灭磁与转子过电压保护

技术讲座讲稿

灭磁与转子过电压保护

2004年10月

灭磁与转子过电压保护

1. 非线性电阻

所谓非线性电阻是指加于此电阻两端的电压与通过的电流呈非线性关系，其电阻值随电流值的增大而减少。

作为非线性电阻的材料一般用碳化硅和氧化锌。就非线性特性而言，氧化锌电阻优于碳化硅。在评价非线性电阻特性时，通常以非线性电阻系数β来表征，此系数仅与电阻阀片的材质有关。碳化硅SiC 非线性电阻β＝0.25～0.5；氧化锌ZnO 非线性电阻β＝0.025～0.05。

U

U C

U D

U G

对于氧化锌非线性电阻，标志其特征的主要数据有： （1）导通电压U D （U 10mA ）

当元件的漏电流为10mA 时的外加电压值，其后如果电压继续上升，流过非线性压敏元件的电流将迅速增大，为此，定义在导通电压U D 以下的区域为截止区，U D 以上的区域为导通区。 （2）残压U C （U 残）

当元件流过100A 电流时，非线性电阻两端的残压值。

对于氧化锌非线性灭磁电阻元件而言，在正常工作及导通条件下流多的漏电流均会引起元件部分分子结构的损坏并影响到元件的使用寿命，为此正常工作电压的选择不宜过高。 （3）荷电率S

U G 为元件工作电压，此值影响到元件的老化寿命。荷电率比值取得越高，元件的漏电流也越大，从而加速老化过程。一般S ≤0.5为宜。 U fN ——额定励磁电压 U f0——空载励磁电压 U ac ——阳极电压

U min ——最小工作电压 COS α＝U f0/ Uac /1.35

U min ＝

2U ac SIN （120＋α）

S ＝︱U min ︱/UD

2. 灭磁开关

2.1 名词、术语 2.1.1 断路器

按规定条件，对配电电路、电动机或其他用电设备实行通断操作并起保护作用，即当电路内出现过载、短路或欠电压等情况时能自动分断电路的开关电器。 2.1.2 磁场断路器

用于配合非线性（或线性）电阻分断发电机励磁回路的断路器。 2.2 条件

发电机成功灭磁的条件，是磁场断路器在分断过程中主触头上的弧压应足够高以保证转子电流全部转移至灭磁电阻，且主触头可以承受此转移过程中的燃弧弧能。

3. 灭磁工作原理

当发电机组的内部或发电机出口端发生故障以及正常停机时都要快速切断励磁电源，由于发电机转子绕组是个储能的大电感，因此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，造成转子绝缘击穿，所以必须尽快将转子电感中的磁能快速消耗，这就是通常所说的灭磁。 通常使用的灭磁方法有：线性电阻灭磁、灭磁开关灭磁、逆变灭磁和非线性电阻灭磁。本公司采用氧化锌非线性电阻灭磁方式利用其特殊的伏安特性，达到近似恒压灭磁的效果。

灭磁的原理如图1所示，其中i 转子中的电流、FR1为氧化锌非线性电阻、FMK 为灭磁开关、Uo 为励磁电压、LP 为整流电源、Uk 为灭磁开关弧压、U R 为氧化锌非线性电阻残压。若要使转子电流衰减至零，必须在转子两端加一个与其励磁电源电势相反的电势U ，灭磁方程式为Ldi/dt+U=O。可见电感中电流衰减率正比于反向电势U ，反向电势越大，灭磁时间越短。但反向电势受转子绝缘水平限，限不能超过转子绝缘允许值因此最理想的灭磁方式是灭磁电压保持恒定，电流保持一个固定的变化率（di/dt=-U/L）按直线规律衰减至零。由于氧化锌非线性电阻残压U R 变化很小，灭磁时近似于恒压，即U R =U。发电机正常运行时转子电压低，氧化锌非线性电阻呈高阻态，漏电流仅为微安级。灭磁时，灭磁开关FMK 跳开，切开励磁电源，在满足Uk ≥Uo+UR 时，电流被迫入灭磁过电压保护器中，转子绕组中所储能量被氧化锌非线性电阻消耗，且氧化锌良好的伏安特性保证了这部分能量几乎以恒压的形式消耗，确保了发电机组的安全。

FMK

图1

发电机转子灭磁及过电压保护装置采用多组氧化锌非线性电阻并联跨接于转子绕组两端，由于氧化锌非线性电阻FR1、线性电阻R1、快速熔断器RD 、二极管D1组成（见图2）。其核心部件FR1具有限制反向过电压和吸收磁能的作用；各支路中都有特制熔断器RD ，熔断器的熔断时间小于2ms 并且熔丝电压足够高，当部分支路必生故障，其相应熔断器快速熔断，产生的电压将故障支路的短路电流迅速迫入其他支路，故障支路被切除。线性电阻R1和二极管D1在机组正常运行时降低氧化锌非线性电阻FR1的荷电率，延缓阀片老化。 （1）主要部件与作用

同步发电机在运行时常因一些故障或其他原因使转子系统出现过电压。这些过电压产生的条件不同、强弱不同，所以应当采取不同的保护方法。凯立公司研制生产的同步发电机转子灭磁及过电压保护装置基本原理如图2、图3所示。

FMK

图2

FMK

RD1

R1RD

LP

FR3

FR1

FR2

LQ

D2

CT

图3

（2）非全相及大滑差异步运行保护器（FQ ）

因发电机断路器的非全相或非同期合闸等原因会使发电机非全相运行或大滑差异步运行，在这两种运行状况下，转子绕组中将产生剧烈的过电压，由于此时电网和励磁电源的能量均能传递到转子绕组中，能量远超过通常灭磁装置的灭磁能量，当灭磁装置中氧化锌阀片的熔断器全部熔断时，转子绕组开路，此时转子绕组相当于恒流源，产生的过电压将会击穿转子绕组的绝缘。 “非全相及大滑差异步运行保护器”能在以上情况下快速动作，构成转子续流通道，避免转子绕组开路，有效防止转子绝缘击穿事故发生。

在图2中，非全相及大滑差异步运行保护器装置由FR2、线性电阻R2和R 、可控硅触发器CF 、可控硅KPT 、二极管D1组成；在图3中由FR2构成。其中FR2防止正向及反向过电压，线性电阻R2用来降低氧化锌非线性电阻的荷电率，D1一方面降低正常运行时氧化锌非线性电阻的荷电率，另一方面在出现反向过电压时作为FR2的导电通道，线性电阻R 和可控硅触发器CF 配合触发可控硅KPT 启动正向过压回路。在发电机正常运行情况下，非全相及大滑差异步运行保护器处于开路状态，仅有极小的漏电流（微安级），在转子灭磁工况下，因保护器导通电压远高于灭磁高能氧化锌非线性电阻的导通电压，故不会参予灭磁工作；当出现非全相或大滑差异步运行而产生剧烈正向过电压时，灭磁高能氧化锌非线性电阻由于二极管的阻断作用而不会动作。图2中R 和CF 所组成的过电压测量回路将动作，发出触发脉冲，可控硅KPT 导通，FR2进入导通状态，限制发电机转子的过电压，保护转子不受损害。当出现非全相或大滑差异步运行产生反向过电压时保护器不需要触发器只需要D2支路即进入工作状态。与此同时，灭磁电阻也参与工作，使转子过电压被限制在允许范围内，保障转子不受损害。但需要说明的是，非全相及大滑差异步运行保护器除具有一般氧化锌非线性电阻的特性以外，还有一个特殊的特性，即在吸收一定的能量以后，将会改变非

线性特性曲线，自动降低导通电压，当周期性或持续性的过电压波到来时，随着时间的增加，保护器吸收能量的增加和温度的提高，保护器导通电压迅速下降，低于灭磁氧化锌非线性电阻的导通电压，使灭磁氧化锌非线性电阻退出工作。

非全相大滑差异步运行保护器在结构上采取了防潮、密封及防爆措施，运行安全可靠，使本公司的同步发电机灭磁及过电压保护装置具有更完善的转子系统过电压保护功能。该装置投运以来，多次在发电机发生非全相运行或大滑差异步运行时起到保护作用，从而避免由于转子开路而造成对转子绝缘的损坏，具有较大的社会效益和经济效益。 （3）励磁电源侧过电压保护器（FR3）

对于直流励磁机励磁系统，二极管整流励磁系统，正常运行中出现的正向过电压和灭磁开关分断后电源侧线路电感及变压器漏电感所储存的能量产生的过电压。本公司的励磁电源侧过电压保护器FR3针对以上情况出现的过电压能可靠限制。该装置主要由图3中的快速熔断器RD1和氧化锌非线性电阻FR3组成。

（4）尖峰过电压吸收器（SPA ）

可控硅整流励磁系统电源侧出现的过电压主要由图2中的“尖峰吸收器”SPA 加以限制。随着发电机容量越来越大，可控硅性能的提高，可控硅静止整流励磁系统的应用也越来越之泛。可控硅整流桥换相时直流侧会出现尖峰过电压，其值最高可能达到整流系统阳极电压的2.5倍。如果不加限制，长期累积效果可能引起转子系统绝缘的击穿事故，甚至引起相关元器件的烧毁以及停机事故。

本公司的尖峰过电压吸收器SPA 采用高能氧化锌阀片与阻容件器联组合成，充分利用氧化锌的非线性伏特性，将电压限制在某一范围之内，同时考虑尖峰电压的能量分布，利用电容两端电压不能突变的特点，将尖峰过电压的前段高电压部分的能量吸收在氧化锌组件中，其他能量由氧化锌和电容共同及收。在尖峰电压过去以后，电容的能量通过电阻快速释放掉。SPA 的原理接线图见图4：RC 组成一个高频通道，将可控硅换相时产生的高频尖峰电压传输给氧化锌非线性电阻FR4，FR4动作吸收尖峰电压，并且限制高频尖峰电压不超过一定的幅值，从而保证了可控硅换相时不会引起转子回路的过高电压。回路中的FR5是RC 支路的保护元件，因为在特定频率下，支路有可能产生谐振而出现过高的电压，致RC 元件损坏。故当电压超过FR5动作电压时，FR5动作保护RC 元件。

4. 灭磁过电压保护设定值

对发电机励磁绕组回路过电压保护动作值的设定，首先应考虑发电机励磁绕组的绝缘水平。 国际电工委员会IEC 标准规定，发电机励磁绕组的额定试验工频交流电压有效值U S 为额定励磁电压的10倍，但是最高值不超过3500V 、最低值不低于1500V 。即：

U S ＝10U fN ， 1500V ≤U S ≤3500V

通常在交接试验或大修后试验电压值将较出厂值低，一般取70％规定值。

（1）非线性灭磁电阻容量的选择：

空载励磁绕组储能：

W 0＝0.5×L 0×I f02=0.5Rf0×T d0×I f02

强励时，励磁绕组的储能，考虑到饱和及耗能分配影响，应乘以相应系数 W C ＝0.5×L C ×(KV ×I fN ) 2

W C ＝0.5×K S K R Rf0 Td0×(KV ×I fN ) 2 式中 I fN ——额定励磁电流 I f0 ——空载励磁电流

T d0 ——发电机空载时间常数 K V ——强励电压倍数

K S ——强励时励磁绕组饱和系数，一般取K S ＝0.4 水电取0.6 K R ——灭磁时由灭磁电阻分担的磁场总容量，一般取K R ＝0.7 R f0 ——励磁绕组电阻（75°） 考虑20％裕度。

（2）非线性灭磁电阻残压的选择：

通常非线性电阻最大残压U 残一般不低于励磁绕组出厂试验电压的30％，不高于50％。

U 残 ＝ U fN × （3～5） ， 可控硅整流一般选4 ，二极管整流一般选3； U 10mA ＝ U 残 / 1.5 。

灭磁阀片的动作电压值约为U 残×1/1.2～1.3 合肥凯立生产的非线性灭磁电阻阀片特点： 1. 阀片单片容量20KJ ，最低电压不低于280V ；

2. 阀片流过100A 的电压和流过10mA 的电压比值仅为1.5倍； （残压比K ＝U 残/ U10mA ＝1.5）

3. 漏电流小，二分之一U 10mA 电压下的电流I ＝1/2 U10mA ＜50μA ； 4. 阀片能在持续运行电压U e ＝0.75 U10mA 下工作100年。 5. 选取阀片数量时应注意考虑安装方式，一般一条组件上压装4组（残压低于1000V 时最多可压装5组），每组中最多可串连 3片（残压低于800V 时最多2片），每组单独配一个熔丝；也可采用双抽头式，即一条组件上压装8组，每两组共用一个熔丝。

（3）非全相过电压保护器残压的选择：

U 非全相 ＝ U 残 × 1.5

（4）尖峰吸收器SPA

不加SPA 出现的尖峰值为：

U i ＝ 2.5 × U 尖峰残压 ＝

2U ac

2U ac × 1.12 × 1.5

电容参数：CJ41 20μ/630V 电阻参数：RX20 100Ω/100W

（5）电源侧过电压保护

比非线性灭磁电阻残压略高。 例：哈尔滨第三发电厂1＃机

额定功率200MW 三机励磁方式 U fN ＝450V I fN ＝1765A

交流励磁机额定输出电压：415V

灭磁电阻残压： 1350V 额定能容：0.36MJ 非全相及大滑差保护残压：2025V 电源侧保护阀片： 1550V

（6）KPT 组件及D2

KPT 组件是由可控硅KPT 、二极管D1组成，其参数选取：

I fN ＞1000A 时 ，二极管D1、D2选ZP1000A/3200V，KPT 选1000A/3200V； 500A ＜I fN ＜1000A 时，二极管D1、D2选ZP800A/3200V ，KPT 选8 00A/3200 V； I fN ＜500A 时 ，二极管D1、D2选ZP500A/2500V ，KPT 选500A/2500V 。

灭磁及过电压保护

灭磁及过电压保护由一柜组成。 (1) 开关柜和电阻柜外观见下图： (2) 主要配置： ● 进口灭磁开关一台

● 用于灭磁的氧化锌非线性电阻

● 用于过电压保护的非线性过电压保护装置 二套非线性灭磁电阻柜 ● 过电压保护动作记录装置一套 ● 灭磁开关动作记录装置一套 ● 转子电压、电流表计

(3) 主要原理及描述 a) 主回路结构

励磁系统装设快速直流磁场断路器和非线性电阻来实现转子绕组的快速灭磁，其中磁场断路器的作用是快速分断磁场电流并在断口快速建立弧电压，非线性电阻的作用是在灭磁开关建压过程中使非线性电阻导通消耗磁场能量，同时使磁场开关断口熄弧。 灭磁回路结构图

转子

图中R1为灭磁用非线性电阻，R2、R3分别为转子侧和可控硅侧过电压保护用非线性电阻，

R

为串联线性电阻。 b) 灭磁电阻的配置

我公司采用非线性电阻串低阻值线性电阻的方法，线性电阻的使用有两方面作用：

一是：使得在同样动作整定值时，非线性电阻的整定值较不用线性电阻时为低，这有利于磁场电流向非线性电阻的转换(碳化硅特性——在较低的电压下即能换流成功) 。

二是：氧化锌非线性电阻的特性陡峭，并联运行的支路其特性稍有差异，即会造成支路电流的很大差异，造成电流和能量的不均衡，影响整组的特性和使用寿命。使用串联的线性电阻后，线性电阻起到了补偿或正调差作用。结果是电流的偏差ΔI=ΔU/R，其中ΔU 为并联的非线性电阻在灭磁工作点处的电压差，因非线性电阻ΔU

灭磁容量计算举例

发电机1.1倍最大工况下灭磁容量W 可由下式计算：

12

W =I f T d '0R f k

2

这里 I f 发电机正常运行最大励磁电流（A ），此处为1150A

'0 空载转子时间常数，此处为5.79 T d

，此处为0.2 R f 转子绕组电阻 75︒C （Ω）

k 机组特性系数，一般水电取0.6，火电为0.4。

由以上公式计算得：W = 0.46MJ

考虑1.5倍裕度系数，实际选择容量为：0.72MJ 。 灭磁时间计算举例

灭磁过程中能量主要由灭磁电阻消耗，灭磁时间可由以下公式计算：

t = W ÷ U ÷ I

这里 W 发电机最大灭磁能量，此处为0.46MJ

U 灭磁残压，此处设计为1020V I 灭磁电流，此处为1150A 由以上公式计算得：t =0.39（s ）