发电机灭磁讲解

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1、发 电 机 灭 磁发电机灭磁就是消灭发电机转子内部储存的能量的过程，它的主要目的是加快正常的停 机速度，特别地，当降低因为发电机故障时可能导致的损坏，把故障造成的损失减小到最小 程度。发电机的正常灭磁都应该采用逆变灭磁，只有事故时保护动作才启动跳灭磁开关等灭磁 方式，甚至在许多大的机组的灭磁设计中，当发电机机组故障仍然首先采用逆变灭磁，然后 再启动跳开关灭磁的灭磁时序。1 灭磁方式的发展过程11 串联耗能灭磁灭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：a. 体积大b. 不易维护c. 灭磁成功与否取决于弧的形成

2、d. 容易引起事故e. 产品根据发电机机组容量需要特殊订制，不易规模化，系列化由于这些缺点的存在，采用耗能开关的灭磁方式逐渐被并联移能灭磁方式代替。12 机械开关并联移能灭磁机械开关串联于励磁主回路、灭磁耗能电阻并联在转子两端是这类灭磁的接线方式。如 图 4-1 所示：图 4-1 机械开关并联灭磁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

3、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。目前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。13 电子开关并联移能灭磁前些年，国内一些厂家将灭磁开关建压任务转移到电力电子器件上来。其原理是利用电容的放电过程，使可控硅的电流降到零，并形成反压使之关断。具体回路如图4-

4、2：图 4-2 电子开关并联灭磁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。但目前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

5、 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。14 交流灭磁与水轮发电机相比，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、

6、难建压的问题转移到励磁源的交流侧。如图4-3。图 4-3 交流灭磁接线图图 4-4 交流灭磁励磁电压录波图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，交流灭磁励磁电压波 形如图4-4 所示。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

7、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。值得注意的是，交流灭磁需要考虑以下两种情况：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

8、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，

9、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。15 冗余灭磁所谓冗余灭磁，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

10、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3。2 灭磁系统设计原则由于当今大多采用氧化锌非线性电阻灭磁，所以以下

11、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，在此也不作详细论述。2陈小明，章俊“三峡电厂左岸励磁装置灭磁时序分析”水电站机电技术2004年第四期（专集）PP25-273许其品，朱晓东许其质等“关于发电机灭磁方案的探讨”大电机技术21 灭磁系统设计考虑工况灭磁系统设计所需考虑的工况，目前在国内有些争议。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

12、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。具 体参见附录4。灭磁系统的任务是以尽快的速度消灭磁场能量，使发电机电压消失，使事故程度降低到 最小。那么灭磁设计的原则就是：a）能够转移电流实现灭磁、b）安全转移能量、c）快速消耗 能量，其重要性依次递减。所以，选择灭磁方式、考核灭磁参数和配置首要的前提是考虑能 够在最恶劣工况下灭磁，否则快速都是空谈。2.2 灭磁设计需要考虑的几个问题567ZnO （这里以及文中其他地方所提到的ZnO

13、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。2.2.1 灭磁容量的计算文献1讨论了大型水力发电机机组灭磁能量的估算，文献4主要讨论了带阻尼绕组的 火力发电机机组灭磁容量的估算，根据 文献1到4可以正确

14、地估算出灭磁设计中所需的 ZnO 非线性灭磁电阻的容量。事实上根据ZnO阀片的试验结果，ZnO阀片的最大能容远远大于其标称容量。ZnO非 线性电阻的能容量不是设计中最重要的因素，因为ZnO容量基本能够满足灭磁支路最大允 许电流时的能容，而非线性灭磁电阻的损坏主要是由短时过电流以及长期老化引起。以火电 135MW自并激机组为例，根据能容的计算，一般都在2MJ以下，而发电机的额定励磁电流 一般在 1300A 以上。 IEC37.18 标准规定，发电机最大可能产生的励磁电流为额定励磁电流 的3倍，即3900A以上。一般非线性灭磁电阻的并联支路数在32路以上，甚至不少于40 支路，当采用两个阀片串联时

15、，则阀片数量不少于80片。而阀片的实际能容都在30KJ以 上，大多数阀片的最大能容在50-60KJ以上。也就是说，当ZnO并联支路数满足要求时， 一般阀片的总能容都远远在灭磁能容的计算值之上。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。2.2.2 灭磁阀

16、片的最大通流能力使用ZnO非线性电阻，必须了解ZnO阀片自身的最大通流能力，并做好各个支路的均 流措施，以保证在最恶劣的工况灭磁时，流过灭磁装置的任何一个 ZnO 支路的最大电流值 不超过它允许通过的最大电流值。我国目前生产ZnO的厂家生产的阀片标称电流一般都在100A,而实际的最大通流能力 一般都不小于200A，但在采用ZnO非线性电阻时，考虑到实际应用中的均流和安全裕量， 一般按每支路100A考虑，并根据发电机的额定励磁电流确定所需要并联的ZnO非线性电 阻的支路数。例如，当一个机组的额定励磁电流为3000A时，考虑到最严重的情况下，发 电机的转子电流可能达到 3*3000=9000A，据此选择并联的 ZnO支路数应该不少于 9000/100=90。2