1、1水轮发电机新型灭磁方案陈贤明 王伟 吕宏水 刘国华 朱晓东( 国电自动化研究院 电气控制研究所 南京 323 信箱 , 210003)摘要：大型水轮发电机通常采用的非线性电阻灭磁的方法，对灭磁开关的开断弧压要求愈来愈高，其机理是要求开关开断时，磁场绕组 的自感 电势大於非线性电阻的残压。本文首先介 绍了用电容器灭磁的原理，然后解释了利用 R,L,C 串联谐 振 时产生高电压，来迫使非线性电阻投入运行的新方法，降低了 对灭磁开关开断弧压的要求，并对此进行了仿真， 证明了它的可行性。关键词:水轮发电机，灭磁，非线性电阻， 电容器，灭磁开关开断弧压New Method of De-excitati
2、on for Hydraulic GeneratorChen,Xianming Wang,Wei Lu,Hongshui Liu,Guohua Zhu,Xiaodong( Nanjing Automation Research Institute, P.O.Box 323 Nanjing 210003)Abstract: Requirement for arc voltage during opening of field breaker is higher and higher, for de-excitation with varistor ,generally adopted for l
3、arge hydraulic generator. In fact, E.M.Fof field winding is required higher than threshold of varistor during opening of field breaker. In the paper the principle of de-excitation with capacitors is introduced. Then high voltage produced by R,L,C series oscillation is used to forcing varistor put in
4、to operation ,which decreases the requirement for opening arc voltage of field breaker. A simulation is completed to confirm it availability.Keywords: Hydraulic Generator, De-excitation, Varistor, Capacitor, Arc voltage for opening of field breaker0). 前言 大型发电机的灭磁对发电机安全是极其重要的，尤其随着国内三峡水电厂的 26台 700Mw水轮
5、发电机的陆续投运，以及下一个 10年，可能有多达近百台这类机组投运，灭磁问题的合理解决，显然十分迫切。同步发电机灭磁也经历过几个阶段，1)最早是利用磁场开关加线性电阻的方案，灭磁开始磁场开关的常闭触头先合上，接通带线性电阻的灭磁回路，然后断开磁场开关的常开主触头，切断励磁电源。这种方法在中、小发电机中至今仍有应用，是十分有效的。缺点是灭磁速度取决于灭磁电阻的大小，灭磁电阻愈大，灭磁愈快，但引起的反电压也高，因而导致灭磁速度不够快。2)我国在上世纪 60年代引进了前苏联生产的串联式带灭弧栅的自动灭磁开关，它的灭磁速度快，如国内的 DM2型的自动灭磁开关，曾经得到广泛采用，但在多年使用中也暴露出了
6、这类开关的一些缺点，如小电流下电弧建立不起来，容易烧坏触头，另外机械结构复杂，加工要求高，维护检修困难，如果磁场能量超过开关允许值，将烧毁开关。3)针对上述灭磁开关的缺点，在上世纪 70年代未，采用磁场开关加非线性电阻的灭磁方案得到发展，它和用线性电阻灭磁的方案类似，由于这时在灭磁过程中磁场绕组反电压基本不变，因此它的灭磁速度远比用线性电阻要快，和 DM2型串联式灭磁开关相近。它也是属于移能式灭磁，灭磁时磁场能量主要由非线性电阻吸收，灭磁开关主要起开断作用，这种灭磁方式优点之一，可根据发电机磁场能量的大小，配置非线性电阻的容量，十分灵活，因此曾得到推广应用，也受到广大的电厂运行人员的欢迎。只是
7、近年在如三峡 700Mw这类大型发电机应用上，遇到了新问题，因这类发电机的励磁电压、励磁电流都十分大，要满足用非线性电阻灭磁，对灭磁开关的开断时弧压 Uk有一定要求。事实上图 1中灭磁开关断开时，磁场2电流 i减小，磁场绕组产生与电流变化率正比的感应电势 e，但电流变化率很难确定，然而可按回路电势合成为零确定，在这里即 UUk+e=0，得出 Uk=U+e，而 e是加于非线性电阻上，要使其导通，应不小于非线性电阻的残压。图 1 靠灭磁开关的开断弧压 Uk的灭磁机理现以三峡水电厂 700Mw机组 ABB公司提供的数据为例， 额定励磁电压，电流 475.9V ,4158A 整流变压器付边线电压=12
8、43v 假定同空载误强励使发电机机端电压上升 1.3倍，这时励磁电源最大电压幅值为=1.321243=2285V如果非线性电阻残压选为 2000v，则要求磁场开关开断时的弧压不小于 4300V，如还留有一些裕量，就得要求开断弧压达 5000V，通常带灭弧栅的分隔短弧的灭磁开关，每个灭弧栅间隔电压为2530V，要达到 5000V就需要 200167 灭弧栅间隔，实际上难以做在一只开关上，需要分成多只开关串联完成，三峡发电机用的直流灭磁开关就是由 8只开关串联而成(见图 5)。 4).带 PTC元件的移能式灭磁开关电路。 针对上述要求高开断弧压开关的困难，国内有关人员提出了利用正向温度系数(PTC
9、)的非线性元件来 图 2.带 PTC元件的灭磁电路降低对开断弧压要求。如图 2正常时当磁场开关FMK闭合，PTC 被短路，处于冷态情况，温度较低电阻很小，当 FMK断开时，几乎全部励磁电流都转移至 PTC元件的支路中，导致 PTC元件温度升高，电阻值增大，电压升高，消耗能量加大，温度进一步升高，形成正反馈，最终导到 Uk=Uz+UL 得以保证非线性电阻投入工作，达到快速灭磁的结果。然而 PTC非线性元件的配方，性能控制，制造成本，也是个问题，虽然减低了对灭磁开关开断弧压的要求，增加 PTC使具体电路变得更复杂一些，另外还有 PTC本身可靠性的问题。5).本文提出的新型灭磁电路，其目的也是为了降
10、低对灭磁开关开断弧压的要求, 图 3. 新型灭磁方案图 3就是这个灭磁电路。应该指出在灭磁电路中采用电容器来代替灭磁电阻的想法，很早就有人考虑过1,图 4就是用电容器灭磁的方案。1). 利用电容器灭磁的原理图 4 用电容器 C灭磁的方案灭磁时磁场开关 FB常闭触点，先将电容器 C接入灭磁支路，然后断开磁场开关 FB的常开主触头，使和励磁电源分断，注意这时的灭磁回路由磁场绕组的电感 L,电阻 R和灭磁用电容器 C组成的L,R,C串联回路，其微分方程可列写如下：其中 UcdtiLidtci亦即 (1)tRtC2它的特征方程为 LCp2+RCp+1=0 p=d/dt 为微分算子，其特征根 (2)LCp1)(22,1当 R 2 p1,2 负实数，属于过阻尼的非周CL3期情况，当 R= 2 p1,2 相等的负实数，属于CL临界阻尼情况，当 R “电力工厂”论文集 1950 No.12 pp13-24前苏联国家动力出版社。 (俄文)
