滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)

1、技術(shù)講座講稿滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)2004 年 10 月滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)1. 非線性電阻所謂非線性電阻是指加于此電阻兩端的電壓與通過的電流呈非線性關(guān)系，其電阻值隨電流值的增大而減少。作為非線性電阻的材料一般用 碳化硅和氧化鋅。就非線性特性而言，氧化鋅電阻優(yōu)于碳 化硅。在評價(jià)非線性電阻特性時(shí)，通常以非線性電阻系數(shù)B來表征，此系數(shù)僅與電阻閥片的材 質(zhì)有關(guān)。碳化硅SiC非線性電阻0.250.5;氧化鋅ZnO非線性電阻0.0250.05。UCUdUg0 -截止區(qū)10mA100AI導(dǎo)通區(qū)對于氧化鋅非線性電阻，標(biāo)志其特征的主要數(shù)據(jù)有：(1) 導(dǎo)通電壓 UD ( U10mA )當(dāng)元件的漏電流為10mA時(shí)的

2、外加電壓值，其后如果電壓繼續(xù)上升，流過非線性壓敏元件的電 流將迅速增大，為此，定義在導(dǎo)通電壓 Ud以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，Ud以上的區(qū)域?yàn)閷?dǎo)通區(qū)。(2) 殘壓Uc (U殘)當(dāng)元件流過100A電流時(shí)，非線性電阻兩端的殘壓值。對于氧化鋅非線性滅磁電阻元件而言，在正常工作及導(dǎo)通條件下流多的漏電流均會(huì)引起元件部 分分子結(jié)構(gòu)的損壞并影響到元件的使用壽命，為此正常工作電壓的選擇不宜過高。(3) 荷電率SUg為元件工作電壓，此值影響到元件的老化壽命。荷電率比值取得越高，元件的漏電流也越大，從而加速老化過程。一般S< 0.5為宜。UfN 額定勵(lì)磁電壓Uf0空載勵(lì)磁電壓Uac陽極電壓U min最小工作電壓CO

3、Sa = Uf0/ Uac /1.35Umin 二-2UacSIN ( 120+a)S=| Umin | /Ud2. 滅磁開關(guān)2.1 名詞、術(shù)語2.1.1 斷路器按規(guī)定條件，對配電電路、電動(dòng)機(jī)或其他用電設(shè)備實(shí)行通斷操作并起保護(hù)作用，即當(dāng)電路內(nèi) 出現(xiàn)過載、短路或欠電壓等情況時(shí)能自動(dòng)分?jǐn)嚯娐返拈_關(guān)電器。2.1.2 磁場斷路器用于配合非線性(或線性)電阻分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的斷路器。2.2 條件發(fā)電機(jī)成功滅磁的條件， 是磁場斷路器在分?jǐn)噙^程中主觸頭上的弧壓應(yīng)足夠高以保證轉(zhuǎn)子電 流全部轉(zhuǎn)移至滅磁電阻，且主觸頭可以承受此轉(zhuǎn)移過程中的燃弧弧能。3. 滅磁工作原理當(dāng)發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部或發(fā)電機(jī)出口端發(fā)生故障以及正常

4、停機(jī)時(shí)都要快速切斷勵(lì)磁電源， 由于發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是個(gè)儲(chǔ)能的大電感，因此勵(lì)磁電流突變勢必在轉(zhuǎn)子繞組兩端引起相當(dāng)大的暫態(tài)過電壓， 造成轉(zhuǎn)子絕緣擊穿，所以必須盡快將轉(zhuǎn)子電感中的磁能快速消耗，這就是通常所說的滅磁 。通常使用的滅磁方法有： 線性電阻滅磁、 滅磁開關(guān)滅磁、逆變滅磁和非線性電阻滅磁。 本公司 采用氧化鋅非線性電阻滅磁方式利用其特殊的伏安特性，達(dá)到近似恒壓滅磁的效果。滅磁的原理如圖1所示，其中i轉(zhuǎn)子中的電流、FR1為氧化鋅非線性電阻、FMK為滅磁開關(guān)、 Uo為勵(lì)磁電壓、LP為整流電源、Uk為滅磁開關(guān)弧壓、Ur為氧化鋅非線性電阻殘壓。若要使轉(zhuǎn)子電 流衰減至零，必須在轉(zhuǎn)子兩端加一個(gè)與其勵(lì)磁電源

5、電勢相反的電勢U，滅磁方程式為Ldi/dt+U=O?？梢婋姼兄须娏魉p率正比于反向電勢 U，反向電勢越大，滅磁時(shí)間越短。但反向電勢受轉(zhuǎn)子絕緣 水平限，限不能超過轉(zhuǎn)子絕緣允許值因此最理想的滅磁方式是滅磁電壓保持恒定， 電流保持一個(gè)固 定的變化率(di/dt=-U/L )按直線規(guī)律衰減至零。由于氧化鋅非線性電阻殘壓Ur變化很小，滅磁時(shí)近似于恒壓，即 UR=U 。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子電壓低，氧化鋅非線性電阻呈高阻態(tài)，漏電流僅為 微安級。滅磁時(shí)，滅磁開關(guān)FMK跳開，切開勵(lì)磁電源，在滿足 Uk > Uo+Ur時(shí)，電流被迫入滅磁過 電壓保護(hù)器中， 轉(zhuǎn)子繞組中所儲(chǔ)能量被氧化鋅非線性電阻消耗， 且氧化鋅

6、良好的伏安特性保證了這 部分能量幾乎以恒壓的形式消耗，確保了發(fā)電機(jī)組的安全。FMKiUKlpIU0IURirFR1LQ圖1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)裝置 采用多組氧化鋅非線性電阻并聯(lián)跨接于轉(zhuǎn)子繞組兩端，由于氧化鋅非線性電阻FR1、線性電阻R1、快速熔斷器RD、二極管D1組成（見圖2）。其核心部件FR1具有限制反向過電壓和吸收磁能的作用；各支路中都有特制熔斷器RD，熔斷器的熔斷時(shí)間小于2ms并且熔絲電壓足夠高，當(dāng)部分支路必生故障，其相應(yīng)熔斷器快速熔斷，產(chǎn)生的電壓將故障 支路的短路電流迅速迫入其他支路，故障支路被切除。線性電阻R1和二極管D1在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)降低氧化鋅非線性電阻FR1的荷電率，延緩

7、閥片老化。（1）主要部件與作用同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)常因一些故障或其他原因使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓。這些過電壓產(chǎn)生的條件不同、強(qiáng)弱不同，所以應(yīng)當(dāng)采取不同的保護(hù)方法。 凱立公司研制生產(chǎn)的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁及過電 壓保護(hù)裝置基本原理如圖2、圖3所示。LPR3*廠-LR11RD 1R21FR3 J11FR2|111|r lq111RD11 /FR1 IF1L_廠 FMKD1KPTCCFFR4D2CTFMKRD1LPFR3RDFR1D2CTFR2LQ圖3（2）非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器（FQ）因發(fā)電機(jī)斷路器的非全相或非同期合閘等原因會(huì)使發(fā)電機(jī)非全相運(yùn)行或大滑差異步運(yùn)行，在這 兩種運(yùn)行狀況下，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生

8、劇烈的過電壓，由于此時(shí)電網(wǎng)和勵(lì)磁電源的能量均能傳遞到轉(zhuǎn) 子繞組中，能量遠(yuǎn)超過通常滅磁裝置的滅磁能量，當(dāng)滅磁裝置中氧化鋅閥片的熔斷器全部熔斷時(shí)， 轉(zhuǎn)子繞組開路，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于恒流源，產(chǎn)生的過電壓將會(huì)擊穿轉(zhuǎn)子繞組的絕緣?！胺侨嗉按蠡町惒竭\(yùn)行保護(hù)器”能在以上情況下快速動(dòng)作，構(gòu)成轉(zhuǎn)子續(xù)流通道，避免轉(zhuǎn)子繞組開路， 有 效防止轉(zhuǎn)子絕緣擊穿事故發(fā)生。在圖2中，非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器裝置 由FR2、線性電阻R2和R、可控硅觸發(fā)器CF、 可控硅KPT、二極管D1組成；在圖3中由FR2構(gòu)成。其中FR2防止正向及反向過電壓，線性電 阻R2用來降低氧化鋅非線性電阻的荷電率， D1 一方面降低正常運(yùn)行時(shí)氧

9、化鋅非線性電阻的荷電 率，另一方面在出現(xiàn)反向過電壓時(shí)作為 FR2的導(dǎo)電通道，線性電阻 R和可控硅觸發(fā)器CF配合觸 發(fā)可控硅KPT啟動(dòng)正向過壓回路。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行情況下，非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器處 于開路狀態(tài)，僅有極小的漏電流（微安級），在轉(zhuǎn)子滅磁工況下，因保護(hù)器導(dǎo)通電壓遠(yuǎn)高于滅磁高 能氧化鋅非線性電阻的導(dǎo)通電壓，故不會(huì)參予滅磁工作；當(dāng)出現(xiàn)非全相或大滑差異步運(yùn)行而產(chǎn)生劇 烈正向過電壓時(shí)，滅磁高能氧化鋅非線性電阻由于二極管的阻斷作用而不會(huì)動(dòng)作。圖2中R和CF所組成的過電壓測量回路將動(dòng)作，發(fā)出觸發(fā)脈沖，可控硅KPT導(dǎo)通，F(xiàn)R2進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的過電壓，保護(hù)轉(zhuǎn)子不受損害。當(dāng)出現(xiàn)非全相

10、或大滑差異步運(yùn)行產(chǎn)生反向過電壓時(shí)保護(hù)器 不需要觸發(fā)器只需要D2支路即進(jìn)入工作狀態(tài)。與此同時(shí)，滅磁電阻也參與工作，使轉(zhuǎn)子過電壓被 限制在允許范圍內(nèi)，保障轉(zhuǎn)子不受損害。但需要說明的是，非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器除具有 一般氧化鋅非線性電阻的特性以外， 還有一個(gè)特殊的特性，即在吸收一定的能量以后，將會(huì)改變非 線性特性曲線， 自動(dòng)降低導(dǎo)通電壓，當(dāng)周期性或持續(xù)性的過電壓波到來時(shí)， 隨著時(shí)間的增加， 保護(hù) 器吸收能量的增加和溫度的提高， 保護(hù)器導(dǎo)通電壓迅速下降， 低于滅磁氧化鋅非線性電阻的導(dǎo)通電 壓，使滅磁氧化鋅非線性電阻退出工作。非全相大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器在結(jié)構(gòu)上采取了防潮、密封及防爆措施，運(yùn)行安全可

11、靠，使本公 司的同步發(fā)電機(jī)滅磁及過電壓保護(hù)裝置具有更完善的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過電壓保護(hù)功能。該裝置投運(yùn)以來， 多次在發(fā)電機(jī)發(fā)生非全相運(yùn)行或大滑差異步運(yùn)行時(shí)起到保護(hù)作用， 從而避免由于轉(zhuǎn)子開路而造成對 轉(zhuǎn)子絕緣的損壞，具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。（3）勵(lì)磁電源側(cè)過電壓保護(hù)器（ FR3 ） 對于直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，二極管整流勵(lì)磁系統(tǒng)，正常運(yùn)行中出現(xiàn)的正向過電壓和滅磁開關(guān)分 斷后電源側(cè)線路電感及變壓器漏電感所儲(chǔ)存的能量產(chǎn)生的過電壓。 本公司的勵(lì)磁電源側(cè)過電壓保護(hù) 器FR3針對以上情況出現(xiàn)的過電壓能可靠限制。該裝置主要由圖3中的快速熔斷器RD1和氧化鋅非線性電阻FR3組成。（4）尖峰過電壓吸收器（ SPA）可

12、控硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)電源側(cè)出現(xiàn)的過電壓主要由圖 2中的“尖峰吸收器” SPA加以限制。隨著 發(fā)電機(jī)容量越來越大， 可控硅性能的提高， 可控硅靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越之泛。 可控硅 整流橋換相時(shí)直流側(cè)會(huì)出現(xiàn)尖峰過電壓，其值最高可能達(dá)到整流系統(tǒng)陽極電壓的 2.5倍。如果不加 限制，長期累積效果可能引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)絕緣的擊穿事故， 甚至引起相關(guān)元器件的燒毀以及停機(jī)事故。本公司的尖峰過電壓吸收器SPA采用高能氧化鋅閥片與阻容件器聯(lián)組合成，充分利用氧化鋅 的非線性伏特性， 將電壓限制在某一范圍之內(nèi)， 同時(shí)考慮尖峰電壓的能量分布， 利用電容兩端電壓 不能突變的特點(diǎn)， 將尖峰過電壓的前段高電壓部分的能量吸收在

13、氧化鋅組件中， 其他能量由氧化鋅 和電容共同及收。在尖峰電壓過去以后，電容的能量通過電阻快速釋放掉。SPA的原理接線圖見圖 4：RC 組成一個(gè)高頻通道，將可控硅換相時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰電壓傳輸給氧化鋅非線性電阻 FR4， FR4 動(dòng)作吸收尖峰電壓， 并且限制高頻尖峰電壓不超過一定的幅值， 從而保證了可控硅換相時(shí)不會(huì) 引起轉(zhuǎn)子回路的過高電壓。回路中的 FR5是RC支路的保護(hù)元件，因?yàn)樵谔囟l率下，支路有可 能產(chǎn)生諧振而出現(xiàn)過高的電壓，致 RC 元件損壞。故當(dāng)電壓超過 FR5 動(dòng)作電壓時(shí)， FR5 動(dòng)作保護(hù) RC 元件。4. 滅磁過電壓保護(hù)設(shè)定值 對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組回路過電壓保護(hù)動(dòng)作值的設(shè)定，首先應(yīng)考慮

14、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的絕緣水平。國際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的額定試驗(yàn)工頻交流電壓有效值 Us為額定勵(lì) 磁電壓的10倍，但是最高值不超過3500V、最低值不低于1500V。即：Us= 10UfN ， 1500V < Us< 3500V通常在交接試驗(yàn)或大修后試驗(yàn)電壓值將較出廠值低，一般取70規(guī)定值。(1) 非線性滅磁電阻容量的選擇：空載勵(lì)磁繞組儲(chǔ)能：Wo 0.5 X Lo X lfo2=O.5Rfo X Tdo X Ifo2強(qiáng)勵(lì)時(shí)，勵(lì)磁繞組的儲(chǔ)能，考慮到飽和及耗能分配影響，應(yīng)乘以相應(yīng)系數(shù)2Wc O.5X Lc X (K v X IfN)Wc O.5X KsKr Rfo Td

15、oX (Kv X IfN)2式中 IfN 額定勵(lì)磁電流IfO 空載勵(lì)磁電流Tdo 發(fā)電機(jī)空載時(shí)間常數(shù)Kv 強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)Ks 強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁繞組飽和系數(shù)，一般取 Ks O.4水電取O.6Kr 滅磁時(shí)由滅磁電阻分擔(dān)的磁場總?cè)萘?，一般取Kr O.7Rfo 勵(lì)磁繞組電阻(75°)考慮20%裕度。(2) 非線性滅磁電阻殘壓的選擇：通常非線性電阻最大殘壓U殘一般不低于勵(lì)磁繞組出廠試驗(yàn)電壓的30%，不高于50%。U殘UfN X (35)，可控硅整流一般選4，二極管整流一般選3;U10mA U 殘 / 1.5 o滅磁閥片的動(dòng)作電壓值約為U殘X 1/1.21.3合肥凱立生產(chǎn)的非線性滅磁電阻閥片特點(diǎn)：1.

16、閥片單片容量20KJ，最低電壓不低于280V;2. 閥片流過100A的電壓和流過10mA的電壓比值僅為1.5倍；(殘壓比 K U 殘/ U 10mA 1.5)3. 漏電流小，二分之一 U 10mA電壓下的電流I 1/2 U10mA < 50卩A ；4. 閥片能在持續(xù)運(yùn)行電壓Ue 0.75 U10mA下工作100年。5. 選取閥片數(shù)量時(shí)應(yīng)注意考慮安裝方式， 一般一條組件上壓裝4組(殘壓低于1000V時(shí)最多 可壓裝5組)，每組中最多可串連3片(殘壓低于800V時(shí)最多2片)，每組單獨(dú)配一個(gè)熔 絲；也可采用雙抽頭式，即一條組件上壓裝8組，每兩組共用一個(gè)熔絲。(3) 非全相過電壓保護(hù)器殘壓的選擇：

17、U非全相U殘X 1.5(4) 尖峰吸收器SPA不加SPA出現(xiàn)的尖峰值為：Ui 2.5 X 2 UacU尖峰殘壓 2 Uac X 1.12 X 1.5電容參數(shù)：CJ41 20卩/630V電阻參數(shù)：RX20 100 Q /100W(5) 電源側(cè)過電壓保護(hù)比非線性滅磁電阻殘壓略高。例：哈爾濱第三發(fā)電廠1#機(jī)額定功率200MW三機(jī)勵(lì)磁方式UfN 450VIfN 1765A交流勵(lì)磁機(jī)額定輸出電壓：415V滅磁電阻殘壓：1350V額定能容：0.36MJ非全相及大滑差保護(hù)殘壓：2025V電源側(cè)保護(hù)閥片：1550V(6) KPT組件及D2KPT組件是由可控硅KPT、二極管D1組成，其參數(shù)選?。汗?> 1

18、000A 時(shí)，二極管 D1、D2 選ZP1000A/3200V, KPT選 1000A/3200V; 500Av f v 1000A時(shí)，二極管 D1、D2 選ZP800A/3200V , KPT選 8 00A/3200 V;IfN v 500A時(shí)，二極管 D1、D2 選ZP500A/2500V , KPT選 500A/2500V 。滅磁及過電壓保護(hù)滅磁及過電壓保護(hù)由一柜組成。(1) 開關(guān)柜和電阻柜外觀見下圖：(2) 主要配置：z 進(jìn)口滅磁開關(guān)一臺(tái)z 用于滅磁的氧化鋅非線性電阻z 用于過電壓保護(hù)的非線性過電壓保護(hù)裝置二套非線性滅磁電阻柜z 過電壓保護(hù)動(dòng)作記錄裝置一套z 滅磁開關(guān)動(dòng)作記錄裝置一套z

19、 轉(zhuǎn)子電壓、電流表計(jì)(3) 主要原理及描述a)主回路結(jié)構(gòu)勵(lì)磁系統(tǒng)裝設(shè)快速直流磁場斷路器和非線性電阻來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組的快速滅磁，其中磁場斷路器的作用是快速分?jǐn)啻艌鲭娏鞑⒃跀嗫诳焖俳⒒‰妷?，非線性電阻的作用是在滅磁開關(guān)建壓過程中滅磁回路結(jié)構(gòu)圖使非線性電阻導(dǎo)通消耗磁場能量，同時(shí)使磁場開關(guān)斷口熄弧。圖中R1為滅磁用非線性電阻，R2、R3分別為轉(zhuǎn)子側(cè)和可控硅側(cè)過電壓保護(hù)用非線性電阻,為串聯(lián)線性電阻。b）滅磁電阻的配置我公司采用非線性電阻串低阻值線性電阻的方法，線性電阻的使用有兩方面作用：一是：使得在同樣動(dòng)作整定值時(shí)，非線性電阻的整定值較不用線性電阻時(shí)為低，這有利于磁場電流向非線性電阻的轉(zhuǎn)換（碳化硅特性在較低的電壓下