同步发电机励磁系统灭磁及过电压保护技术发展方向.doc

电气技术高研班系列培训教材 同步发电机励磁系统灭磁及过电压保护技术发展方向 第一章 引言 1．1发展概况 灭磁就是在发电机组的内部发生故障时，在转子绝缘允许的情况下，尽快地将发电机转子绕组中励磁电流所产生的磁场减弱到尽可能小的过程。当发电机组内部发生短路或发电机出口变压器出现短路故障时，灭磁可使发电机的感应电势迅速下降至零，尽可能减少故障造成的损失。 八十年代以前国内由于发电机组容量小，主要是直流励磁机励磁。随着发电机机组容量的增加，又出现了由直流励磁机带交流励磁机，再加二极管整流给发电机励磁的三机励磁系统。这两种励磁系统的励磁电源输出电压平稳，电压纹波系数小，调节反应速度慢，强励倍数小，基本上采用灭磁开关串联灭磁。三机励磁系统的灭磁电路接线简单，灭磁速度较直流励磁机系统的要快，因开关动作次数少，开关本身一些问题未能暴露出来。 到八十年代，发电机单机容量越来越大，三机励磁的缺点越明显，如发电机体积庞大，机轴长，震动大，造价高，顶值倍数低，调节反应速度慢等等。随着硅元件技术的不断成熟，出现了可控硅静止励磁系统即自并励系统。该系统具有：功耗小，机轴短，震动小，厂房小，造价低，调节反应速度快，顶值倍数大的优点。 随着发电机单机容量的增加，可控硅快速励磁系统的采用以及励磁功率的加大，耗能型的短弧栅片灭磁系统能力不足，灭磁开关拒动及小电流不能吹弧等问题越来越充分地暴露出来，尤其是上个世纪八十年代初期，曾多次发生DM2灭磁开关烧毁事故，甚至因此而导致发电机定子或转子烧伤的事故。 1983年白山电厂投运的300MW水电机组是当时国内水轮发电机组中单机容量最大，转子时间常数最长，阳极电压最高，采用了可控硅自并励系统的机组。转子灭磁是用两台DM2-2500型灭磁开关串联灭磁方式。正常灭磁时，灭磁速度快；而强励、误强励时，灭磁速度慢，每次灭磁，灭磁开关的弧触头、灭弧室烧损严重；逆变时，威胁转子绝缘电压，甚至导致转子绕组绝缘击穿；而由于阳极电压达1300伏，换向尖峰电压可达4200伏，致使励磁系统常常出问题，引起误强励，导致灭磁开关动作次数增加，开关动作次数的增加，使得开关本身的许多问题暴露出来。如开关机构不可靠，弧触头与主触头配合不易调节，有拒动问题，小电流分断能力弱，吹弧不稳定，开关电流、弧电压、及灭磁能量不易调节，弧触头和吹弧室烧损严重，开关动作后必须进行处理等。 为了解决自并励系统中串联灭磁的灭磁电压不稳定的问题，到1984年，提出了并联灭磁方式。并联灭磁的灭磁电压不再受励磁电源电压波动的影响，而直接由吸能元件的残压决定。开关仅用作开断励磁电源，故又称之为直流断路器或磁场断路器。要求开关开断时建立的弧电压应大于励磁电源电压和灭磁残压之和。否则将无法断开励磁电源，将转子电流迫入吸能元件中，导致烧开关。从84年至94年这十年时间，基本上完成了从串联灭磁到并联灭磁的转换。 为了解决DM2灭磁开关小电流分断能力弱，吹弧不稳定，开关弧电压不易调节，弧触头和吹弧室烧损严重，开关动作后必须进行处理等问题，到八十年代中期，提出了可控硅电子开关换流开断方式和熔断器开断方式及DM4型磁场断路器加氧化锌非线性电阻的灭磁方法。 自八十年代中期至九十年代中期，一直围绕着开关、熔断器问题进行探讨，而对灭磁和过电压问题的讨论趋于低调。 但在这段时间内，许多机组出现过非全相异步运行，烧毁灭磁元件。还发现了可控硅整流时换相尖峰过电压对励磁系统造成故障的现象。 94年至98年，解决了非全相保护和换相尖峰过电压的吸收问题。 98年又出现了多台自并励机组事故灭磁时，烧毁DM4开关的现象。 99年1月5日国家励磁协会在上海召开会议，专题讨论三峡水电站发电机灭磁问题。三峡水电站发电机的阳极电压为1500伏，励磁绕组已按现行绝缘标准订制，如何解决阳极电压、开关弧电压和转子绕组的绝缘之间的矛盾？开关如何选择？会上提出将交流灭磁方式作为2000年的攻关项目。99年10月17日在合肥召开了交流灭磁研讨会，会议期间与会者观看了交流灭磁的试验，肯定了交流灭磁方案的可行性。 2转子灭磁及过电压保护的基本要求和参数 1．2．1基本名词 吸能元件是指发电机灭磁过程中主要消耗转子绕组贮能的器件。 灭磁能量是指在灭磁过程中吸能元件能够消耗的能量数。 灭磁时间是指从发电机开始灭磁到定子电压下降到定子额定输出电压的百分之五的时间。 荷电率是指长期加在吸能元件上的最高电压与其U10mA之比值。当荷电率在75%以下，非线性电阻可长期工作。 尖峰率是指在可控硅励磁方式中，励磁电源由于可控硅换相产生的尖峰电压与其阳极电压峰值之比。 残压是指非线性电阻中流过某一电流Imax时，在线性电阻元件两端产生的电压峰值Umax。 动作寿命是指吸能元件在正常灭磁过程中，允许灭磁的次数。 一次回路是指励磁主回路。 二次回路