發(fā)電機滅磁系統(tǒng)的分析與計算

由于當今大多采用氧化鋅非線性電阻滅磁，所以以下的討論都是基于氧化鋅非線性電阻。采用碳化硅滅磁時與氧化鋅非線性電阻滅磁設計的原則類似。而對于線性電阻的滅磁，所要考慮的僅僅是滅磁電阻以及電阻功率的選取，標準中有確切規(guī)定。

滅磁系統(tǒng)設計考慮工況

滅磁系統(tǒng)設計所需考慮的工況，在國內(nèi)有些爭議。一是建議按照額定負載下，發(fā)電機機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。二是認為在空載發(fā)電機勵磁失控誤強勵的工況來考核。

通常認為最危險的工況是空載勵磁失控誤強勵。此時開關(guān)面臨應對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勵的電流（此電流值不會比三相短路電流小），而且可以證明此時發(fā)電機儲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。

滅磁設計需要考慮的幾個問題

ZnO（這里以及文中其他地方所提到的ZnO均是指低場強高能量的非線性ZnO電阻）與SiC相比有較強的非線性特性，在滅磁過程中磁場電壓幾乎不變，滅磁速度快，可以使發(fā)電機的滅磁更接近于理想滅磁，因此在我國得到了廣泛的應用。本文主要針對ZnO滅磁設計中值得注意的問題展開討論。

在滅磁主回路確定的前提下，ZnO滅磁的設計中主要考慮的問題包括：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。

滅磁容量的計算

事 實上根據(jù)ZnO閥片的試驗結(jié)果，ZnO閥片的最大能容遠遠大于其標稱容量。ZnO非線性電阻的能容量不是設計中最重要的因素，因為ZnO容量基本能夠滿足滅磁支路最大允許電流時的能容，而非線性滅磁電阻的損壞主要是由短時過電流以及長期老化引起。以火電135MW自并激機組為例，根據(jù)能容的計算，一般都在2MJ以下，而發(fā)電機的額定勵磁電流一般在1300A以上。IEC37.18標準規(guī)定，發(fā)電機最大可能產(chǎn)生的勵磁電流為額定勵磁電流的3倍，即3900A以上。一般非線性滅磁電阻的并聯(lián)支路數(shù)在32路以上，甚至不少于40支路，當采用兩個閥片串聯(lián)時，則閥片數(shù)量不少于80片。而閥片的實際能容都在30KJ以上，大多數(shù)閥片的最大能容在50-60KJ以上。也就是說，當ZnO并聯(lián)支路數(shù)滿足要求時，一般閥片的總能容都遠遠在滅磁能容的計算值之上。

這里有兩點值得大家注意：第一，在我們在考慮最危險滅磁工況時，滅磁閥片的能容不應該簡單地考慮閥片的標稱能容，而應該考慮閥片的最大能容，在此基礎上考慮均能、均流因素以及一定的裕量。也就是說，在考慮發(fā)電機最危險滅磁工況時，閥片的每片能容按30KJ計算是可行的。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，殘壓較高的閥片應該具有較大的能容。2100433B

串聯(lián)耗能滅磁

磁最初就是直接利用耗能開關(guān)吸收發(fā)電機轉(zhuǎn)子中儲存的能量。比如俄羅斯生產(chǎn)的耗能開關(guān)利用弧間隔燃燒來耗能。但是這種方式存在如下缺點：

a.體積大

b.不易維護

c.滅磁成功與否取決于弧的形成

d.容易引起事故

e.產(chǎn)品根據(jù)發(fā)電機機組容量需要特殊訂制，不易規(guī)?；盗谢?

由于這些缺點的存在，采用耗能開關(guān)的滅磁方式逐漸被并聯(lián)移能滅磁方式代替。

機械開關(guān)并聯(lián)移能滅磁

機 械開關(guān)串聯(lián)于勵磁主回路、滅磁耗能電阻并聯(lián)在轉(zhuǎn)子兩端是這類滅磁的接線方式。

ANSI/IEEEC37.18-1979標準規(guī)定，一般機械開關(guān)需要有至少一對主觸頭（MK1）、一對滅磁常閉觸頭（MK2）。20年來，隨著國內(nèi)ZnO電阻耗能在滅磁系統(tǒng)中的應用，滅磁觸頭也并非必要了。但值得注意的是，在不采用滅磁觸頭的滅磁系統(tǒng)中，需認真核算ZnO的滅磁殘壓與荷電率。

這類滅磁方式在國內(nèi)是主要的滅磁方式。主回路有明顯的開斷觸頭，在勵磁系統(tǒng)內(nèi)部故障時，可以開斷勵磁主回路，切斷故障源，快速地消滅發(fā)電機主磁場，將發(fā)電機損失控制在最小范圍內(nèi)。使用的機械開關(guān)主要有DM2、DM4、DMX、E3H、E4H、UR、PHB、MM74、CEX等。

這類滅磁方式的主要問題是滅磁開關(guān)選型比較困難。小機組選大的開關(guān)，成本比較高；選小開關(guān)滿足不了工況要求；大型尤其是巨型水力發(fā)電機機組開關(guān)選擇更為困難。

電子開關(guān)并聯(lián)移能滅磁

前 些年，國內(nèi)一些廠家將滅磁開關(guān)建壓任務轉(zhuǎn)移到電力電子器件上來。其原理是利用電容的放電過程，使可控硅的電流降到零，并形成反壓使之關(guān)斷。

這類方式下開關(guān)動作時間短，因此開關(guān)在開斷過程中所需遮斷能容就小，并且建壓速度快，利于快速滅磁。但其缺點是開關(guān)動作的可靠性取決于電子回路工作的可靠性。

與機械開關(guān)比較它沒有觸頭磨損，易于維護，成本也低。但在大電流系統(tǒng)中不宜采用。它存在兩個問題：發(fā)熱問題及器件選型問題。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在不久投入商業(yè)運行。電力電子器件將在滅磁中發(fā)揮更大的作用。但是長期通流帶來的發(fā)熱仍是采用這種方法需解決的首要問題。

為克服上述兩種滅磁方式的缺點，人們開始在材料科學領域探索，尋找一種既不發(fā)熱，又可以建壓的材料。將PTC電阻或鉬棒與開關(guān)并聯(lián)，利用材料在溫度升高時電阻急劇增加的特點，建立比較高的電壓，打通滅磁電阻回路，實現(xiàn)滅磁。也可以采用超導材料串入回路，在需要滅磁時使超導材料失超。但是若要建立比較高的電壓，超導體的長度相應比較長，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，將機械開關(guān)移至勵磁變低壓側(cè)。這樣解決了勵磁系統(tǒng)具有明顯開路點的問題、又解決了機械并聯(lián)滅磁方式開關(guān)難選擇的問題。

交流滅磁

與水輪發(fā)電機相比，滅磁對于汽輪發(fā)電機要相對容易一些。主要因為轉(zhuǎn)子電感值較小，阻尼繞組作用比較明顯，因此交流滅磁在汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)應用較多。交流滅磁是將直流開關(guān)難開斷、難建壓的問題轉(zhuǎn)移到勵磁源的交流側(cè)。

交流滅磁是利用可控硅陽極電源負半周輔助實現(xiàn)的一種滅磁方式。滅磁開關(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(由于交流滅磁開關(guān)跳開過程中同步電源缺相而導致的自動封鎖脈沖等效于封脈沖)，否則都不能實現(xiàn)交流滅磁。

當滅磁開關(guān)裝在交流側(cè)時，可以利用在滅磁開關(guān)打開的過程中一相無電流而自動分斷的特點，并借助可控硅的自然續(xù)流將可控硅陽極的交流電壓引入到滅磁過程中去。即使在發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流換流到滅磁電阻支路前，有可控硅的觸發(fā)脈沖使得某個橋臂的兩個可控硅直通，形成轉(zhuǎn)子回路短接滅磁，仍然可以保證交流側(cè)滅磁開關(guān)的分斷而實現(xiàn)自然續(xù)流滅磁。當然這樣滅磁時間會比較長，按轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Td0進行衰減，而且滅磁過程中最多只能利用滅磁開關(guān)兩個斷口的弧壓。

當滅磁開關(guān)安裝在直流側(cè)時，必須配合封脈沖措施，否則不能實現(xiàn)交流滅磁。滅磁開關(guān)安裝在直流側(cè)的好處是滅磁過程中可以充分利用滅磁開關(guān)串聯(lián)斷口的弧壓。事實上，封脈沖是一種簡便易行的方法，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，需要考慮機端三相短路。當發(fā)電機機端三相短路時，只能夠靠滅磁開關(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關(guān)的斷口電壓，則不能成功滅磁，就會損壞交流開關(guān)?？紤]到這種情況，一般在轉(zhuǎn)子兩端設置電子跨接器或機械跨接器，甚至兩者都設置。

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。

當然，采用封閉母線的發(fā)電機組發(fā)電機機端短路可以認為基本不存在，一般勵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，是能夠降低此類故障幾率的，所以這些異常工況也不必考慮。即使機端短路也能夠利用短路點比較低的電壓進行電流轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)滅磁。

由于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子儲能比較小，電感比較小，加之阻尼比較大，參與滅磁過程作用比較大，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，可以單獨采用交流滅磁。然而通常建議在水輪發(fā)電機滅磁中不選擇單獨的交流滅磁。而是選擇機械開關(guān)并聯(lián)移能滅磁或下面介紹的冗余滅磁方案。

冗余滅磁

所謂冗余滅磁，是同時采用兩種及兩種以上的方法滅磁，如在交流、直流側(cè)分別設置開關(guān)，在滅磁過程中同時分斷，共同建壓，在跳滅磁開關(guān)的同時封鎖脈沖，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，這類滅磁方式的好處是，當一種滅磁不能正常工作時，另外的滅磁方式仍然能夠可靠地實現(xiàn)滅磁，當多種滅磁都正常時，可以大大降低對開關(guān)的要求。如三峽滅磁設計甚至可以在兩重以上故障情況下可靠滅磁。

實現(xiàn)交直流冗余滅磁可以采用多種方法[2]，不同的方法結(jié)果可能相差很大，或者需要高性能的交/直流滅磁開關(guān)作為必要的保障。

采用以下的滅磁時序可以最大限度地降低對交/直流滅磁開關(guān)的要求，實現(xiàn)多種工況下的可靠滅磁，即：正常情況下采用逆變滅磁；故障時首先采用約1-2個調(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，如果有交流滅磁開關(guān)可以同時跳交流滅磁開關(guān)（一般情況交流滅磁并非必須設置交流滅磁開關(guān)，但對于大型發(fā)電機配備交流滅磁開關(guān)是有益的），最后延時6到7毫秒（對于50赫茲而言）跳直流滅磁開關(guān).

研究一種即有高效率、高性能，又有高可靠的新型自動滅磁方式。技術(shù)關(guān)鍵是首個超高電氣強度下的磁場電流轉(zhuǎn)移新技術(shù)，徹底擺脫了開關(guān)的束縛，通過巧妙的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)配合，即可實現(xiàn)對任何容量、任何參數(shù)發(fā)電機組的可靠滅磁，重點解決的技術(shù)問題就是，利用無源電力電子器件，實現(xiàn)零電流、零電壓的零開斷滅磁。

自動滅磁裝置技術(shù)經(jīng)濟指標

預計達到的技術(shù)經(jīng)濟指標為，徹底杜絕發(fā)變組事故滅磁或勵磁系統(tǒng)故障誤強勵滅磁，因磁場開關(guān)容量不足而燒毀的事故，或因滅磁時間長、滅磁不成功而導致發(fā)變組事故擴大的情況發(fā)生，減少一次這類事故就相當于數(shù)倍該項目投資的損失。同時該裝置性能很高但造價平平，具有很高的性價比和很低的維護成本，相比動則數(shù)十萬的進口龐然大物來，可謂物美價廉、簡單可靠。

該技術(shù)成果，就是根據(jù)具體的對象而設計的一套技術(shù)方案和計算方法，可以根據(jù)用戶需求提供全面的技術(shù)服務，所依托的就是葛洲壩電廠的機組模型，對大型水電廠具有典型的代表性，當然對三峽電廠等超大型機組也具有應用價值和實際需要，以應對和解決三峽機組滅磁存在的潛在危險，用該計算分析方法對三峽滅磁所作的分析，證明了這方面問題的存在。

自動滅磁裝置經(jīng)濟指標和效益

特別是針對十一五期間國家水電發(fā)展的規(guī)劃，一大批超大型水電機組的投產(chǎn)，若能運用此項自主創(chuàng)新的自動滅磁新技術(shù)，解決好機組滅磁安全的問題，其技術(shù)經(jīng)濟指標和效益是巨大的，簡單列表對比如下：

技經(jīng)性能滅磁方式 磁場開關(guān)的安全電應力(KJ) 極限滅磁要求的電應力(KJ) 結(jié)構(gòu)復雜性 滅磁不安全性 性能系數(shù) 經(jīng)濟合理性(萬/套) 性價比

GZB國產(chǎn)開關(guān)/ZnO 150 400 3 5 6 30 0.2

GZB進口開關(guān)/ZnO 120 240 4 5 5 50 0.1

上項改進配置ZnO∥Rx 120 120 4 3 15 50 0.3

SX全進口配置/SiC 240 600 5 4 25 250 0.1

SX零開斷自動滅磁/ZnO 0 48 3 1 30 50 0.6

SX無開斷自動滅磁 　 48 1 1 32 40 0.8

GZB零開斷自動滅磁/ZnO 0 15 3 1 15 25 0.6

GZB無開斷自動滅磁 　 15 1 1 12 15 0.8