200MW发电机转子回路的改进方案探讨

云 华 余亚林

（1.石狮清源印染发展有限公司，福建 泉州 362700；2.南海发电一厂有限公司，广东 佛山 528200）

1 引言

发电机转子回路采用何种灭磁方式和过电压保护，关系到发电机定子和转子的安全[1]。某发电厂200MW发电机转子回路采用传统的放电间隙＋过电压击穿保险作为转子过电压保护，在实际运行中缺陷明显[2]。本文分析了现有的转子回路过电压保护的缺点，并提出了解决方法作进一步的探讨。

2 系统概况

2.1 设备参数

某发电厂装机容量为2×200MW，发电机型号为QFSN-200-2，主要参数：有功功率200MW、额定电压15750V、额定电流8625A、功率因素0.85、额定励磁电流1768A、额定励磁电压452V、空载励磁电流668A（#2机600A）、空载励磁电压137V，发电机转子绕组以及铁心均采用“B”级绝缘材料。

自动灭磁开关型号为DM 2-2500/60、额定电压500V、额定电流2500A；灭磁电阻组由7个型号为ZX 9-2/4的电阻器组成，单个电阻器的额定电压660V、额定功率4.6kW、电阻值0.14Ω；过电压击穿保险的型号为RN2-10/5。

2.2 励磁系统运行方式

发电机正常运行时，由永磁付励磁机作电源，经自动励磁调节装置供给主励磁机磁场电流，主励磁机定子电流经整流装置整流后供给发电机转子磁场电流。

2.3 现接线图（见图1）

图1 现有的发电机励磁回路接线图

3 存在的问题

（1）DM 2型灭磁开关（MK）在操作分合闸时，由于功能限制，不能可靠的切断＜600A的转子励磁电流且灭磁时间长，给正常的停机操作带来了不便。

（2）自两台机组投运以来，多次发生转子回路过电压击穿保险熔断的现象，发电机转子回路过电压已经直接威胁到转子的绝缘，表1统计了转子过电压回路击穿保险在过去的3年中熔断的情况。

（3）转子过电压保护采用放电间隙＋过电压击穿保险，当过电压击穿保险熔断后，不能目测到其熔断情况，有可能因为检查疏漏而导致转子无过压保护运行。

（4）从接线图1中可以看出，发电机转子过电压保护仅是对发电机转子保护，当灭磁开关（MK）跳闸后硅整流回路的保护就没有了。

（5）采用放电间隙＋过电压击穿保险有一致命的问题，就是这种间隙长期带有电压，极易老化而引起自燃，这在某厂6kV的高电压开关上发生过多起自燃事故[3]。

表1 近几年发电机转子回路过电压击穿保险熔断器统计

4 原因分析

（1）灭磁开关（MK）DM 2-2500/60型。由于设计不尽合理，对小电流灭弧能力比较差，在转子电流＜600A时该灭磁开关不能可靠灭弧，灭磁时间长是由于线性电阻不能象非线性电阻那样呈指数形式快速吸收电场能的原因。

（2）通过图1和表1分析发现，击穿保险熔断的现象都发生在解列灭磁保护（包括全停，下同）动作的情况下，保护动作于解列灭磁时，为了保证发电机的安全，在发电机主开关动作用于跳闸的同时，为了第一时间切断励磁电流，灭磁开关必须同时动作于跳闸，由于发电机转子回路储存电埸能量以及电感回路电流不能突变的原因，必然在转子回路上产生过电压。

（3）在图1中，励磁回路是采用线性电阻来灭磁的。实际生产过程中，解列灭磁和全停时，转子都贮存了很大的磁场能量，而线性电阻不能在足够短的时间内吸收这些能量，因此，这些能量在短时间的转换过程中易产生高电压而直接威胁转子绝缘。

（4）另外，过电压击穿保险管是密封的，熔丝熔断与否是不能在外观上分辨的，必须取下保险管用仪表测量才可以确定。因此在没有即时发现时，易造成发电机在没有励磁保护状态下运行，从而造成严重的转子绝缘击穿事故隐患。

（5）从图1中可以看出，放电间隙是与灭磁电阻串联后与发电机转子并联的，在机组运行过程中长期带有电压，且这种间隙是密封性间隙，外有厚实的绝缘材料包裹，散热效果不理想，因此容易因散热不及时而自燃。

5 改进方案

（1）采用自20世纪90年代以来在电力系统各大发电厂使用比较稳定的产品DM 4-2500/2型灭磁开关（MK）代替原DM 2-2500/60型灭磁开关（MK）。这种DM 4型灭磁开关（MK）经电力系统各大电厂使用，性能比较稳定，且在小电流（＜600A）情况下的灭弧效果较好。这种灭磁开关具有以下优点：①机械性能稳方面，定可靠，维护量小、检修方便；②电气性能方面，由于采用了双断口灭弧，灭弧能力强，在转子电流小于600A时也能可靠灭弧；③开关合闸性能方面，由于采用了双合闸线圈，合闸力矩大，分、合闸动作可靠。

（2）使用非线性氧化锌电阻ZnO(FR1)代替原线性电阻，见图2。在正常运行时，由于FR1回路串有反相二极管，回路中只有很小的漏电流。当灭磁开关跳闸时，励磁线圈产生的磁场能量将通过二极管和FR1回路，在有良好的非线性特性电阻FR1迅速消耗，达到迅速灭磁的目的。从而使发电机转子电压被牢牢地限制在安全范围内，有效地保护了发电机转子励磁线圈的绝缘安全。

（3）用高性能氧化锌电阻ZnO(FR2)代替原间隙过电压保护器，正常运行时，接入回路中的FR2，FR3共同对励磁回路过电压起保护作用。且U励磁＜500V，电阻FR2，FR3只有很小的漏电流，并不影响机组的正常运行。当高电压侵入励磁回路时，由于FR2，FR3良好的非线性特性，很快地将高电压电场能吸收，从而避免了转子过电压的侵害。同时也克服了间隙因长期带电和散热不良引起自燃的潜在危险。

（4）通过增加FR3，也有了励磁回路电源侧过电压保护。FR3接在励磁回路中，在灭磁开关跳闸时，电源侧线路电感贮存的埸能将迅速消耗在FR3上，从而保护了励磁回路电源侧设备免受过电压损害，克服了原回路励磁回路电源侧没有保护的弊端。

图2 改进方案的发电机励磁回路接线图

6 技术分析

（1）高能ZnO电阻的伏-安特性如图3所示。

图3 高能ZnO电阻伏-安特性图

由伏-安特性曲线可见，非线性ZnO电阻，在截止区：只有很小的漏电流I漏；在导通区：电流随电压的上升迅速呈指数增加，具有很显著的非线性特性；由此可见高能ZnO电阻电压的恒稳定性很好。在发电机转子灭磁时，FR1能将励磁回路中的电场能迅速被吸收，从而使回路两端电压保持在设定的电压范围内。

（2）同样由伏-安特性曲线可知，在任何情况下有高电压侵入励磁回路时，FR2，FR3中通过的电流必将随励磁回路两端的电压升高而增大，但是，由于高能ZnO电阻具有优良的非线性特性，励磁回路两端电压将很快被限制在设定的电压范围内而恢复正常运行，避免了高电压的影响。

（3）高能ZnO电阻FR1应有足够的能量裕度，以保证发电机转子不会因为部分ZnO阀片损坏而致整个高能ZnO电阻损坏。为防止ZnO阀片击穿或损坏时造成发电机励磁回路短路，每一ZnO电阻支路均串有一只快熔保险。在ZnO电阻阀片击穿或损坏时，该保险迅速熔断，使该支路退出运行；另外，发电机事故灭磁及转子过电压时，该保险也可能熔断。如高能ZnO电阻FR1没有足够的能量裕度，且上述保险损坏没有及时发现，则不能保证可靠灭磁。因此这种高能ZnO电阻的能量裕度一般都选择很大，即使在小于50%支路退出运行的情况下仍不会影响装置的正常工作。另外还有一组导通电压较其他组高的ZnO电阻不加熔断器，这样就可以确保整个装置无开路现象。

高能ZnO电阻接线图如图4所示。

图4 高能ZnO电阻接线图

（4）高能ZnO电阻作为灭磁能量的吸收元件，其主要的技术参数如表2所示。

表2 ZnO电阻的主要技术参数

从以上数据可以看出，ZnO电阻的能容量大，通流性能好，脉冲响应时间短，可以起到快速灭磁的作用。

7 结论

通过原有的设计回路和设备选型与改进方案的设计回路和设备选型的对比，我们可以发现在发电机原有励磁回路加装高能ZnO电阻过电压保护装置以及更换DM 4型灭磁开关优点是：①励磁回路切断励磁电流的适应范围扩大了，不再受不能直接切断小于600A励磁电流的限制；②励磁回路灭磁的稳定性提高了，高能ZnO非线性电阻能有效地吸收各种工况下转子绕组能量，能有效地实现理想快速灭磁；③励磁回路过电压保护的可靠性提高了，对提高发电机转子绝缘的安全可靠性有实质性的帮助。目前电力行业内已有许多机组采用高性能ZnO电阻作为转子灭磁电阻和过电压保护，实用效果显著，国内已有数家厂家生产ZnO快速灭磁及过电压保护装置，在技术上已经趋于成熟，在实际应用上也积累了相当的经验，我厂应根据机组具体情况和要求进行选择。

[1] 黄其励主编. 电力工程师手册(第一版)[M]. 北京:中国电力出版社,2002.

[2] 安徽凯立科技集团主编. 同步发电机转子灭磁及过电压其保护装置(第三版)[M].合肥,2001.

[3] 云华.真空断路器阻容吸收器自然原因分析与处理[J].东北电力技术,(总第263期).