1、 水輪發電機新型滅磁方案 陳賢明 王偉 呂宏水 劉國華 朱曉東 ( 國電自動化研究院 電氣控制研究所 南京323信箱 , 210003)摘要：大型水輪發電機通常采用的非線性電阻滅磁的方法，對滅磁開關的開斷弧壓要求愈來愈高，其機理是要求開關開斷時，磁場繞組的自感電勢大於非線性電阻的殘壓。本文首先介紹了用電容器滅磁的原理，然后解釋了利用R,L,C串聯諧振時產生高電壓，來迫使非線性電阻投入運行的新方法，降低了對滅磁開關開斷弧壓的要求，并對此進行了仿真，證明了它的可行性。關鍵詞:水輪發電機，滅磁，非線性電阻，電容器，滅磁開關開斷弧壓New Method of De-excitation for Hyd

2、raulic GeneratorChen,Xianming Wang,Wei Lu,Hongshui Liu,Guohua Zhu,Xiaodong ( Nanjing Automation Research Institute, Nanjing 210003)Abstract: Requirement for arc voltage during opening of field breaker is higher and higher, for de-excitation with varistor ,generally adopted for large hydraulic genera

3、tor.of field winding is required higher than threshold of varistor during opening of field breaker. In the paper the principle of de-excitation with capacitors is introduced. Then high voltage produced by R,L,C series oscillation is used to forcing varistor put into operation ,which decreases the re

4、quirement for opening arc voltage of field breaker. A simulation is completed to confirm it availability.Keywords: Hydraulic Generator, De-excitation, Varistor, Capacitor, Arc voltage for opening of field breaker0). 前言 大型發電機的滅磁對發電機安全是極其重要的，尤其隨著國內三峽水電廠的26臺700Mw水輪發電機的陸續投運，以及下一個10年，可能有多達近百臺這類機組投運，滅磁問題的

5、合理解決，顯然十分迫切。同步發電機滅磁也經歷過幾個階段，1)最早是利用磁場開關加線性電阻的方案，滅磁開始磁場開關的常閉觸頭先合上，接通帶線性電阻的滅磁回路，然后斷開磁場開關的常開主觸頭，切斷勵磁電源。這種方法在中、小發電機中至今仍有應用，是十分有效的。缺點是滅磁速度取決于滅磁電阻的大小，滅磁電阻愈大，滅磁愈快，但引起的反電壓也高，因而導致滅磁速度不夠快。2)我國在上世紀60年代引進了前蘇聯生產的串聯式帶滅弧柵的自動滅磁開關，它的滅磁速度快，如國內的DM2型的自動滅磁開關，曾經得到廣泛采用，但在多年使用中也暴露出了這類開關的一些缺點，如小電流下電弧建立不起來，容易燒壞觸頭，另外機械結構復雜，加工

6、要求高，維護檢修困難，如果磁場能量超過開關允許值，將燒毀開關。3)針對上述滅磁開關的缺點，在上世紀70年代未，采用磁場開關加非線性電阻的滅磁方案得到發展，它和用線性電阻滅磁的方案類似，由于這時在滅磁過程中磁場繞組反電壓基本不變，因此它的滅磁速度遠比用線性電阻要快，和DM2型串聯式滅磁開關相近。它也是屬于移能式滅磁，滅磁時磁場能量主要由非線性電阻吸收，滅磁開關主要起開斷作用，這種滅磁方式優點之一，可根據發電機磁場能量的大小，配置非線性電阻的容量，十分靈活，因此曾得到推廣應用，也受到廣大的電廠運行人員的歡迎。只是近年在如三峽700Mw這類大型發電機應用上，遇到了新問題，因這類發電機的勵磁電壓、勵磁

7、電流都十分大，要滿足用非線性電阻滅磁，對滅磁開關的開斷時弧壓Uk有一定要求。事實上圖1中滅磁開關斷開時，磁場電流i減小，磁場繞組產生與電流變化率正比的感應電勢e，但電流變化率很難確定，然而可按回路電勢合成為零確定，在這里即 UUk+e=0，得出Uk=U+e，而e是加于非線性電阻上，要使其導通，應不小于非線性電阻的殘壓。圖1 靠滅磁開關的開斷弧壓Uk的滅磁機理現以三峽水電廠700Mw機組ABB公司提供的數據為例， 額定勵磁電壓，電流 475.9V ,4158A 整流變壓器付邊線電壓=1243v假定同空載誤強勵使發電機機端電壓上升1.3倍，這時勵磁電源最大電壓幅值為=1.3×2×

8、;1243=2285V如果非線性電阻殘壓選為2000v，則要求磁場開關開斷時的弧壓不小于4300V，如還留有一些裕量，就得要求開斷弧壓達5000V，通常帶滅弧柵的分隔短弧的滅磁開關，每個滅弧柵間隔電壓為2530V，要達到5000V就需要200167滅弧柵間隔，實際上難以做在一只開關上，需要分成多只開關串聯完成，三峽發電機用的直流滅磁開關就是由8只開關串聯而成(見圖5)。 4).帶PTC元件的移能式滅磁開關電路。 針對上述要求高開斷弧壓開關的困難，國內有關人員提出了利用正向溫度系數(PTC)的非線性元件來 圖2.帶PTC元件的滅磁電路降低對開斷弧壓要求。如圖2正常時當磁場開關FMK閉合，PTC被

9、短路，處于冷態情況，溫度較低電阻很小，當FMK斷開時，幾乎全部勵磁電流都轉移至PTC元件的支路中，導致PTC元件溫度升高，電阻值增大，電壓升高，消耗能量加大，溫度進一步升高，形成正反饋，最終導到Uk>=Uz+UL 得以保證非線性電阻投入工作，達到快速滅磁的結果。然而PTC非線性元件的配方，性能控制，制造成本，也是個問題，雖然減低了對滅磁開關開斷弧壓的要求，增加PTC使具體電路變得更復雜一些，另外還有PTC本身可靠性的問題。5).本文提出的新型滅磁電路，其目的也是為了降低對滅磁開關開斷弧壓的要求, 圖3. 新型滅磁方案圖 3就是這個滅磁電路。應該指出在滅磁電路中采用電容器來代替滅磁電阻的想

10、法，很早就有人考慮過1,圖4就是用電容器滅磁的方案。1). 利用電容器滅磁的原理 圖4 用電容器C滅磁的方案滅磁時磁場開關FB常閉觸點，先將電容器C接入滅磁支路，然后斷開磁場開關FB的常開主觸頭，使和勵磁電源分斷，注意這時的滅磁回路由磁場繞組的電感L,電阻R和滅磁用電容器C組成的L,R,C串聯回路，其微分方程可列寫如下： 其中 亦即 (1)它的特征方程為 LCp2+RCp+1=0 p=d/dt 為微分算子，其特征根 (2)當 R> 2 p1,2 負實數，屬于過阻尼的非周期情況，當R= 2 p1,2 相等的負實數，屬于臨界阻尼情況，當 R< 2 屬于振蕩情況。在實際的大型發電機中，由

11、于L很大，R很小，都屬于振蕩情況。如果忽略電阻R，(這在大型發電機中差不多是這樣)，由式(2)知振蕩角頻率 = 其頻率f為: f=。假定外加電壓U=0, L,R電路接通電容器C,在起始電流i0作用下開始振蕩，使L向電容C放電。在振蕩放電第一次電流過零，亦即磁場繞組磁能全部轉換成電容器的電場能量時，由于二極管D的阻擋，反向電流流不通，電流降至零，避免了電場能量再次向磁場能量轉移的振蕩過程，這時電容上電壓正好充至最大值(因Uc越前i 90電角度)，應該注意，這時電容器C上的電壓Uc是加在二極管D的兩端，不再加在磁場繞組上，如令FB常閉觸點再一次分斷，可斷開電容器C，整個滅磁過程的時間為振蕩周期的1

12、/4。在不計R的條件下，滅磁時磁場繞組中電壓、電流的變化規律如下 i=io×Cost (3) uc=io× (4) 周期T= (5)放電電容器C的容量，如基於全部磁能都轉換為電容器電能時(不計磁路飽和的非線性和電阻損耗)則有： L*io2 /2=C*Um2 /2 其中Um為電容器設定的最大充電電壓， 可求出電容器C的大小 C=L*io2/Um2 (6)滅磁時間 =T/4= (7)對空載發電機言用 L/R=Tdo, U/R=io 代入得 =*Tdo/2K (7a)其中K=Um/U為滅磁時允許的反電壓倍數。應該指出，用同樣反電壓的線性電阻滅磁，滅磁時間要長得多。但這種滅磁的缺點

13、是要求的電容器容量太大。例如 以三峽水電廠700Mw發電機 ABB公司數據為例?？蛰d額定電壓下磁場電流、電壓I=2352A,U=230V磁場繞組電感L=0.99H, 電阻r=0.098 如取滅磁反壓為2000V則 C=0.99*23522/20002=1.37F在這里只是在發電機空載下，就要求電壓 2000V容量為1.37 (Farad)法拉特的電容器。實在太大，無法實現。如果R很大，比起振蕩回路的波阻抗 = 不能忽略，則滅磁時間 (8)由此看出隨R增加而增長，當R=2時，振蕩仃止，進入非周期過程。對有明顯的R的振蕩回路，在磁場電流過零時，磁場繞組上的電壓由下式確定： Um=i0*這個關系式說

14、明Um決定于波阻抗，亦即電容C，后者比R=0時，要小，對大型發電機講仍是不現實的。從上所述，可知利用電容器來吸收大型發電機滅磁時的磁能，要求的電容量太大。所以無法應用。但在圖3的新型滅磁方案中，吸收磁能的主要是非線性電阻，尤其是ZnO，而電容C是在FB斷開的滅磁初瞬，當UZ-Uk小于二極管D的管壓降 (-U)，就為磁場電流提供一個通道而充電的，這個電容器的電容值可很小，可在極短時間內靠L,C電路振蕩，使電容器電壓到達非線性電阻的殘壓，使其投入工作，反過來非線性電阻又限制了電容器電壓進一步升高。當然由於大型發電機額定勵磁電流十分大，比如三峽水電廠700Mw ABB機組的為4158A，即使電容器電

15、容量不大，但要在滅磁初瞬流過這么大電流，也存在著需多個電容器并聯的要求。2). 仿真結果為了對用電容器滅磁有一個初步概念，現考慮發電機空載滅磁的情況，并且不計發電機空載特性引起的飽和效應。仍然以上述三峽水電廠700Mw發電機的ABB公司數據為例，只考慮在發電機空載下機端電壓為額定時的滅磁， 附錄圖(A),(B)是按圖4所示的用電容器C和二極管D的滅磁方案所作仿真的結果，這里取C=1 法(Farad) 這里R=0.098大大小于 2 因此會產生振蕩，仿真時假定外加電壓己斷開，即U=0，斷開時起始電流io=2352A，圖(A)上所得的電流和電容上電壓波形和公式(3),(4)相符合，由于二極管D存在

16、，阻止了反向電流，按式(5)計算，振蕩周期T2，滅磁時間應/2，仿真結果為1.5157s，按式(6)估計電容上最高電壓Um應接近2352V,仿真結果是2171V，考慮到仿真中計及了電阻R，此結果是合理的，圖(B)顯示電容器吸能是Wc=2.3568 MJ，電阻吸能Wr=0.3815 MJ 合計為2.7383 MJ，而原有磁能Wl=Li02/2=0.99×23522/2=2.73829 MJ 非常一致。圖(C),(D)是當電容器采用C=0.1法的仿真結果。按式(5)計算 周期T=1.977s，這里滅磁時間已降到0.4894s ，相當于T/4，按式(6)計算Um應增加10=3.16 倍，這

17、里為7223V，這時的磁能Wc=2.6088 MJ Wr=0.1295 MJ 合計2.7383 MJ由于滅磁時間短了，在電阻R上消耗的能量變小了，滅磁加快的代價是電容上電壓加大了，注意這里的電壓，是加在二極管D上，而不是在磁場繞組上，另外這里電容器C上是充電的，實際中還應放電后，供下次應用。本方案無法實用的原因，是要求電容量太大。當前電容量比現有電容器大幾個數量級的超級電容器(Super-capacitor)出現，為本方案的實現出現了光明前景，但由于它的電壓目前不大於100v ，滅磁仍無法使用。因此這里主要討論的是圖3利用非線性電阻和電容器并聯的新方案。為了對比方便，先研究圖3中斷開電容器C，

18、只用非線性電阻R的情況.通常非線性電阻的伏安特性可表示成： 本文采用氧化鋅 ZnO電阻=0.046 ，K按ABB機組額定磁場電流4158a下，滅磁時反壓為2000v，求得k=1363。按此參數對700Mw空載滅磁仿真，圖(E),(F)為其仿真結果，滅磁時間1.2675s, 滅磁反壓1948V, 非線性電阻R吸能 W=2.5378 MJ，磁場繞組吸能 Wr=0.2 MJ 合計為2.7378 MJ圖(G),(H),(I)是圖3中接入電容C=1 法的仿真結果，從圖(G)可看出這種情況滅磁，電容電流ic起著主要作用，當圖(I)中電容器電壓上升階段，R沒有開通，i1=0,隨著電容器電壓上升，非線性電阻上

19、有電流流過。ic被分流，迅速降至零，這時電容上電壓到最大，并且也是i1到最大。接著電容器向非線性電阻倒放電，ic變負，電容器放電電壓降低，使i1也下降，當i1=-ic時，磁場繞組電流i=0，完成滅磁。但電容器仍繼續向非線性電阻放電。從圖(H)的能量圖可看出，電容器吸能Wc在ic=0時最大，Wc=1.726 MJ，隨后因放電而逐漸減小，而非線性電阻R吸收的磁能W，從i1產生逐步上升近 W=1 MJ，磁場繞組電阻吸能 Wr=0.38346 MJ。這種情況下滅磁時間為1.5841s ，比上述兩種情況都差。本例不是本文研究的目標，通過它可以了解它作用的機理。圖(J),(K),(L)是圖3中電容器C=0

20、.1法(Farad)的情況的仿真，由于電容量小，從圖(L)看出約0.1s電容電壓己充滿，到達ZnO的殘壓，由圖(J)知，電容電流ic持續0.1s后降至零，將全部電流i轉移到非線性電阻R上的i1，往后主要由ZnO起滅磁主要作用。從磁能情況看，非線性電阻吸能 W=2.412 MJ 磁場繞組吸能 Wr=0.2214 MJ，電容器吸能 Wc=0.109 MJ 滅磁時間1.2158s，總之這種情況下，ZnO在滅磁中起主要作用，電容器C起引導作用。圖(M),(N),(O)是圖2中電容器C=0.01法(Farad)的情況的仿真，從圖(N)中可看出，電容電壓在0.01s充滿了，電容的充電電流ic=2352A幾

21、乎不變地持續了0.01s就轉移給非線性電阻了，從圖(M)可看出除了起始的0.01s外，i和i1幾乎重合，顯然滅磁主要依靠非線性電阻。這里非線性電阻吸能 W=2.525 MJ,磁場繞組吸能Wr=0.20346 MJ 電容器吸能 Wc= 0.01 MJ滅磁時間1.1858s。作者還對電容器C=0.005 法和C=0.001法的情況下仿真，結果類似于圖(M),(N),(O)，只是ic起始充電電流的脈寬分別為5ms和1ms，如果電容量還小，電容電流脈寬在實際中是否能起到轉移作用，應在實踐試驗中確定。如果C=0.001法是可行的，也就是要求用1000微法的電容器，按這種電容器工作方式，可以選用直流沖擊電容器。經查找北京電力電容器廠生產的一種直流沖擊電容器規格如下：電壓 2Kvdc,555F，重45kg，尺寸為663×130×475 只需兩臺。3).討論a).從工作原理上看來，上述滅磁新方案是行得通的，可能也不會比用PTC方案貴，因為直流沖擊電容器市場上也買得到。圖4是三峽水電廠用的滅磁開關，由于開關電壓Uk要保證各種情況下，都能滿足非線性電阻殘壓的要圖5 三峽水電廠700Mw 水輪發電機直流滅磁開關求，用了雙斷口四串的開關，這里用上下8個開關串聯，每個開關有27個滅弧柵間隔，每間隔的電壓維持在2530v間。 Uk=8×27&