发电机灭磁和过压保护系统介绍课件.ppt

1、发电机灭磁和过压保护系统介绍发电机灭磁和过压保护系统介绍1 1、灭磁系统的主要任务、灭磁系统的主要任务2 2、灭磁系统的分类及原理介绍、灭磁系统的分类及原理介绍3 3、励磁系统的过电压及其抑制、励磁系统的过电压及其抑制1、灭磁系统的主要任务、灭磁系统的主要任务z灭磁系统的任务灭磁系统的任务 以尽快的速度消耗发电机转子磁场能量，从而使发电机端电压消失，将事故损失降低到最小。dcbaRE可控硅整流桥发电机主断路器发电机母线a表示发电机机端短路，b表示定子绕组接地，c表示转子滑环直接短路，d表示整流器装置故障 z灭磁系统的一般要求灭磁系统的一般要求 (1)在发电机内部发生短路时，灭磁时间应尽可能短；

2、(2)在灭磁过程中，转子绕组两端产生的过电压应在绕组（包括滑环等）绝缘允许的范围内。通常取发电机额定工况下励磁电压的35倍之间。1 1、灭磁系统的主要任务、灭磁系统的主要任务2 2、灭磁系统的分类及原理介绍、灭磁系统的分类及原理介绍3 3、励磁系统的过电压及其抑制、励磁系统的过电压及其抑制2 2、灭磁系统的分类及原理介绍、灭磁系统的分类及原理介绍 灭磁可分为两大类：正常停机灭磁和事故停机灭磁z 正常停机灭磁:逆变灭磁z 事故停机灭磁:(1)直流灭磁z 串联式耗能型灭磁开关z 机械开关+线性电阻z 移能型灭磁开关+非线性电阻 (2)交流灭磁 (3)冗余灭磁正常停机逆变灭磁正常停机逆变灭磁z对于三

3、相全控晶闸管整流励磁方式的发电机组正常停机，常采用逆变灭磁。z逆变灭磁要求整流桥交流进线电压正常，以保证可控硅整流桥换相正确。z优点：操作简单，无须跳开灭磁开关，灭磁开关和灭磁电阻不需要消耗能量。z图1为其灭磁波形，对于自并励系统，逆变时uf也随if减小而减小。图1 逆变灭磁波形2 2、灭磁系统的分类及原理介绍、灭磁系统的分类及原理介绍 灭磁可分为两大类：正常停机灭磁和事故停机灭磁z 正常停机灭磁:逆变灭磁z 事故停机灭磁:(1)直流灭磁z 串联式耗能型灭磁开关z 机械开关+线性电阻z 移能型灭磁开关+非线性电阻 (2)交流灭磁 (3)冗余灭磁串联式耗能型灭磁开关灭磁串联式耗能型灭磁开关灭磁z

4、作用原理：作用原理：耗能式灭磁开关灭磁的原理如图2所示，同步电机励磁绕组1带电阻r电感L由励磁机2供电压U，灭磁用耗能式开关有主触头3，弧触头4和灭弧栅5，合闸和分闸线圈8和9.灭磁开始主触头3先分开，这时不产生电弧，因为和它并联的弧触头4没分开，之后经极短时间弧触头分开，便产生了电弧，后者在由专门磁铁产生的外部交轴磁场H的作用下，进入灭弧栅5燃烧。灭弧栅将电弧分割成串联的短弧，这些短弧一直要烧到励磁绕组中的电流到零。灭弧栅的电弧电压Ud如试验表明，在很广的电流范围内保持恒定，它等于 Ud=Ukn=const (1)其中，Uk为灭弧栅中邻近二片板间的短弧电压(如为金属板时Uk=(2530v),

5、n为灭弧栅中的间隔数。图2 耗能式灭磁开关灭磁的原理 这类开关早先从苏联引进，上世纪60年代左右用得很多，国产型号有DM2,DM31500/2500等，其优点：原理比较简单，灭磁速度快。z缺点：(1)由于灭磁时磁场能量全都消耗在开关中，开关体积较大 (2)机械结构复杂，维护检修困难 (3)小电流下磁吹力不够时易造成主触头烧环 (4)如果磁场能量过大，超过开关容量会烧毁开关 (5)灭磁过程中电源仍向磁场绕组供电z这种方式逐渐被并联移能方式的灭磁方式所取代。图3 耗能式开关灭磁时的磁场电流、电压波形(a)灭弧栅间隔未接均压电阻6时，熄弧时有过压毛刺(b)灭弧栅间隔接入均压电阻6时，可消除过压毛刺2

6、 2、灭磁系统的分类及原理介绍、灭磁系统的分类及原理介绍灭磁可分为两大类：正常停机灭磁和事故停机灭磁z 正常停机灭磁:逆变灭磁z 事故停机灭磁:(1)直流灭磁z 串联式耗能型灭磁开关z 移能型灭磁开关+非线性电阻z 机械开关+线性电阻 (2)交流灭磁 (3)冗余灭磁图8 碳化硅和氧化锌非线性电阻特性的对比a 碳化硅阀片；b 氧化锌阀片 z非线性电阻非线性电阻，主要是SiC和ZnO。目前国内主要是采用ZnO，因为采购容易，价格便宜，灭磁残压容易控制。SiC采购主要是国外进口，不方便，同时价格也高；而且在灭磁残压的控制上，选择SiC需要额外地小心，避免开关配合不合理导致灭磁事故。但由于它不存在均流

7、的问题，加之压接要比ZnO容易，安装方便，体积较小，所以在国内也有小范围的应用。z由图8可看出，氧化锌非线性电阻阀片具有较小的泄漏电流和较陡的非线性特性。移能型灭磁开关移能型灭磁开关+非线性电阻非线性电阻z非线性灭磁原理图如图9所示，励磁整流器LP的整流电压Ud、磁场断路器MK的灭磁弧压Uk、非线性灭磁电阻Rm 的灭磁电压Umz有时为防止非线性电阻在正向磁场电压下，因漏电流引起发热，接入二极管阻止其正向流通.图9 非线性灭磁原理图z第一阶段：灭磁开关分闸、拉弧、建立转子反电势。第一阶段：灭磁开关分闸、拉弧、建立转子反电势。在这个阶段的初始时刻，灭磁开关主触头分断，在触在这个阶段的初始时刻，灭磁

8、开关主触头分断，在触头之间产生直流电弧，并由电弧电流在吹弧线圈中产头之间产生直流电弧，并由电弧电流在吹弧线圈中产生吹弧磁力，从而使直流电弧拉长并进入灭磁开关的生吹弧磁力，从而使直流电弧拉长并进入灭磁开关的灭弧栅。由于直流电弧被拉长后其弧电阻增加，促使灭弧栅。由于直流电弧被拉长后其弧电阻增加，促使灭磁开关主触头两端的电压升高，直至达到非线性电灭磁开关主触头两端的电压升高，直至达到非线性电阻的动作值。阻的动作值。z第二阶段：非线性电阻换流、移能，转子灭磁。第二阶段：非线性电阻换流、移能，转子灭磁。在这个阶段的开始时刻，由于灭磁开关触头断开引起的在这个阶段的开始时刻，由于灭磁开关触头断开引起的转子反

9、向过电压使非线性电阻由阻断变成导通，从而使转子反向过电压使非线性电阻由阻断变成导通，从而使原经过灭磁开关构成的励磁电流通路转换为由非线性电原经过灭磁开关构成的励磁电流通路转换为由非线性电阻与转子之间构成通路，进而使灭磁开关断口熄弧，完阻与转子之间构成通路，进而使灭磁开关断口熄弧，完成励磁电流由灭磁开关向非线性电阻的换流。成励磁电流由灭磁开关向非线性电阻的换流。z在磁场断路器分断后，转子与灭磁电阻形成闭合回路，由灭磁电阻及转子电阻消耗转子的储能使发电机灭磁。z如果换流成功,Im=If,Ik=0。只有当磁场断路器的开断弧压Uk大于或等于励磁整流电源电压Ud与灭磁电阻电压Um之和时,励磁电流才能保证

10、换流成功,即成功换流条件是公式(2)。UkUmUd (2)z如果换流失败，放电灭磁就变成单纯的开关灭磁(也称串联灭磁)，此时的磁场断路器不仅要承担断流的任务，还要承担消耗磁场能量的任务。图10 非线性灭磁时电流电压波形 强励对直流灭磁的影响：当励磁整流装置在灭磁时处于强励状态时,图9中Ud 的极性是正,成功换流条件简化为公式(3)。UkUm+2Ud (3)此时,需要Uk 值很高。一旦Uk 值达不到要求且磁场断路器的灭弧能力又不够时,就会发生换流失败,造成磁场断路器损坏等事故。从这方面看SiC的特性比ZnO要好，但ZnO灭磁速度优于SiC。逆变对直流灭磁的影响：当励磁整流装置在灭磁时处于逆变状态

11、,比如跳灭磁开关前先逆变灭磁,图9中Ud 的极性是负,成功换流条件简化为公式(4)。UkUm-Ud (4)此时,需要Uk 值不高,换流条件很容易满足,灭磁安全可靠。封脉冲对直流灭磁的影响：假如在+A 和-C 可控硅导通时切除其触发脉冲,原来截止的其他4只可控硅不再导通,已导通的+A 和-C 在转子电感的作用下继续维持导通,此时发电机灭磁回路等效原理图如图11所示，此时要求：UkUm+U2msin(wt)（5）切除触发脉冲后，整流桥维持在脉冲切除前导通的两个可控硅运行，输出为励磁变二次侧的交流线电压。在交流负半周，可降低对断路器弧压的要求。图11 发电机灭磁回路等效原理图图12 华能平凉600M

12、W机组灭磁回路原理图 图12是华能平凉600MW机组灭磁回路原理图 正常停机：逆变停机 事故停机：跳灭磁开关投灭磁电阻图13 华能平凉600MW机组跳灭磁开关录波波形2 2、灭磁系统的分类及原理介绍、灭磁系统的分类及原理介绍灭磁可分为两大类：正常停机灭磁和事故停机灭磁z 正常停机灭磁:逆变灭磁z 事故停机灭磁:(1)直流灭磁z 串联式耗能型灭磁开关z 移能型灭磁开关+非线性电阻z 机械开关+线性电阻 (2)交流灭磁 (3)冗余灭磁z线性电阻线性电阻由耐高温金属材料构成，是一种传统的可靠的灭磁方式，并得到了广泛的应用。z在汽轮发电机的灭磁中由于发电机转子为实心转子，具有较强的阻尼作用，即使发电机

13、励磁绕组中的电流迅速衰减到零，但由于阻尼绕组中的电流不能迅速衰减，发电机的机端电压并不能达到迅速衰减的目的，而且阻尼绕组中的电流是不可控的，所以在具有较强阻尼作用的发电机机组中多采用线性电阻灭磁。机械开关机械开关+线性电阻线性电阻z线性灭磁原理图如图4所示，灭磁时灭磁开关FB的常闭触点先合上，接入灭磁电阻R，使转子电流if 有一条通路，接着常开主触点断开，励磁电流全部流入灭磁回路，这时磁场绕组上电压方向与电流相反。由于发电机转子电感很大，if不能突变，这时的反压为 ifR。z过去励磁标准中规定R=(23)磁场绕组的电阻。(DL/T 650-1998)z灭磁时磁场电流、电压如图5。z优点：可靠性

14、较高，延用至今。z缺点：灭磁速度较慢，单位能容量的电阻体积较大。图4 线性灭磁原理图图5 线性灭磁时电流电压波形图6 华润南热660MW机组灭磁回路原理图 图6为华润南热660MW机组灭磁回路原理图，电子跨接器和机械跨接器并联，确保机组能够顺利灭磁。正常停机：逆变灭磁 事故停机：合跨接器投灭磁电阻、跳灭磁开关图7 华润南热660MW机组跳灭磁开关录波波形2 2、灭磁系统的分类及原理介绍、灭磁系统的分类及原理介绍灭磁可分为两大类：正常停机灭磁和事故停机灭磁z 正常停机灭磁:逆变灭磁z 事故停机灭磁:(1)直流灭磁z 串联式耗能型灭磁开关z 移能型灭磁开关+非线性电阻z 机械开关+线性电阻 (2)

15、交流灭磁 (3)冗余灭磁z(1)脉冲正常对交流灭磁的影响 在发电机交流励磁回路中,三相灭磁开关MK串联在励磁变的低压侧回路中,MKa、MKb、MKc是MK的三个断口,如图14所示。假如在+A 和-C 可控硅导通时进行交流灭磁,即此时跳开MK,因Ib=0,灭磁开关断口MKb轻松开断。由于在脉冲正常情况下跳MK,触发脉冲每隔3.3 ms 按照如下顺序施加于6 只可控硅:+A、-C、+B、-A、+C、-B。现在+A 和-C 两管已经触发导通,在转子电感的续流作用下,励磁电流If 继续通过这两个可控硅以及励磁变AC两相,使得开关断口MKa 和MKc不能关断熄弧,Ia=-Ic。图14 发电机交流灭磁回路

16、原理图交流灭磁交流灭磁 接下来+B 可控硅被触发,但是此时B相阳极电源已经断开,故+B可控硅不能导通,电流仍经+A和-C流通;再过3.3ms-A被触发,这时-A的阳极电压已转为正向,故-A导通,-C截止;励磁电流If 经-A及+A短路续流,Ia=Ic=0,MKa和MKc熄弧开断。由于-A和+A可控硅导通压降很小,与之并联的非线性灭磁电阻无法投入灭磁,Im=0。因转子回路时间常数很大,故If 衰减缓慢,灭磁时间很长,起不到快速灭磁的保护作用。在不影响脉冲正常的条件下进行交流灭磁,会造成励磁电流经同相可控硅短路,尽管交流灭磁开关也可以轻松分断,但灭磁电阻无法投入工作,放电灭磁变为续流灭磁,达不到快

17、速灭磁的目的。(2)(2)封脉冲对交流灭磁的影响 在图15中,假如在+A和-C可控硅导通时切除其触发脉冲,原来截止的其他4只可控硅不再导通,已导通的+A和-C在转子电感的作用下继续导通,此时可以将MKa、MKc+A、-C视为短接,励磁变Uac电压直接进入发电机励磁绕组,励磁电压Uf 变为交流波,If 衰减缓慢,如图15所示。整个发电机交流灭磁回路可以等效为一个交流电压源和一个直流电流源串联。一旦Uf的负电压大于Rm残压,换流成功,灭磁开关就会关断熄弧,励磁电流快速衰减,交流灭磁任务完成。图15 发电机交流灭磁等效回路原理图 交流交流灭磁成功的必要条件是：灭磁成功的必要条件是：(1)加在灭磁电阻

18、回路的电压大于该回路的转折电压，则灭磁电阻回路导通，励磁电源回路续流的两只元件因电压反偏而截止，开关因断口电压低而熄弧。在灭磁电阻回路转折电压一定的情况下，因交流线电压负半波的作用，对开关弧压的要求降低了。(2)整流回路必须是可控硅全控整流桥而不能是二极管整流桥或带续流二极管的可控硅半控整流桥。2 2、灭磁系统的分类及原理介绍、灭磁系统的分类及原理介绍灭磁可分为两大类：正常停机灭磁和事故停机灭磁z 正常停机灭磁:跳灭磁开关,逆变灭磁z 事故停机灭磁:(1)直流灭磁z 串联式耗能型灭磁开关z 机械开关+线性电阻z 移能型灭磁开关+非线性电阻 (2)交流灭磁 (3)冗余灭磁z同时采用两种及以上的方

19、法灭磁，如在交流、直流侧分别设置开关，在灭磁过程中同时分断，共同建压，在跳灭磁开关的同时封锁脉冲，利用封脉冲后可控硅形成的交流电压辅助灭磁等等。这类灭磁的好处是，当一种灭磁不能正常工作时，另外的灭磁方式仍然能够可靠地实现灭磁，当多种灭磁都正常时，可以大大降低对开关的要求。如三峡灭磁设计甚至可以在两重以上故障下都可靠灭磁。z三峡电厂采用交直流双重灭磁方案，不仅在励磁直流侧设置有大型直流灭磁开关，而且在励磁交流侧设置有交流灭磁开关，整个灭磁系统及转子过电压保护原理如图16所示。冗余灭磁冗余灭磁 正常停机：逆变灭磁，逆变结束后仅跳开交流灭磁开关S102。事故停机：采用投灭磁电阻跳灭磁开关的放电灭磁方

20、式，先跳直流灭磁开关S101，后跳交流灭磁开关S102，即直流灭磁为主，交流灭磁为辅。S107是S102分断前投灭磁电阻的开关。S102和S107的关系是：合S107后再分S102；合S102后再分S107。当转子出现过电压时，A1或A2被触发，投入SiC非线性电阻R101，抑制转子过电压。图16 三峡电厂灭磁系统原理图1 1、灭磁主要任务、灭磁主要任务2 2、灭磁分类及原理介绍、灭磁分类及原理介绍3 3、励磁系统的过电压及其抑制、励磁系统的过电压及其抑制3 3、励磁系统的过电压及其抑制、励磁系统的过电压及其抑制z过电压产生的原因与危害：过电压产生原因主要是：雷击、操作、换相、拉弧、失步、非全

21、相合闸等，主要在励磁变二次侧和转子侧。即整流装置的交流侧和直流侧。针对交流侧可以采用硒堆、阻容、非线性电阻、阻断式阻容等；直流侧可以采用阻容、非线性电阻，跨接器等。z过电压抑制：交流侧过电压设置压敏电阻尖峰电压抑制器一套，抑制操作、雷击过电压；采用集中阻断式过电压吸收装置一套，抑制可控硅整流桥的换流、反向恢复的过电压；直流侧在灭磁开关两侧分别放置一套过电压保护装置，其中灭磁开关电源侧，过电压保护主要是抑制能量比较小的瞬间过电压；灭磁开关转子侧，过电压保护主要抑制非全相运行和短时异步运行过电压。集中阻断式阻容保护，不仅接线简单，减轻可控硅开通的负担、增强可控硅的过压保护可靠性，而且能够缩短整流桥

22、换相重叠时间，加速换流过程。MQS1MQS22162FR62CF(3SCR)(3D)62SCR62D1K 2A66RD2162MCJKA 12(1FR)61FL1(FL1)2A60A161FR4460DKAsic44(1R)260FR(1D)12212112RY321RY121RY2FU2321123RX23RX2332112FU23RX2332112FU231R31C3122R1C1212142V22V26V24141V21V25V23143C2R22121FMKDBL03(2SCR)61SCR2(2D)1AC61CF65RD61MCJ61FRK61D122KA112Az过电压装置的配置：图17 过电压配置