樣勢必造成停電后投運時間的延長，對可靠性造成一定影響，且維護工作量也較大。3.1.2關于“環保特性”a從材料的環保特性到產品制造與運行的環保特性NOMEX紙作為已有多年使用業績并經認證的一種材料，其環保特性是獲得認可的。至于其他一些H級材料及浸漆生產過程，在環保特性方面的優越性如何，現仍缺乏足夠的依據。對環氧樹脂材料而言，本身既是無毒的且在制造過程中也不污染環境，在環氧樹脂澆注干變制造中，環氧樹脂復合材料主要應用在線圈澆注絕緣、鐵心綁扎涂覆、以及各種絕緣成型件。環氧樹脂澆注干變結構設計時，選用環氧樹脂作為固體絕緣，這種絕緣技術本身賦予了變壓器運行時無油化、難燃防火的環保特性；環氧樹脂固體絕緣干式變壓器，在運行中沒有溫室氣體泄漏，無油污，難燃防火，環氧樹脂配方中沒有鹵素和硫元素，即使著火燃燒也不會有鹵素化合物以及硫化物的產生，燃燒時主要分解

會變形，且防塵、防污性能好。故運行壽命長。根據國外的報25

產物為H2O、CO2等，沒有毒害氣體產生，故不會對人員和環境有任何危害，即使燃燒也不會放出有害氣體。應當指出的是，薄絕緣環氧樹脂澆注式干變，在燃燒時所釋放的能量與NOMEX紙及用其它H級絕緣材料制造的浸漬類干變相比，也是較小的。2000年曾將一臺薄絕緣環氧樹脂澆注式630kVA的干變在法國順利通過F1級的燃燒試驗，這證明它滿足最新國際標準中對干變燃燒特性的要求的。另外，我國的一些大型工程中還直接從歐洲一些著名廠家進口了一批大容量環氧澆注式干變，而這些干變都是通過了燃燒特性、環境特性以及氣候試驗這三項特殊試驗的。這說明環氧樹脂干變的使用是符合環保要求的。b產品壽命終結后回收降解處理的環保問題根據近年來對歐洲和美國所做的調查，國外廠家都明確表示：兩種產品的回收處理是相似的。產品壽命終結后的最終處置原則是回收利用可再生資源，環保處理廢棄物料。對環氧樹脂澆注干式變壓器而言，就是拆解變壓器，回收鋼結構件及硅鋼片；分解線圈，回收銅(鋁)導體；剩余的少量環氧樹脂絕緣材料進行環保處理，這包括有三種途徑：焚燒（發電）、地下填埋、粉碎后用作建筑材料。它的廢棄物處理不會造成對環境的污染，已用于道路填埋、公路建造中。3.1.3市場前景展望目前就世界范圍來看，環氧澆注干變主要應用于歐洲以及亞州的中國、日本、韓國以及東南亞等廣大地區，而浸漬式干變則主要是美國應用較多，這與NOMEX紙的產地是美國等特殊國情有關。總的來說，就全世界而言，環氧樹脂式的市場占有率要顯著高于浸漬式干變。迄今，我國的環氧澆注式干變無論是工廠規模、產量或是技術水平都已達到世界先進水平，2002年其總產量約為20000MVA，約占我國干變市場份額的95%。從全世界來看，預期今后在相當一段時間內，這兩大類型的干變都將共存，也正如前所述，它們也各有其優缺點。但由于我國這10多年來在環氧樹脂干變制造技術上所取得的成就，以及它本身所固有的許多優點，并考慮到使用部門早已熟習了這類干變的運行維護，因而，從保證運行可靠性，減少備品、備件的品種以及提高運行、檢修效率等方面來看，今后還是會大量使用環氧澆注式干變，這也與歐洲等發達國家的先例是完全一致的。產物為H2O、CO2等，沒有毒害氣體產生，故不會263.2三相晶閘管整流柜3.2.1晶閘管的結構形式在晶閘管的結構選擇上，目前國際上主要有兩種結構，SIEMENS、英國R-R、和GE均為抽屜式結構，即每個晶閘管、脈沖放大、檢測、阻容保護等元件均通過獨立框架組合成一個獨立的晶閘管模塊組件，選取六只模塊組件可以組成一個全控整流橋，冷卻風道由然結合而成，這種方式造成了各廠家的晶閘管模塊組件內部結構完全不同，不具有互換性。我公司采用的是平板式結構晶閘管，晶閘管橋安裝在一塊整體絕緣板上，分為上、下兩層布置，+U、+V、+W相晶閘管在上部，-U、-V、-W相晶閘管在下部，在晶閘管U、V、W相元件間安裝耐高壓絕緣隔板（有些小型的機組或陽極電壓不太高的可不安裝），用以防止晶閘管相間短路，冷卻風道采用高絕緣的阻燃透明PC板經熱壓后成形，由面板和側板緊貼晶閘管拼裝組成，外觀質量好，加工方便，結構簡捷，該結構的風道由于較好的密閉，不存在漏風，最有效地達到散熱效果，對發熱元件如熔斷器，風道開有導風泄漏孔，以便冷卻熔斷器。風道中除去晶閘管散熱器及管芯占據的位置后，有效的風道通風面積為0.2m2，風阻限制在一定范圍內，確保上、下兩層晶閘管的可靠散熱。風道設計時，考慮了進風口和出風口溫差小于10K，因此雖然串聯風道中各層之間的進風溫度有差別，但在允許誤差內。平板式結構晶閘管是標準結構的晶閘管，通用性、互換性很強。為了保證勵磁系統安全可靠地運行，在晶閘管整流橋交流側加裝整流橋式阻容吸收器電路、在每只晶閘管元件兩端并聯R-C阻容吸收電路以減少換相過電壓，同時減小直流輸出的毛刺電壓。晶閘管側的吸收電路設計在散熱器旁，減少線路電感，保證散熱，而且美觀。晶閘管安裝方式見下圖。3.2三相晶閘管整流柜273.2.2整流柜冷卻方式目前，晶閘管的冷卻普遍采用強迫風冷，對于小功率元件也有采用自然冷卻和熱管冷卻的。在幾種冷卻方式中，以強迫風冷為主，強迫風冷也有集中冷卻和獨立冷卻之分。采用風冷的國外知名生產廠家有ABB、西門子、ALSHTOM、羅爾斯-羅易斯等公司，國內廠家也絕大部分采用強迫風冷的冷卻方式。雖然均為風冷系統，但設計上也有區別。ABB公司在冷卻系統中采用雙風機結構，風機置于柜底，獨立冷卻。西門子是將風機裝于柜頂，雙風機互為備用，加拿大GE公司的功率柜風冷有特色，專門有一個風冷柜，由2臺主備工作的風機抽風，通過風道走廊送到各柜體供風，冷卻效果好，屬集中冷卻，但體積龐大，不方便水電站機旁柜體布置。一般強迫風冷方式風機可以安排在整流橋或柜頂上部，也可以安排在下部，如果風機裝在柜體頂蓋上方，優點是風機的型號便于選擇。目前，這類風機使用軸流式風機，規格齊全。另一優點是不占柜體空間，柜內可布置更多排晶閘管，安裝較多的部件。但是，柜頂布置風機也有許多缺點：頂部安裝風機振動大，噪音高，可靠性差。在運輸時，由于功率柜尺寸高于其它柜體尺寸，給包裝運輸帶來困難。有時需要將風機單獨發貨，到現場后裝配，均有些不便。在現場布置中，頂裝式風機也不與其它柜體協調，不美觀。針對目前對功率柜提出的高可靠性、大容量、小振動、低噪音等要求，通過吸收國內外先進經驗，我公司設計了內置式專用風機箱，安裝在柜體底部。風機箱內安裝二臺進口高轉速、低噪聲風機，可以將柜外的風通過前門的進風過濾網抽進后直接在風道內吹向晶閘管整流橋，對晶閘管整流橋進行強迫冷卻，熱風由柜頂的通風道排出柜外。每個風機都單獨裝有行程檢測開關，當某一風機故障時，行程開關動作，發出報警，冷卻風機采用單相220V雙回路電源供電，兩路電源能相互閉鎖和切換，完全達到100%的冗余效果，使整流裝置實現了真正的振動小、噪音低、可靠性高，保證了柜內電氣部件的長期可靠工作。另外還可將AC380V三相電源分相接于各柜，避免了三相電源斷相造成各柜風機全停引起的故障。3.3同步發電機的滅磁滅磁的作用是當發電機內部及外部發生諸如短路及接地等事故時迅速切斷發電機的勵磁，并將蓄藏在勵磁繞組中的磁場能量快速消耗在滅磁回路中。快速滅磁有兩種方式：一種是耗能型的，即將磁場能量消耗在磁場開關裝置中，應用3.2.2整流柜冷卻方式28最為廣泛的是DM—2型和DW10M型。目前已基本不采用DM—2型磁場開關，因其自身有一些致命的缺點。DW10M型在要求不高的小型機組上還可以采用。另一種滅磁方式是移能型的，即將磁場能量由磁場斷路器轉移到線性或非線性電阻耗能元件中。現已大量應用在各種類型的發電機組中。一般認為水輪發電機組由于轉子本體的阻尼作用較小，在滅磁時勵磁回路中的磁場能量幾乎為滅磁裝置全部吸收，因此需要快速滅磁，以阻止事故的擴大。在采用交流勵磁機或自勵晶閘管勵磁系統中，滅磁方式多數采用磁場斷路器加SiC（進口）或ZnO非線性電阻滅磁，并和逆變滅磁配合使用。對于汽輪發電機，鑒于轉子本體具有很強的阻尼作用，由阻尼繞組全電感及電阻所決定的阻尼繞組時間常數TD遠大于由阻尼繞組漏電感及電阻之比所決定的超瞬變時間常數Td″，因此，盡管采用快速滅磁系統，也只能加速縱軸勵磁繞組回路中的轉子勵磁電流的衰減，而不能使蓄藏在發電機轉子本體以及橫軸阻尼繞組中的能量迅速消失，且往往這部分在一定的條件下占的比例還比較大，例如一臺400MW的汽輪發電機在功率因數為1時，其橫軸磁通分量為87%，縱軸磁通分量為48%，因此得不到快速滅磁的效果。故而對于大型汽輪發電機多采用簡化的滅磁方式：a無刷勵磁系統因無法在發電機勵磁繞組回路中接入滅磁裝置，故只能在交流勵磁機勵磁繞組側進行滅磁，而發電機勵磁回路則經旋轉整流器按相應發電機時間常數進行自然滅磁。b交流主、副勵磁機的靜止整流器勵磁系統國外均以在交流主勵磁機勵磁回路設置磁場開關作為典型滅磁方式。國內則多以在發電機主勵磁回路設置兩或三斷口磁場斷路器及線性電阻作為主要滅磁方式。c靜止自勵系統國外采用磁場斷路器加線性電阻或SiC非線性電阻的滅磁方式。國內也采用磁場斷路器加線性電阻或SiC（進口）或ZnO非線性電阻的滅磁方式。在正常滅磁時，一般采用逆變滅磁。下面介紹三種常用的滅磁的方法：3.3.1常值電阻滅磁這種滅磁方式運用范圍較廣，其原理是：發電機正常運行時，磁場開關處于閉合狀態。當發電機需要滅磁時，磁場開關常閉主觸頭閉合，在磁場回路接入滅磁電阻，最為廣泛的是DM—2型和DW10M型。目前已基本不采用DM—29緊接著磁場開關常開主觸頭斷開，切斷磁場電源回路。發電機磁場的儲能，通過轉子繞組電阻和滅磁電阻進行消耗，轉子回路的電流呈指數規律衰減。衰減的快慢取決于，滅磁電阻的大小及滅磁時轉子滑環間最高容許電壓。如取滅磁時轉子滑環間最高容許電壓為發電機額定勵磁電壓的5倍，則滅磁電阻Rm為勵磁繞組電阻的5倍，并以轉子繞組電流Ifd衰減到初值的1%所經過的時間為滅磁時間Tm，則可計算出滅磁時間為：Tm=0.77T’do其中：T’do——發電機定子繞組開路時轉子繞組時間常數需要指出的是，如果發電機的勵磁電源取自交流勵磁機，則發電機滅磁時，突然斷開勵磁機電樞回路，相當于勵磁機甩負荷，會在勵磁機磁場回路感生出很高的過電壓，因而在勵磁機的磁場回路也應裝設滅磁電阻，其電阻值一般選取勵磁機勵磁繞組電阻的10倍左右，并通過磁場開關聯動投入。3.3.2非線性電阻滅磁利用放電電阻滅磁的方案，由于受轉子容許過電壓的限制，放電電阻不能取得太大，滅磁時間還是較長。如果采用非線性電阻作為放電電阻，則滅磁性能就好得多。非線性電阻的特性是，其兩端電壓衰減速率遠遠小于其電流衰減速率。當通過其電流較小時，它呈現的動態電阻較大，通過其電流較大時，它呈現的動態電阻較小。適當選擇非線性電阻的特性和阻值，可以在滅磁初瞬使轉子電壓不超過容許值，在其后的滅磁過程中，電壓變化率基本上接近于恒定，即電壓值基本不變，滅磁曲線接近理想滅磁曲線，滅磁時間就短得多了。非線性電阻根據閥片的材質不同可分為碳化硅（SiC）和氧化鋅(ZnO)非線性電阻，就其非線性特性而言，氧化鋅非線性電阻優于碳化硅非線性電阻，且氧化鋅非線性電阻具有較小的泄漏電流和較陡的非線性特性。非線性電阻其端電壓與通過非線性電阻電流的函數關系可表示如下：緊接著磁場開關常開主觸頭斷開，切斷磁場電源回路。發電機磁場的30式中：C——非線性電阻位形系數，與閥片的材質、幾何尺寸以及電阻串、并聯組合方式有關β——非線性電阻系數，與電阻閥片的材質有關α——非線性電阻系數，與電阻閥片的材質有關。它與的關系為：α=1/β氧化鋅非線性電阻α=20～40，即β=0.025～0.05；碳化硅非線性電阻α=2～4，即β=0.25～0.5如取滅磁初瞬轉子過電壓值倍數為5倍，采用氧化鋅非線性電阻滅磁，其非線性系數β=0.025，則此種滅磁方式的滅磁時間為：Tm=0.187應說明的是，上述的滅磁時間是基于理想滅磁過程得出的結論。3.3.3逆變滅磁在滅磁過程中，如果向轉子勵磁繞組施加一個比較大的負值恒定電壓，則可認為轉子電流基本上按直線率下降，滅磁時間就會加快，而轉子過電壓又在容許范圍內。這正是晶閘管全控橋的一個特性，即在滅磁時把晶閘管控制角α后退到最小逆變角βmin的位置，使整流橋由“整流”工作狀態過渡到“逆變”工作狀態，這樣加到轉子勵磁繞組上的就是一個恒定的負值電壓。逆變狀態的深淺受晶閘管最大控制角（逆變角）的控制，逆變角的大小直接決定了逆變時勵磁繞組兩端負值電壓的大小。當靠近發電機出口短路，在強勵之后進行逆變滅磁時，逆變產生的負值電壓與滅磁初瞬時的勵磁電壓比值a取為1，則滅磁時間為：Tm=0.7當發電機在額定工況下進行逆變滅磁時勵磁電壓比值a取為1.5，則滅磁時間為：Tm=0.51由此可見，逆變滅磁比非線性電阻滅磁的滅磁時間要長些，但過電壓倍數也低些。當逆變進行到勵磁繞組中的剩余能量不能再維持逆變時，三相全控橋的電流為零，逆變便結束。式中：31一般說來，逆變滅磁總是和磁場開關加非線性電阻滅磁方式配合起來使用，發電機正常停機時采用逆變滅磁，事故停機采用磁場開關加非線性電阻滅磁方式。而對帶靜止硅整流器的“三機”勵磁系統，事故停機時對主勵磁機磁場采用逆變滅磁，對發電機磁場采用其他方式滅磁。但對帶副勵磁機的無刷勵磁系統，無論是正常、還是事故停機，對主勵磁機磁場的逆變滅磁，則是一種主要的滅磁方式。3.3.4滅磁方式的探討：隨著電力系統的擴大和同步發電機單機容量的增長，快速切除故障電流是確保電力系統穩定和安全運行的必要條件。當發電機內部或外部（發－變組接線時，包括與主斷路器連接的母線）出現短路或接地故障時，快速切斷勵磁電源，并在盡短的時間內消耗掉儲藏在勵磁繞組中的能量，快速可靠的滅磁及轉子過電壓保護裝置起著至關重要的作用。這樣對磁場斷路器開斷電壓的要求越來越高，而目前國內外高弧壓、高可靠性的直流磁場斷路器選用比較困難，性能價格也不盡人意。葛洲壩二江電廠6#機1999年4月3日及2000年5月14日、18日連續三次燒毀直流磁場斷路器，都是因為其弧壓不夠所致。這樣就提出一個新的滅磁方式“交流滅磁”，交流電壓滅磁的原理就是將晶閘管整流裝置交流側電壓引入直流側，使晶閘管的輸出電壓Ud成為一個交變電壓。當Ud<0時，在不需要磁場斷路器建立很高的電壓情況下，就能迅速將轉子中的能量轉移到ZnO閥片中消耗掉，而達到滅磁的目的。交流電壓滅磁實現方法也很簡單，只要在磁場斷路器分閘之前，切除晶閘管上的觸發脈沖，此時由于發電機轉子是一個大電感線圈，其電流不能突變，最后開通的一組晶閘管將始終保持開通狀態，相當于一個閉合的開關，這樣交流電壓就被引入直流回路。它是利用交流陽極電壓的負半周電壓幫助開關換流滅磁，因而它可采用價格比較低廉的交流斷路器作為磁場斷路器。但當發電機定子出口處短路時，對機端自并勵的勵磁系統，其整流陽極電壓近乎降到零，變不成“動力”。為了確保在這種情況下也能成功換流，要求磁場斷路器的弧壓必須大于滅磁電阻殘壓，即不依賴于陽極電壓負半周的幫助，也能獨立換流成功。這樣又回到原來的問題上，因為一般交流斷路器的開斷弧壓不高，大約在1500～1200V之間，這就不能滿足在事故狀態下的滅磁。根據以上的闡述，“交流滅磁”有一定的發展前途，但交流斷路器過低的弧壓實難滿足移能換流滅磁的要求。于是出現了對交流斷路器的弧罩進行改造，把柵片減薄加密，增加間隔數量，以提高弧壓。但由于空間限制，柵片僅能在一定范圍內增加，且弧壓的一般說來，逆變滅磁總是和磁場開關加非線性電阻滅磁方式配合起來32提高也有限；成本也要增加。又如早年的“人工過零”、“換流熔絲”以及近年的“無源滅磁”、“大型PTC”、“線性、非線性電阻混合滅磁”等等一系列輔助幫忙措施，目的就是讓滅磁過程中交流斷路器只起開斷作用，而滅磁所需的高弧壓由輔助幫忙措施中的器件來完成。下面將對“大型PTC”作一簡要的闡述。其它的一些措施各自均有一些優缺點，目前采用得比較少，不再贅述。PTC是一種陶瓷材料制成的正溫度系數熱敏電阻。其在常溫下阻值很小，可以作為導體使用；但如電流過大，引起溫度升高，到某一居里點其阻值就急劇上升，近似絕緣，電路就被開斷。電流下降后PTC冷卻下來又恢復導通，并不損壞。利用這種特性可以制成“萬次熔絲”，已有一定的使用經歷。但過去的制造水平單片容量很小，只能用在低電壓、小電流的開斷。現在研制成的大型PTC，可用于發電機的移能滅磁。其能容和耐壓水平都有了大幅度的提高（單片通流容量≥1KA，耐壓≥1200V），其阻值變化范圍大于兆歐級（≥106Ω），居里溫度點Tc根據需要可在80℃—120℃間設定。PTC的溫敏特性見下圖。其工作原理為：PTC的電阻值R在居里溫度TC以下時，呈低阻態特性，當溫度高于TC后，阻值R會急劇上升至兆歐級，變成高阻狀態。基于PTC元件的物理特性，我們可以把它與磁場開關配套使用，利用以高能正溫敏特性電阻（PTC）為主的DHQ電子換流器對開關主觸頭換流并快速建壓，實現磁場開關無弧分斷。以解決因磁場開關建壓不足轉子能量無法轉移至ZnO電阻，而引起磁場開關燒毀的事故。新裝置在滅磁開始后，能迅速阻斷施加于勵磁繞組的勵磁電源，并建壓實現將繞組中的能量轉移到以ZnO非線性電阻為主的移能器YNQ中，達到快速滅磁的目的。PTC器件本身具有強烈的負反饋效應，它們組合應用時，就有自然均流的效果。所以不需要在滅磁電阻中串聯均流電阻和快速熔斷器，大大地減小了安裝空間和消除因ZnO閥片的負阻特性所造成的短路隱患。提高也有限；成本也要增加。又如早年的“人工過零”、“換流熔絲33PTC元件的溫敏特性曲線圖圖中：Tc居里溫度：它是PTC半導瓷相變的開始點，一般PTC元件Rmin二倍阻值時所對應的溫度點；中串聯均流電阻和快速熔斷器，大大地減小了安裝空間和消除因ZnO閥片的負阻特性所造成的短路隱患。其應用簡單可靠、并有電流保護特性。Tmax最大溫度：元件可達到的最高溫度；Tp最大工作溫度：工作范圍內的上限溫度；Tmin最小溫度：元件（正常）呈現最小電阻時的溫度；T25標準室溫25℃；Rc開關電阻：即居里點溫度時對應的電阻；Rmax最大電阻：元件達到最高溫度時的電阻；Rp最大工作電阻：上限工作溫度所對應的電阻；Rmin最小電阻：元件（正常）可呈現的最小電阻；R25室溫電阻：標準室溫時，元件所對應的電阻。PTC元件的溫敏特性曲線圖34第四章勵磁裝置的保護

整流裝置中的晶閘管元件是勵磁裝置中的重要器件。為了保證它們安全可靠地工作，除了提高晶閘管元件的產品質量，正確選擇晶閘管的參數之外，還必須在裝置中適當地采用保護措施。因為晶閘管元件承受過電壓和過電流的能力，以及承受正向電壓上升率和電流上升率的能力，都有一定的限度。必須采取適當的保護方式和抑制措施，避免晶閘管元件工作失常、壽命縮短，甚至損壞。4.1過電壓的來源及保護方式4.1.1過電壓的來源：在同步電機勵磁系統中產生過電壓的原因是多方面的，按過電壓方式的不同可分為如下幾類：4.1.1.1交流側過電壓：a經由主變壓器或發電機端傳輸到勵磁系統的大氣過電壓；b勵磁變壓器分斷引起的過電壓；c換相過電壓。由于勵磁變壓器存在漏抗，功率整流器元件換相使電流中斷引起的過電壓。4.1.1.2直流側過電壓：在整流器勵磁系統中，由于整流元件在正向導通、反向阻斷，因此在以下運行方式下會引起使功率整流器閉鎖的過電壓。a同步發電機與電網并列非全相合閘時。b變壓器高壓側發生兩相或三相短路時。c非同期狀態下運行。4.1.1.3操作過電壓：產生操作過電壓有下列幾種情況：a由高壓電源供電的勵磁變壓器，當一次側開關合閘時，由于變壓器的分布電容C12將高壓u1耦合到二次側。此過電壓值將隨變壓器的變比增加而增大。b在勵磁變壓器空載時，如果電源電壓過零時突然斷開電源，則會產生嚴重的瞬變過電壓。這是因為此時空載電流達到最大值，而電感性負載電流不能突變，但回路要求

第四章勵磁裝置的保護35電流為零，這樣在二次側將感應出很高的過電壓。c勵磁變壓器一次繞組的漏抗與二次繞組的分布電容（包括抑制電容）所形成的振蕩電路在勵磁變壓器合閘（相當于突然加上一個階躍電壓）時，將引起瞬變過程而產生過電壓。d晶閘管整流電路直流側開關斷開時，由于電流突變，將在交流回路的電感上產生過電壓。4.1.1.4運行過電壓：a晶閘管整流橋換相過電壓：晶閘管三相全控整流橋的原理圖如下上圖所示，其整流輸出的直流電壓Uf波形如下下圖所示（電源頻率50Hz）。下左圖中勵磁變壓器LB次級相電勢分別為uaubuc，LB

的漏感以及線路電感折合到次級繞組用集中電感Lb表示。正常運行時K1(K6六只管子輪流導通。假定在t1時刻前，K1和K6導通；在t1時刻K2管子收到觸發脈沖，此時交流陽極電壓（相電壓）ub>ua，故K2管承受正向電壓，K1管承受反向電壓，換流趨勢是K2管導通，K1管截止。但是由于K1管在導通期間晶體內積存了大量的少數載流子（電子和空穴），不能立即恢復截止，這樣在短時間內K1和K2同時導通，稱為重迭區。此時a、電流為零，這樣在二次側將感應出很高的過電壓。的漏36

的漏感以及線路電感折合到次級繞組用集中電感Lb表示。正常運行時K1(K6六只管子輪流導通。假定在t1時刻前，K1和K6導通；在t1時刻K2管子收到觸發脈沖，此時交流陽極電壓（相電壓）ub>ua，故K2管承受正向電壓，K1管承受反向電壓，換流趨勢是K2管導通，K1管截止。但是由于K1管在導通期間晶體內積存了大量的少數載流子（電子和空穴），不能立即恢復截止，這樣在短時間內K1和K2同時導通，稱為重迭區。此時a、b兩相間產生暫態的短路，短路電流id增長速度受(ub-ua)電壓差及回路電感Lb的控制，did/dt=（ub-ua）/2Lb。短路期間整流輸出電壓的暫態值uf=(uac+ubc)/2，為a、b兩相對c相線電壓的平均值（考慮勵磁變LB次級a、b兩相的短路阻抗壓降相同）。K1、K2兩硅管電流的波形見下圖“K1、K2硅管電流波形圖”。t1時刻前K1管電流iK1等于勵磁電流If，K2管電流iK2為零；t1時刻K2管觸發導通，其電流iK2上升，同時iK1下降，開始換流過程。由于發電機勵磁繞組LQ大電感的影響，勵磁電流If可視作恒值。根據柯希霍夫節點定律，iK1+iK2=If=恒值。換流的快慢即iK1及iK2的變化率（同時也是短路電流id的增長率）決定于(ub-ua)的電壓差及回路電感Lb的影響，diK/dt=(ub-ua)/2Lb。到t2時刻iK1降到零，iK2=If，似乎換流可以結束了。但此時K1內還積存有大量的少數載流子，不能恢復截止，故短路電流id繼續增長，iK1變為負值，ik2>If。到t3時刻K1反向電流達到最大值，積存的少數載流子迅速復合完畢，立即恢復截止，故K1反向電流立即回零，K2的正向電流也產生一個“猛跌”回到If

K1、K2硅管電流波形圖的漏感以及線路電感折合到次級繞組用集中電感Lb表示37（據實驗觀察，t3～t4僅幾個μs）。硅管電流ik1和ik2同時也是電感Lb內的電流，由于t3～t4此電流變化率極大，故在電感Lb中感應出極高的換相過電壓Δu。據了解，如不采取適當措施，Δu可達到陽極電壓峰值的2～4倍。b發電機異步運行時產生滑差過電壓同步發電機在運行中失磁，會使轉子在高于同步轉速下異步運轉，靠阻尼繞組的作用變成異步發電機。在有功負荷突然變化時，功率角發生突然變化或發生失步振蕩的過程中，也有暫時的異步運行。這時轉子勵磁繞組LQ的導體與定子電流產生的旋轉磁場間有相對運動，導體切割磁力線產生感應過電壓，此過電壓是一個正弦波，其幅值為式中：f2——異步運行時轉子滑差感應電壓的電頻率，一般為幾到十幾個HzW-----——LQ的串聯匝數Φ——定子電流產生旋轉磁場的主磁通kw——LQ的繞組系數由于LQ的匝數較多，故Ehm較大，據有關資料介紹，水輪發電機可達幾萬伏。c定子三相負載不對稱（或非全相）運行時產生不對稱過電壓發電機定子三相負載不對稱或一相斷路（非全相）運行時，定子三相電流不對稱。根據《電機學》中“對稱分量法”的分析，一組不對稱的三相電流，可以分解成三組對稱的三相電流，分別為“正序分量”、“負序分量”及“零序分量”。這三組對稱的電流流過發電機定子三相在空間相隔120о電角度的繞組，將分別產生各自的磁場。由矢量分析可知，零序電流產生的合成磁場為零。而正序及負序電流產生的合成磁場分別在空間作正向及反向的同步轉速旋轉，稱作正序及負序磁通。而轉子繞組LQ是以正向同步轉速旋轉的，它與正序磁通相對靜止而與負序磁通以兩倍同步轉速相對運動。該過電壓的（據實驗觀察，t3～t4僅幾個μs）。硅管電流ik1和i38幅值可用上式計算，不過式中的f2=100Hz，Φ為定子不對稱電流產生的負序磁通。d發電機運行中如發生突然短路、失步、非全相或非同期合閘等故障，則在轉子繞組中會產生很高的感應過電壓，危及晶閘管勵磁系統整流電路的安全運行。4.1.2抑制過電壓的措施：抑制過電壓的保護分為交流側、直流側和元件保護三種方式。可供選用的過電壓保護措施有九種，它們是：避雷器、接地電容、抑制電容、阻容保護、整流式阻容保護、硒堆保護、壓敏電阻、元件阻容保護和晶閘管跨接器。實際應用的過電壓保護措施，應視具體情況而定，通常選擇其中幾項，以構成合理的保護。選用時應以簡單可靠、吸收暫態能量大、抑制過電壓的能力強，而且使用壽命長、功耗低等為原則。4.1.2.1抑制交流側過電壓的措施（只考慮與勵磁系統有關的）對晶閘管換相過電壓，由于其產生的頻率高達300Hz，又是長期連續的，用ZnO壓敏電阻來吸收效果不好。因為ZnO要求長期的荷電率限制在0.6以下，即意味著不能頻繁而連續地導通吸能，否則容易老化，漏電流上升，壽命縮短，所以一般不采用。目前采用整流阻斷式阻容吸收過壓保護器，專門用于吸收晶閘管的換相過電壓，在四川寶珠寺200MW水輪發電機上反復試驗，限壓性能良好。經過100多臺發電機使用的結果證明，這種保護方式可將換相過電壓限制到陽極電壓峰值的1.5倍以下。根據以上關于換相過電壓產生的原因分析，可見其產生的“源頭”在勵磁變的漏感及線路電感，所以“從頭攔截”比較好，我們把整流阻斷式阻容吸收過壓保護器（簡稱GRC）放在整流橋的交流側，如下圖所示。幅值可用上式計算，不過式中的f2=100Hz，Φ為定子不對39如有多臺整流柜并聯運行，建議在總交流進線處集中設一組GRC即可。因換相過電壓的產生只決定于并聯橋臂中最后截止的那只晶閘管，與并聯橋臂的多少無關。在晶閘管換相t3(t4階段，LB次級繞組任意二相電流突變產生過電壓時，都可以經過二極管D1(D6對電容C充電，從而得到緩沖，降低了di/dt，限制了過電壓。t4時刻后，C上的電荷向電阻R釋放，等待下一個周期再次吸收。二極管D1～D6的作用一是可使三相共用一組R、C，節省體積大、價格高的高壓電容；二是防止C上的電荷向勵磁回路釋放，避免在晶閘管換相重迭瞬間二相短路時C突然放電產生極大的di/dt，損壞晶閘管；三是可以避免電容C和回路電感產生振蕩。4.1.2.2抑制直流側過電壓的措施：a由于直流側過電壓均不是長期連續而只是偶然發生的，非常適合用ZnO壓敏電阻來保護。主要是ZnO有優良的非線性伏安特性（見下左圖），一方面在大電流沖擊下殘壓不高，保護特性好；二是在過電壓消失后，ZnO的續流迅速大幅度下降到mA級，可使過電壓保護跨接器中的晶閘管管自行關斷。而進口的跨接器用SiC作吸能元件，其漏電流大，過電壓保護動作后不能自行關斷，必須停機復歸，或用“熄滅線”、“暫態逆變”等復雜的操作來復歸，可靠性降低。故很多進口的SiC跨接器均改成ZnO跨接器（如葛洲壩、龍羊峽等電站），方能在國內順利使用。上右圖是GB02型ZnO過電壓保護跨接器，現已普遍推廣使用到千余臺發電機，其工作原理如下：正常運行時KP不通，正向勵磁電壓被KP阻隔，反向雖然有二極管D導通，但勵磁電壓反向峰值很低，所以ZnO電阻RV承受電壓不高，荷電率很低，可保證其長期工作壽命，不易老化。正向過電壓襲來時，通過分壓電阻R1使觸發器CF動作，輸出觸發脈沖使KP三種電阻的伏安特性曲線圖GB02型ZnO過電壓保護器圖中：1線性電阻2.SiC電阻3.ZnO電阻如有多臺整流柜并聯運行，建議在總交流進線處集中設一組GRC即40觸發導通，RV立即接入轉子回路導通吸能限壓；過電壓消失后，RV的續流即下降到mA級，小于KP的維持電流，KP自行截止，跨接器復歸關斷。反向過電壓由二極管D導通限壓，同樣自動恢復截止。正向過壓保護動作電壓值可以通過改變R1的阻值來整定，調整方便。如勵磁電壓峰值不高（如采用直流勵磁機或交流勵磁機不可控整流勵磁），ZnO直接跨接的荷電率＜0.6時，可用GB01直跨型過電壓保護器（見下左圖），比較簡單可靠。b當發生滑差過電壓時，感應電勢幅值Ehm如前式所示，由于Φ及w均較大，故其值相當可觀（據有關資料顯示，水輪發電機可達幾萬伏）。如LQ外電路開路（晶閘管整流橋反向不通，也相當開路），則LQ的端電壓就等于Ehm，勢必擊穿絕緣或晶閘管。如在LQ兩端跨接ZnO電阻，則其電壓被限制。這時勵磁繞組的等值電路圖如右下圖（異步運行時轉子繞組等值圖）所示。圖中Eh為滑差感應電勢，有效值Eh=4.44f2wΦKw，Rf是LQ的內電阻，Lf是LQ的漏電感，Rv是外接的ZnO壓敏電阻的等效靜態電阻值(隨電流大小而變，電流大時阻值小)。則回路電流有效值Ih近似為恒值，與滑差頻率無關。即異步運行時的轉子勵磁繞組LQ可近似視作一個恒流源（如f2＜5，由于Eh及Xf均減小，電阻相對變大不可忽略，故Ih減小，更趨安全。一般發電機的滅磁能容量均遠大于滑差過電壓的能量。目前使用的發電機轉子快速滅磁兼過電壓保護裝置中，滅磁及過電壓保護所用的吸能限壓ZnO元件是公用的，所以只要滅磁能容量滿足了，則過電壓保護自然能滿足，不必作過份仔細的計算。c不對稱過電壓能量的理論計算方法與上述相似，由于Ih的值基本與滑差頻率無關，不對稱運行的負序磁通Φ-比異步運行時的正序磁通小（最嚴重的缺相運行時為1/3），故不對稱過電壓的電流小于滑差過電壓，而不對稱工況的持續時間亦決定于繼電保護的動作時間。由于許多原始數據不確切，故要精確計算W