【導(dǎo)讀】保持發(fā)電機(jī)端電壓在容許水平上，是保證發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的基。發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，大型同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓不得高于。壓下降,則輸出相同的功率所需的定子電流將增加,從而使損耗增加。行電壓不得低于額定值的90％；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于95％時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)限負(fù)荷運(yùn)行。力設(shè)備也有此問(wèn)題。勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的改善，都有顯著的作用，而且是最為。簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而有效的措施。并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組無(wú)功功率合理分配與發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)差率有關(guān)。若變壓器電抗較大,為使高壓母線(xiàn)電壓穩(wěn)定,功電流在主變壓器上形成的電壓降落,這也稱(chēng)為負(fù)荷補(bǔ)償。式中Eq一發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì);當(dāng)無(wú)勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí),Eq=常數(shù),相應(yīng)功角特性如圖1-1所示。此曲線(xiàn)亦稱(chēng)內(nèi)功率特性曲。假定自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)是無(wú)慣性的,并假定在負(fù)載變化時(shí)可保持發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電勢(shì)Eq'近?，F(xiàn)以圖1-3所示的線(xiàn)路為例,討論在短路故障下功率特性的變化。

　　

【正文】 變能訊速完成。性能較好；對(duì)于自并勵(lì)接線(xiàn)，則逆變性能較差。 ??idSCR 1+LRSCR 6a+beL??idSCR 1+LRSCR 6ab+eL ( a ) ( b ) 圖 232逆變換流失敗后電感放電與激磁的交替過(guò)程 (a)放電； (b)激磁 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 29 在逆變時(shí)若交流電源的電壓消失，則轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組能量不能反饋到交流電網(wǎng)去，可控硅元件之間無(wú)交流電壓的作用而不能實(shí)現(xiàn)換流，最后已導(dǎo)通的一組可控硅元件在勵(lì)磁繞組感應(yīng)電勢(shì) eL 的作用下持續(xù)導(dǎo)通，處于續(xù)流狀態(tài)，直到電感中能量放完。如果所選元件不能承受這種工作狀態(tài)下的電流容量，則可能損壞可控硅元件或燒斷快熔斷器。 如果逆變角β過(guò)小，或者逆變過(guò)程中三相全控橋的觸發(fā)脈沖因故突然消失，則最后導(dǎo)通的一組可控硅元件，將工作在勵(lì)磁繞組電感“放電 —— 激磁 —— 放電”的交替過(guò)程中。例如最后導(dǎo)通的元件是 a相的 SCR1與 b相的 SCR6，如圖 232。當(dāng) b相電位高， a相電位低時(shí)，在電感電勢(shì) eL的作用下電感 L向交流側(cè)放電 ；而當(dāng) a相電位高， b相電位低時(shí)，交流電源又向電感 L充電。這種“一放一充”的過(guò)程也是所謂逆變顛復(fù)，直到電流衰減到元件的維持電流以下，可控硅才能關(guān)斷，結(jié)束這種異常的運(yùn)行狀態(tài)。 在設(shè)計(jì)和調(diào)試三相全控橋時(shí)，應(yīng)考慮到上述這些問(wèn)題。 167。 25 滅磁及過(guò)壓原理 、滅磁 滅磁系統(tǒng)的任務(wù)是以盡快的速度消滅磁場(chǎng)能量，使得發(fā)電機(jī)電壓消失，使得事故降低到最小。 滅磁用電阻可以是線(xiàn)性電阻，可以是非線(xiàn)性氧化鋅滅磁電阻，也可以是非線(xiàn)性碳化硅電阻。在汽輪發(fā)電機(jī)的滅磁中由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為實(shí)心轉(zhuǎn)子具有較強(qiáng)的阻尼作用，即使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁 繞組中的電流迅速衰減到零，但由于阻尼繞組中的電流不能迅速衰減，發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓并不能達(dá)到迅速衰減的目的，而且阻尼繞組中的電流是不可控的，所以在具有較強(qiáng)阻尼作用的發(fā)電機(jī)機(jī)組中多采用線(xiàn)性電阻滅磁。而對(duì)于阻尼作用較弱的發(fā)電機(jī)機(jī)組則多采用非線(xiàn)性電阻滅磁。 滅磁系統(tǒng)的一般要求： （ 1） 在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，滅磁時(shí)間應(yīng)盡可能短； （ 2） 在滅磁過(guò)程中，轉(zhuǎn)子繞組兩端產(chǎn)生的過(guò)電壓應(yīng)在繞組絕緣允許的范圍內(nèi)，即滑環(huán)間容許的過(guò)電壓值。 滅磁方式主要分為以下幾種： 1）串聯(lián)耗能滅磁 滅磁最初就是直接利用耗能開(kāi)關(guān)吸收發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的能量 。比如利用弧間隔燃燒來(lái)耗能， 30 比如俄羅斯的耗能開(kāi)關(guān)。但是這中方式因?yàn)榇嬖谌缦氯秉c(diǎn)： （ 1）體積大 （ 2）不易維護(hù) （ 3）滅磁成功與否取決弧的形成 （ 4）容易引起事故 （ 5）產(chǎn)品隨發(fā)電機(jī)機(jī)組容量需要特殊的訂制，不易產(chǎn)品規(guī)?；?，系列化 所以逐漸被并聯(lián)移能方式的滅磁代替了。 2） 機(jī)械開(kāi)關(guān)并聯(lián)移能滅磁 機(jī)械開(kāi)關(guān)串聯(lián)于勵(lì)磁主回路，滅磁耗能電阻并聯(lián)與轉(zhuǎn)子兩端，這是這類(lèi)滅磁方式的接線(xiàn)方式。如圖： 圖 233機(jī)械開(kāi)關(guān)并聯(lián)滅磁 根據(jù) ANSI/ 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 一般機(jī)械開(kāi)關(guān)需要有至少一對(duì)主觸頭（ MK1）、一對(duì)滅磁常閉觸頭（ MK2）。隨著國(guó)內(nèi) 20年來(lái)采用 ZNO電阻耗能在滅磁系統(tǒng)中的應(yīng)用，滅磁觸頭也不一定必要了。但是值得注意的是，在不采用滅磁觸頭的滅磁系統(tǒng)里，需要認(rèn)真核算ZNO的滅磁殘壓與 ZNO的荷電率。 這類(lèi)滅磁方式在國(guó)內(nèi)是主要的滅磁方式。主回路有明顯的開(kāi)斷觸頭，在勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部故障的時(shí)候，可以開(kāi)斷勵(lì)磁主回路，切斷故障源，快速的消滅發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)，將發(fā)電機(jī)保護(hù)在最小事故內(nèi)。目前使用的機(jī)械開(kāi)關(guān)主要有 DM DM DMX、 E3H、 E4H、 UR、 PHB、 MM7 CEX等。 這類(lèi)滅磁方式的主要問(wèn)題是滅磁開(kāi)關(guān)選擇比較困難，小機(jī)組選大的開(kāi)關(guān)，成本比較高；選小開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足不了工礦要求；大機(jī)組（尤其是超大機(jī)組）水電選開(kāi)關(guān)就非常困難。 3） 電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)移能滅磁 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 31 在前些年，國(guó)內(nèi)一些廠(chǎng)家將滅磁開(kāi)關(guān)建壓任務(wù)，轉(zhuǎn)移到了電力電子器件上來(lái)。主要是利用電容的放電過(guò)程，使可控硅的電流到零，并形成反壓使之關(guān)斷。具體回路如下： 電力電子器件組件控制回路換流回路 圖 234電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)滅磁 這類(lèi)方式開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間快，因此開(kāi)關(guān)在關(guān)斷過(guò)程中所需要的遮斷能容就小。并且電壓的建立速度快，利于快速滅 磁；但是開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性取決于電子回路工作的可靠性。 與機(jī)械開(kāi)關(guān)比較它沒(méi)有觸頭磨損，易于維護(hù)，成本也低。但目前在大電流系統(tǒng)中不宜采用。它存在兩個(gè)問(wèn)題：發(fā)熱問(wèn)題及器件選型問(wèn)題。然而值得注意的是，隨著電力電子器件的快速發(fā)展，高電壓大電流的全控器件也會(huì)在不久投入商業(yè)運(yùn)行。電力電子器件將在滅磁中發(fā)揮更大的作用。但是長(zhǎng)期通流帶來(lái)的發(fā)熱仍是采用這種方法需解決的首要問(wèn)題。 為克服上述兩種滅磁方式的缺點(diǎn)，人們開(kāi)始在材料科學(xué)領(lǐng)域探索，尋找一種既不發(fā)熱，又可以建壓的材料。將 PTC電阻或鉬棒與開(kāi)關(guān)并聯(lián)，利用材料在溫度升高時(shí)電阻急 劇增加的特點(diǎn)，建立比較高的電壓，打通滅磁電阻回路，實(shí)現(xiàn)滅磁。也可以采用超導(dǎo)材料串入回路，在需要滅磁時(shí)使超導(dǎo)材料失超。但是若要建立比較高的電壓，超導(dǎo)體的長(zhǎng)度相應(yīng)比較長(zhǎng)，體積比較大。 由于以上滅磁方式的缺陷，業(yè)內(nèi)人士希望能夠?qū)⒖煽毓枵鳂蛑苯雨P(guān)斷，將機(jī)械開(kāi)關(guān)移至勵(lì)磁變低壓側(cè)。這樣解決了勵(lì)磁系統(tǒng)具有明顯開(kāi)路點(diǎn)的問(wèn)題、又解決了機(jī)械并聯(lián)滅磁方式開(kāi)關(guān)難選擇的問(wèn)題。 4)交流滅磁 滅磁對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)來(lái)講，要相對(duì)容易一些。主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的電感的值比較小，阻尼繞組作用比較明顯。因此，交流滅磁在汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用比較多。交 流滅磁是將直流開(kāi)關(guān)難開(kāi)斷、難建壓的問(wèn)題，轉(zhuǎn)移到勵(lì)磁源的交流側(cè)。如下圖： 32 圖 235 交流滅磁接線(xiàn)圖 圖 236 交流滅磁時(shí)，勵(lì)磁電壓錄波圖 交流滅磁是利用可控硅陽(yáng)極電源負(fù)半周輔助實(shí)現(xiàn)的一種滅磁方式，交流滅磁勵(lì)磁電壓波形如圖 236所示。滅磁開(kāi)關(guān)既可以安裝在交流側(cè)也可以安裝在直流側(cè)，但都必須配合封脈沖的措施 (由于交流滅磁開(kāi)關(guān)跳開(kāi)過(guò)程中同步電源缺相而導(dǎo)致的自動(dòng)封鎖脈沖等效于封脈沖 )，否則都不能實(shí)現(xiàn)交流滅磁。 當(dāng)滅磁開(kāi)關(guān)裝在交流側(cè)時(shí)， 可以利用在滅磁開(kāi)關(guān)打開(kāi)的過(guò)程中一相無(wú)電流而自動(dòng)分?jǐn)嗟奶攸c(diǎn)，并借助可控硅的自然續(xù)流將可控硅陽(yáng)極的交流電壓引入到滅磁過(guò)程中去。即使在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流換流到滅磁電阻支路前，有可控硅的觸發(fā)脈沖使得某個(gè)橋臂的兩個(gè)可控硅直通，形成轉(zhuǎn)子回路短接滅磁，仍然可以保證交流側(cè)滅磁開(kāi)關(guān)的分?jǐn)喽鴮?shí)現(xiàn)自然續(xù)流滅磁。當(dāng)然這樣滅磁時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，按轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) Td0進(jìn)行衰減，而且滅磁過(guò)程中最多只能利用滅磁開(kāi)關(guān)兩個(gè)斷口的弧壓。 當(dāng)滅磁開(kāi)關(guān)安裝在直流側(cè)時(shí)，必須配合封脈沖措施，否則不能實(shí)現(xiàn)交流滅磁。滅磁開(kāi)關(guān)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 33 安裝在直流側(cè)的好處是滅磁過(guò)程中可以充分利用 滅磁開(kāi)關(guān)串聯(lián)斷口的弧壓。事實(shí)上，封脈沖是一種簡(jiǎn)便易行的方法，而其作用非常顯著，因此在采用交流滅磁的場(chǎng)合，封脈沖措施是必須的。 值得注意的是，交流滅磁需要考慮以下兩種情況： 第一，需要考慮機(jī)端三相短路。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路時(shí)，只能夠靠滅磁開(kāi)關(guān)的斷口弧壓滅磁，如果滅磁電阻換流需要的電壓大于交流滅磁開(kāi)關(guān)的斷口電壓，則不能成功滅磁，就會(huì)損壞交流開(kāi)關(guān)?？紤]到這種情況，一般在轉(zhuǎn)子兩端設(shè)置電子跨接器或機(jī)械跨接器，甚至兩者都設(shè)置。 第二，需要考慮到可控硅整流橋臂是否存在可控硅損壞，是否有橋臂短路的情況，以及在交流側(cè)短路的異 常情況下可否可靠滅磁。 當(dāng)然，采用封閉母線(xiàn)的發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)機(jī)端短路可以認(rèn)為基本不存在，一般勵(lì)磁變到整流橋之間短路幾率也比較小。若整流裝置交流側(cè)故障，只要整流橋臂熔斷器選擇合理，是能夠降低此類(lèi)故障幾率的，所以這些異常工況也不必考慮。即使機(jī)端短路也能夠利用短路點(diǎn)比較低的電壓進(jìn)行電流轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)滅磁。 由于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能比較小，電感比較小，加之阻尼比較大，參與滅磁過(guò)程作用比較大，采用短接轉(zhuǎn)子滅磁，也是能夠接受的。所以在配備了跨接器的情況下，可以單獨(dú)采用交流滅磁。然而通常建議在水輪發(fā)電機(jī)滅磁中不選擇單獨(dú)的交流滅磁 。而是選擇機(jī)械開(kāi)關(guān)并聯(lián)移能滅磁或下面介紹的冗余滅磁方案。 5)冗余滅磁 所謂冗余滅磁，是同時(shí)采用兩種及兩種以上的方法滅磁，如在交流、直流側(cè)分別設(shè)置開(kāi)關(guān)，在滅磁過(guò)程中同時(shí)分?jǐn)?，共同建壓，在跳滅磁開(kāi)關(guān)的同時(shí)封鎖脈沖，利用封脈沖后可控硅續(xù)流形成的交流電壓輔助滅磁等等，這類(lèi)滅磁方式的好處是，當(dāng)一種滅磁不能正常工作時(shí)，另外的滅磁方式仍然能夠可靠地實(shí)現(xiàn)滅磁，當(dāng)多種滅磁都正常時(shí)，可以大大降低對(duì)開(kāi)關(guān)的要求。如三峽滅磁設(shè)計(jì)甚至可以在兩重以上故障情況下可靠滅磁。 實(shí)現(xiàn)交直流冗余滅磁可以采用多種方法 ， 不同的方法結(jié)果可能相差很大， 或者需要高性能的交 /直流滅磁開(kāi)關(guān)作為必要的保障。 采用以下的滅磁時(shí)序可以最大限度地降低對(duì)交 /直流滅磁開(kāi)關(guān)的要求，實(shí)現(xiàn)多種工況下的可靠滅磁，即：正常情況下采用逆變滅磁；故障時(shí)首先采用約 12個(gè)調(diào)節(jié)器控制周期的逆變滅磁，然后采用硬件封脈沖手段閉鎖調(diào)節(jié)器輸出脈沖，如果有交流滅磁開(kāi)關(guān)可以同時(shí)跳交流滅磁開(kāi)關(guān)（一般情況交流滅磁并非必須設(shè)置交流滅磁開(kāi)關(guān)，但對(duì)于大型發(fā)電機(jī)配備交流滅 34 磁開(kāi)關(guān)是有益的），最后延時(shí) 6到 7毫秒（對(duì)于 50赫茲而言）跳直流滅磁開(kāi)關(guān) 。 滅磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 由于當(dāng)今大多采用氧化鋅非線(xiàn)性電阻滅磁，所以以下的討論 都是基于氧化鋅非線(xiàn)性電阻。采用碳化硅滅磁時(shí)與氧化鋅非線(xiàn)性電阻滅磁設(shè)計(jì)的原則類(lèi)似。而對(duì)于線(xiàn)性電阻的滅磁，所要考慮的僅僅是滅磁電阻以及電阻功率的選取，標(biāo)準(zhǔn)中有確切規(guī)定，在此也不作詳細(xì)論述。 、滅磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮工況 滅磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需考慮的工況，目前在國(guó)內(nèi)有些爭(zhēng)議。一是建議按照額定負(fù)載下，發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路的工況考核滅磁系統(tǒng)電流、能容以及需要建立的弧壓。二是認(rèn)為在空載發(fā)電機(jī)勵(lì)磁失控誤強(qiáng)勵(lì)的工況來(lái)考核。 通常認(rèn)為最危險(xiǎn)的工況是空載勵(lì)磁失控誤強(qiáng)勵(lì)。此時(shí)開(kāi)關(guān)面臨應(yīng)對(duì)整流輸出直流電壓和滅磁殘壓的疊加，并且電流也上 升到失控強(qiáng)勵(lì)的電流（此電流值不會(huì)比三相短路電流?。?，而且可以證明此時(shí)發(fā)電機(jī)儲(chǔ)存的能量比三相短路的能量要大。因而采用此工況是合適的。具體參見(jiàn)附錄 [4]。 滅磁系統(tǒng)的任務(wù)是以盡快的速度消滅磁場(chǎng)能量，使發(fā)電機(jī)電壓消失，使事故程度降低到最小。那么滅磁設(shè)計(jì)的原則就是： a)能夠轉(zhuǎn)移電流實(shí)現(xiàn)滅磁、 b)安全轉(zhuǎn)移能量、 c)快速消耗能量，其重要性依次遞減。所以，選擇滅磁方式、考核滅磁參數(shù)和配置首要的前提是考慮能夠在最?lèi)毫庸r下滅磁，否則快速都是空談。 、滅磁設(shè)計(jì)需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題 ZnO（這里以及文中其他地方所提到 的 ZnO 均是指低場(chǎng)強(qiáng)高能量的非線(xiàn)性 ZnO 電阻）與SiC相比有較強(qiáng)的非線(xiàn)性特性，在滅磁過(guò)程中磁場(chǎng)電壓幾乎不變，滅磁速度快，可以使發(fā)電機(jī)的滅磁更接近于理想滅磁，因此在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對(duì) ZnO滅磁設(shè)計(jì)中值得注意的問(wèn)題展開(kāi)討論。 在滅磁主回路確定的前提下， ZnO滅磁的設(shè)計(jì)中主要考慮的問(wèn)題包括：滅磁能容的估算、滅磁閥片最大允許通流能力、滅磁裝置最大允許電流、滅磁電阻的殘壓、滅磁電阻正反向荷電率、并聯(lián)支路滅磁電阻的均流和均能等。 1）滅磁容量的計(jì)算 根據(jù) ZnO閥片的試驗(yàn)結(jié)果， ZnO閥片的最大能容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 其標(biāo)稱(chēng)容量。 ZnO非線(xiàn)性電阻的能容量不是設(shè)計(jì)中最重要的因素，因?yàn)?ZnO容量基本能夠滿(mǎn)足滅磁支路最大允許電流時(shí)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 35 能容，而非線(xiàn)性滅磁電阻的損壞主要是由短時(shí)過(guò)電流以及長(zhǎng)期老化引起。以火電 135MW自并激機(jī)組為例，根據(jù)能容的計(jì)算，一般都在 2MJ以下，而發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流一般在 1300A以上。 ，發(fā)電機(jī)最大可能產(chǎn)生的勵(lì)磁電流為額定勵(lì)磁電流的 3倍，即 3900A以上。一般非線(xiàn)性滅磁電阻的并聯(lián)支路數(shù)在 32路以上，甚至不少于 40支路，當(dāng)采用兩個(gè)閥片串聯(lián)時(shí)，則閥片數(shù)量不少于 80片。而閥片的實(shí)際能容都在 30KJ以上，大多數(shù)閥片的最大能容在 5060KJ以上。也就是說(shuō)，當(dāng) ZnO并聯(lián)支路數(shù)滿(mǎn)足要求時(shí)，一般閥片的總能容都遠(yuǎn)遠(yuǎn)在滅磁能容的計(jì)算值之上。 這里有兩點(diǎn)值得大家注意：第一，在我們?cè)诳紤]最危險(xiǎn)滅磁工況時(shí)，滅磁閥片的能容不應(yīng)該簡(jiǎn)單地考慮閥片的標(biāo)稱(chēng)能容，而應(yīng)該考慮閥片的最大能容，在此基礎(chǔ)上考慮均能、均流因素以及一定的裕量。也就是說(shuō)，在考慮發(fā)電機(jī)最危險(xiǎn)滅磁工況時(shí)，閥片的每片能容按 30KJ計(jì)算是可行的。第二，理論上同樣配比的材料燒制出的閥片的能容與閥片的體積成正比，所以同樣截面的 ZnO閥片，殘壓較高的閥片應(yīng)該具有較大 的能容。 2）滅磁閥片的最大通流能力 使用 ZnO非線(xiàn)性電阻，必須了解 ZnO閥片自身的最大通流能力，并做好各個(gè)支路的均流措施，以保證在最?lèi)毫拥墓r滅磁時(shí)，流過(guò)滅磁裝置的任何一個(gè) ZnO支路的最大電流值不超過(guò)它允許通過(guò)的最大電流值。 我國(guó)目前生產(chǎn) ZnO 的廠(chǎng)家生產(chǎn)的閥片標(biāo)稱(chēng)電流