300 MW发电机灭磁系统的改造

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（1.台州发电厂，浙江台州318016；2.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

300 MW发电机灭磁系统的改造

朱晓瑾1，吴跨宇2

（1.台州发电厂，浙江台州318016；2.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

台州发电厂300 MW机组灭磁系统存在灭磁开关弧压低、灭磁电阻能容不足等问题，需进行改造。对新灭磁系统的设备参数进行了分析和计算。更换了灭磁开关，重新配置了灭磁电阻和转子过电压保护，使之满足运行的要求。

发电机；灭磁电阻；灭磁开关；转子过电压保护

随着电力系统的扩大和同步发电机单机容量的增长，快速切除故障电流是确保电力系统稳定和安全运行的必要条件。当发电机内部或外部出现短路或接地故障时，快速切断励磁电流，并在尽可能短的时间内消耗完储藏在发电机转子绕组中的能量。快速可靠地灭磁，是防止发电机过电压的关键。

在发电机组运行中，由于灭磁失败，引起灭磁开关烧毁、励磁设备过压击穿，甚至危及发电机定子绕组的事故屡见不鲜。因此，可靠的灭磁系统对发电机组的安全至关重要。

1 原灭磁系统参数分析

台州发电厂9，10号300 MW机组配备东方电机控制设备有限公司制造的GES3320微机型自并励励磁系统。发电机机组灭磁系统的主要技术参数如表1所示。

灭磁方式采用直流侧移能型灭磁开关加ZnO非线性灭磁电阻的方式，并和逆变灭磁配合使用。正常停机时为逆变灭磁方式，发电机转子中的储能反馈到三相全控桥的交流侧电源中。逆变灭磁过程中，励磁调节器会将晶闸管控制角α设置到最大逆变角，使整流桥由“整流”工作状态过渡到“逆变”工作状态，整流桥输出至转子励磁绕组上是一个反向电压，灭磁速度较快，而转子过电压又在容许范围内。事故时采用跳开灭磁开关在发电机转子绕组接入灭磁电阻的灭磁方式，由ZnO非线性电阻吸收发电机转子中的储能。

表1 灭磁系统主要技术参数

事故情况下，发变组保护出口跳开灭磁开关，切断发电机转子电流，此时转子将因电流变化而产生转子反电势，且在灭磁开关断口产生电弧。当弧压、整流桥输出电压和灭磁电阻续流电压在灭磁开关跳开瞬间满足式（1）后，灭磁电阻回路导通，转子电流从灭磁开关-整流桥回路转移进入灭磁电阻回路进行灭磁，灭磁开关断口熄弧。

随着转子电流在灭磁电阻中流通，发电机转子磁场储能变成热能，最后电流衰减到0。机端电压由于阻尼绕组的作用，以比励磁电流稍慢的速度衰减到残压，灭磁完成。

根据灭磁柜出厂试验报告，灭磁电阻采用3串28并的ZnO非线性电阻接线方式，每个并联支路的伏安特性由式（1）描述：

ZnO电阻的特性是：两端电压衰减速率远远小于其电流衰减速率。当通过的电流较小时，呈现的动态电阻较大；而通过的电流较大时，呈现的动态电阻较小。适当选择非线性电阻的特性和阻值，可以在灭磁初瞬间使转子电压不超过容许值，在灭磁过程中，灭磁电压值变化很小接近理想的恒压灭磁，大大加快了灭磁速度。

分析灭磁系统配置是否满足要求主要考虑以下几个方面：灭磁开关有足够的通流和分断转子电流的能力；灭磁开关的弧压足以完成移能；灭磁电阻的工作能容可保证在整个灭磁过程转子电流正常流通。在空载误强励和三相近端短路两种最严重工况下的灭磁计算结果如表2所示。

表2 灭磁参数计算结果

由此可见，机组在2种最严重故障工况下灭磁的能容量分别为0.905 MJ和1.472 MJ，考虑到安全性，应该取高值即灭磁电阻在理想状态下，可能需要吸收的最大能量为1.472 MJ。而改造前非线性电阻标称能容量为1.26 MJ，不满足要求。

由于空载误强励是考虑励磁系统整流桥失控全开放的特殊运行方式，空载误强励灭磁时的灭磁开关弧压Uarc要求为整流桥输出的误强励励磁电压Ufmax（按表2取1 633 V）与非线性灭磁电阻两端在当前励磁电流下的电压叠加。即：

发电机出口短路时，励磁变电压接近0。此时转子电流转移进入灭磁电阻的开关弧压即为灭磁电阻在最大励磁电流下的电压值URxmax。考虑到出口短路后发电机励磁回路电流主要由周期分量和非周期分量组成，最大励磁电流和开关弧压均应按照开关跳开瞬间前最近一个周期分量和非周期分量叠加峰值考虑，开关弧压要求为：

因此灭磁开关最大弧压取高值为3 016 V。

改造前的灭磁开关通流能力和分断能力满足要求，但是在技术参数中未包含弧压数据。由图1开关的试验波形可见，弧压波形顶部平坦部位的平均值，就是开关的弧压值，其值大约为1 150 V，不满足要求。

图1 ABB E3H/E-MS开关试验波形

2 新系统的配置和计算

根据以上分析结论，对灭磁系统进行改造时需要更换灭磁开关。为保持较快的灭磁速度，灭磁电阻仍采用ZnO非线性电阻，但需要增加工作能容，并配合新灭磁开关弧压水平设计其残压水平。考虑到安全裕度，新灭磁开关的弧压要求在3 200 V以上。在考虑均能系数、均流系数和在严重工况下灭磁时可能出现的熔断器熔断、灭磁电阻组件退出的情况，配置的灭磁电阻能容量在2 MJ以上。改造后的灭磁及过压保护接线如图2所示，主要技术参数如表3所示。

图2 改造后灭磁及过压保护

表3 主要技术参数

图2中F2，RV2，V1，V2，TA1，R1，TR1组成转子侧过电压保护跨接器，正常运行时V1不导通，正向励磁电压被V1阻隔，反向虽然有二极管V2导通，但励磁电压反向峰值很低，所以ZnO电阻RV2承受电压不高，荷电率很低，可保证其长期工作寿命，不易老化。正向过电压袭来时，通过分压电阻R1使触发器TR1动作，输出触发脉冲使V1触发导通，RV2立即接入转子回路导通吸能限压；过电压消失后，RV2的续流即下降到mA级，小于V1的维持电流，V1自行截止，跨接器复归关断。反向过电压由二极管V2导通限压，同样自动恢复截止。正向过压保护动作电压值可通过改变R1阻值来整定，调整方便。图2中F3，RV3，V2，V3，TA1，R2，TR2组成电源侧过电压保护跨接器，工作原理类同。

灭磁方式仍采用灭磁开关+ZnO非线性电阻+逆变灭磁。发电机转子最大储能按空载误强励状态的储能计算。根据试验及大量的使用经验，RV1能量容量值可由式（2）估算：

式中：Wde为灭磁电阻RV1标称能量容量；k1为容量储备系数，考虑运行中30%熔断器退出后仍可保证可靠灭磁的要求，取1.3；k2为耗能分配系数，取经验值0.5；k3为发电机磁场最大储能系数，取为4；k4为阀片均能系数，取0.9；Wf0为转子绕组的空载储能；Lf0为转子绕组在空载时的不饱和电感；If0为空载励磁电流；Td0为定子绕组三相开路时的转子绕组时间常数；Rf为转子绕组直流电阻（75℃时）。

由此可以算得：

考虑到机端三相短路的严厉工况和必要的安全裕量，选取Wde=2.4 MJ。

确定灭磁电阻后，校核灭磁开关的弧压：

空载误强励时：Uarcmax=Ufmax+Urx=1 633+900×（3 983÷80）0.027=2 633 V

发电机出口短路时：Uarcmax=URxmax=900×（7 075 ÷80）0.027=1 016 V

因此，灭磁开关的弧压按2 800 V考虑，是符合要求的。

该套灭磁系统在中科院等离子所利用大电感进行了1∶1灭磁试验，试验波形见图3。试验时励磁电压电流最大值分别为938.8 V和4 239.7 A，灭磁时间1 350 ms，灭磁能量2 401.36 kJ。试验结果表明，新的灭磁系统满足设计和机组的最大灭磁工况要求。

3 结语

发电机转子回路灭磁开关配合灭磁电阻作为目前广泛使用的灭磁方式，可靠性主要受灭磁开关弧压和灭磁电阻能容量的影响。以台州发电厂9，10号机灭磁装置为研究对象，计算、分析了灭关弧压参数低、灭磁电阻能容不足的问题。计算磁装置的性能参数。通过改造，解决了原灭磁开和试验证明，改造后的灭磁系统满足标准规定故障工况的灭磁要求。提供的有关灭磁系统参数实用计算方法，可供同行在励磁系统设计选型、参数校核和设备改造工作中参考。

图3 灭磁试验波形

[1]DL/T 650-2006大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件[S].北京：中国电力出版社，2006.

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（本文编辑：杨勇）

Retrofit of De-excitation System for 300 MW Generator

ZHU Xiao-jin1，WU Kua-yu2
（1.Taizhou Power Plant，Taizhou Zhejiang 318016，China；2.Zhejiang Electric Power Corporation Research Institute，Hangzhou 310014，China）

In order to deal with the problems of the de-excitation system for the 300 MW unit in Taizhou Power Plant including excessively low arc voltage of the de-excitation switch and de-excitation resistance capacity shortage etc，the retrofit is needed.This paper analyzes and calculates the parameters of the new deexcitation system equipments.The de-excitation switch is replaced and the de-excitation resistance and rotor over-voltage protection are reconfigured to meet the operation requirements.

generator；de-excitation resistance；de-excitation switch；rotor over-voltage protection

TM761+.11

：B

：1007-1881（2012）07-0030-03

2012-05-04

朱晓瑾（1974-），女，浙江三门人，硕士，高级工程师，从事发电厂继电保护和自动装置的技术管理工作。