滅磁系統(tǒng)設(shè)計原則

由于當(dāng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)中有確切規(guī)定。

滅磁系統(tǒng)設(shè)計考慮工況

滅磁系統(tǒng)設(shè)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(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)勵磁失控誤強(qiáng)勵的工況來考核。

通常認(rèn)為最危險的工況是空載勵磁失控誤強(qiáng)勵。此時開關(guān)面臨應(yīng)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(qiáng)勵的電流（此電流值不會比三相短路電流?。铱梢宰C明此時發(fā)電機(jī)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(shè)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(qiáng)高能量的非線性ZnO電阻）與SiC相比有較強(qiáng)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(jī)的滅磁更接近于理想滅磁，因此在我國得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對ZnO滅磁設(shè)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(shè)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(shí)上根據(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)稱容量。ZnO非線性電阻的能容量不是設(shè)計中最重要的因素，因?yàn)閆nO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(jī)組為例，根據(jù)能容的計算，一般都在2MJ以下，而發(fā)電機(jī)的額定勵磁電流一般在1300A以上。IEC37.18標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)電機(jī)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(dāng)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(shí)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(dāng)ZnO并聯(lián)支路數(shù)滿足要求時，一般閥片的總能容都遠(yuǎn)遠(yuǎn)在滅磁能容的計算值之上。

這里有兩點(diǎn)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(yīng)該簡單地考慮閥片的標(biāo)稱能容，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，在考慮發(fā)電機(jī)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(yīng)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(jī)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(diǎn)：

a.體積大

b.不易維護(hù)

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(jī)機(jī)組容量需要特殊訂制，不易規(guī)?；盗谢?

由于這些缺點(diǎn)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(jī)械開關(guān)并聯(lián)移能滅磁

機(jī) 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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般機(jī)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(yīng)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(rèn)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(jī)主磁場，將發(fā)電機(jī)損失控制在最小范圍內(nèi)。使用的機(jī)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(jī)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(jī)機(jī)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(wù)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(diǎn)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(jī)械開關(guān)比較它沒有觸頭磨損，易于維護(hù)，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(yùn)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(diǎn)，人們開始在材料科學(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電阻或鉬棒與開關(guān)并聯(lián)，利用材料在溫度升高時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)體的長度相應(yīng)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(jī)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(diǎn)的問題、又解決了機(jī)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(jī)相比，滅磁對于汽輪發(fā)電機(jī)要相對容易一些。主要因?yàn)檗D(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(jī)勵磁系統(tǒng)應(yīng)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(fù)半周輔助實(shí)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(dǎo)致的自動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?jǐn)嗟奶攸c(diǎn)，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(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?jǐn)喽鴮?shí)現(xiàn)自然續(xù)流滅磁。當(dāng)然這樣滅磁時間會比較長，按轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Td0進(jìn)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(dāng)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(shí)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(shí)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(jī)端三相短路。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)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(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(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(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(shè)置開關(guān)，在滅磁過程中同時分?jǐn)?，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(dāng)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(shí)現(xiàn)滅磁，當(dāng)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(shè)計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[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(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(shè)置交流滅磁開關(guān)，但對于大型發(fā)電機(jī)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)對任何容量、任何參數(shù)發(fā)電機(jī)組的可靠滅磁，重點(diǎn)解決的技術(shù)問題就是，利用無源電力電子器件，實(shí)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(jì)指標(biāo)

預(yù)計達(dá)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為，徹底杜絕發(fā)變組事故滅磁或勵磁系統(tǒng)故障誤強(qiáng)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(dǎo)致發(fā)變組事故擴(kuò)大的情況發(fā)生，減少一次這類事故就相當(dāng)于數(shù)倍該項(xiàng)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(hù)成本，相比動則數(shù)十萬的進(jìn)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(shè)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(wù)，所依托的就是葛洲壩電廠的機(jī)組模型，對大型水電廠具有典型的代表性，當(dāng)然對三峽電廠等超大型機(jī)組也具有應(yīng)用價值和實(shí)際需要，以應(yīng)對和解決三峽機(jī)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(jì)指標(biāo)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(jī)組的投產(chǎn)，若能運(yùn)用此項(xiàng)自主創(chuàng)新的自動滅磁新技術(shù)，解決好機(jī)組滅磁安全的問題，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(yīng)力(KJ) 極限滅磁要求的電應(yīng)力(KJ) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性 滅磁不安全性 性能系數(shù) 經(jīng)濟(jì)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(jìn)口開關(guān)/ZnO 120 240 4 5 5 50 0.1

上項(xiàng)改進(jìn)配置ZnO∥Rx 120 120 4 3 15 50 0.3

SX全進(jìn)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

針對大型發(fā)電機(jī)磁場開關(guān)在滅磁可靠性方面存在的問題，提出一種全新的超級安全自動滅磁配置方式，并定名為“無源零開斷的自動滅磁裝置及方法”。本發(fā)明運(yùn)用無源電力電子器件，組成多個功能組，與勵磁主回路構(gòu)成拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的巧妙連接，使之既不影響正常運(yùn)行的參數(shù)性能，又隨時為事故滅磁做好準(zhǔn)備，還順便提供了強(qiáng)大的吸收諧波過電壓的功能，一但接到滅磁指令，雙重啟動功能組動作，接通放電移能功能組的放電通道，預(yù)充電容器迅速放電轉(zhuǎn)移磁場電流，再反向充電建壓導(dǎo)通滅磁電阻完成滅磁。本發(fā)明也是一套新型的滅磁技術(shù)方法，將難以控制的滅磁過程完全掌控起來，不但滅磁性能大幅提升，成本造價卻可節(jié)約五成以上，具有很高的性價比。