自并励励磁系统灭磁原理与工程应用

李 阔

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

自并励静止励磁系统是指发电机励磁电源通过励磁变压器和整流装置从发电机机端直接取得。自并励励磁系统没有旋转部分，便于维护，在响应速度上较无刷励磁系统具备明显的优势，随着电力电子技术的不断发展，大功率可控整流装置的可靠性已经大大提高；电力系统中快速保护的应用，可在某些极端异常工况（如机端三相短路）时快速切除故障，提高了电力系统的暂态稳定性。电力系统稳定器（PSS）的投入，也可有效地提升自并励静止励磁系统的动态稳定性[1]。

图1 自并励励磁系统示意图

1 汽轮发电机自并励励磁系统灭磁原理

在自并励机组的设计中，灭磁设计十分重要，特别是随着主机容量的增加，发电机灭磁系统也越来越受到重视。灭磁系统原理总体分为两种：灭磁开关耗能型和移能型灭磁方式。对于自并励励磁系统，目前基本选用移能型灭磁方式。

1.1 自并励励磁系统灭磁开关选型

灭磁开关多选用瑞士ABB，赛雪龙UR系列，HPB系列，也有少数选择GE灭磁开关。与其他品牌灭磁开关相比，ABB开关价格便宜，质量较好。但 ABB开关因其结构所限，导致其单断口弧压很低，在工程实践中只能采用将多个断口串联起来使用，以此来提高其弧压。对于容量 200MW 以下的汽轮发电机励磁系统，多选用 ABB系列灭磁开关（E3H或E1B系列）；而对于容量200MW以上的汽轮发电机励磁系统，则多选用瑞士赛雪龙（UR或HPB系列）或GE系列灭磁开关。

1.2 自并励励磁系统灭磁电阻选型

灭磁电阻可以是线性电阻，非线性氧化锌或碳化硅灭磁电阻。

如果选用非线性电阻做为灭磁电阻，需要先对SiC与ZnO这两种电阻的特性进行一下比较说明：

1）ZnO的压敏电压比SiC的要高，在应用中要求灭磁开关有建立较高弧压的能力。

2）ZnO非线性电阻比SiC非线性电阻灭磁时间短，漏电流较小。

3）ZnO非线性电阻使用起来比较方便，可直接跨接进行使用。

4）ZnO非线性电阻的老化问题比较严重，在受潮和久置后特性容易发生改变，而SiC灭磁电阻不存在这方面的问题。

在工程实践中，国产励磁系统多采用ZnO灭磁电阻，而进口励磁系统多采用SiC灭磁电阻[2]。

考虑到汽轮发电机转子巨大的阻尼作用，阻尼绕组中的电流不能迅速衰减，实现快速灭磁十分困难，在实际工程实践中，除采用ZnO灭磁电阻外，采用线性电阻灭磁也是比较合适的[3]。

如图2所示，对于空载发电机，转子时间常数为 T′do=Lf/RL，接入灭磁电阻R后变为Lf/(RL+RM)，理论上讲，灭磁电阻的阻值越大，时间常数越小，灭磁速度会更快。

图2 线性电阻灭磁电路示意图

灭磁电阻阻值越大，在灭磁过程中灭磁电阻流过相同的电流时产生的过电压会更高，甚至可能会危害到转子绝缘的安全。汽轮发电机自并励静止励磁技术条件中要求，在强励状态下灭磁时发电机转子过电压值不应超过4～6倍额定励磁电压值[3]。限制过电压值，保护发电机安全是灭磁过程中需要考虑的重要问题。实际灭磁情况非常复杂，采用线性电阻灭磁，由附加电流而增加的反压会很大，为了保证在最严重工况下灭磁时不产生威胁转子的过电压，在工程实践中一般选择线性电阻为发电机转子电阻的2.5倍左右，这需要牺牲一定灭磁时间。

1.3 自并励励磁系统灭磁成功的基本条件

灭磁成功的关键为快速将磁场电流从灭磁开关转移到灭磁电阻上来[4]。

要实现磁场电流的快速转移，必须要满足磁场电流的转移条件。

以四断口灭磁开关为例：

式中，Uk为灭磁开关断口弧压；Ud为可控硅整流输出直流电压；URV为灭磁电阻导通电压。

1.4 自并励励磁系统灭磁原理基本论述

若选用ABB公司（相关及相近型号）灭磁开关，其四断口的最大弧压总和仅为1400V左右[5]，在严重工况下（励磁调节器误强励）可能将导致灭磁失败，烧毁灭磁开关。因此，在工程实践中通常采取交流灭磁技术。即在跳开灭磁开关之前，将可控硅脉冲封锁掉，可选用在灭磁开关线圈前一级接入双位置继电器线圈，用双位置继电器的辅助结点来封脉冲[6]，如图3所示。

图3 ABB灭磁开关跳闸操作回路示意图

假设跳闸瞬间，三相全控桥中导通的晶闸管为+A相和-C相晶闸管，而此时脉冲已经封闭，其它的四个晶闸管不可能导通，因转子电流为感性电流不能突变，可保持晶闸管继续导通，此时整流桥输出电压为阳极电压（一个周期 20ms），当阳极电压来到负半周时，Ud值变为负值，根据式（1）可见，可以很容易地满足灭磁换流的条件了。

图4 交流灭磁等效电路图

若选用其他品牌灭磁开关（如赛雪龙 HPB系列），该灭磁开关弧压可达3500V左右，较ABB灭磁开关有明显提高，可以保证在发电机强励期间发生机端三相短路，发电机空载误强励事故跳闸时，灭磁开关顺利完成移能换流[7]。因该灭磁开关无放电触头，在设计时需采用跨接器将灭磁电阻投入的方式进行弥补。

但在某些极端情况下，如励磁变压器高压侧发生短路故障，励磁变压器二次侧电压基本为零，经过晶闸管整流桥输出的电压也为零，即使采用交流灭磁技术，也没有负半波电压可以叠加到灭磁开关的弧压上，如该灭磁开关的弧压无法保证磁场能量转移至ZnO中消耗，将可能烧毁灭磁开关，导致事故范围扩大。尽管励磁变压器高压侧发生短路故障的概率极小，但透过这点可以看出，尽管采用交流灭磁技术可使灭磁变得更加可靠，但其无法完美地填补灭磁开关的固有缺陷，在工程实践中选用开关弧压较高的灭磁开关将具有更高的可靠性。

2 灭磁装置在具体工程实践中的应用

2.1 ABB灭磁开关配合非线性灭磁电阻灭磁

工程实例：某工程为国内 2×50MW 自并励汽轮发电机组，额定励磁电压为159V，额定励磁电流1667A，发电机直轴开路瞬变时间常数T′do为6，发电机转子电阻为 0.1Ω，励磁变副边电压 330V，该工程技术协议中要求采用非线性电阻灭磁方式。

非线性灭磁电阻容量计算

首先计算转子绕组空载储能：

W0=0.5×L×，其中 L=Rf×T′do将相关参数带入求解

式中，Wde为灭磁电阻标称能量容量，MJ；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；k2为耗能分配系数，火电可取0.5；k3为发电机磁场最大储能系数，考虑铁心饱和影响，取为5；k4为均能系数，取为0.9；If0为空载励磁电流，A；Rf为转子绕组直流电阻（75℃时），Ω。

由此可以算得

考虑必要的安全裕量，实际选取

灭磁残压计算：

该工程选用ABB公司E3H/E-MS-2500A/1000V灭磁开关。为保证灭磁成功，综合考虑计算结果及安全裕量，选取ZnO压敏电阻的残压为900V[8]。

根据该工程的实际参数可知：Uk1+Uk2+Uk3+Uk4（四断口弧压总和）需大于 1600V，才可以保证磁场电流顺利转移。因此，需采用交流灭磁技术，才能保证可靠灭磁。

该工程自2013年5月份改造完成投运至今，一直运行良好，未发生因励磁系统灭磁装置故障而导致的失磁事故。

2.2 赛雪龙HPB灭磁开关配合线性电阻灭磁

工程实例：某工程为国内2×350MW新投产自并励汽轮发电机组，额定励磁电压为467V，额定励磁电流 2030A，发电机直轴开路瞬变时间常数 T′do为 9.86。灭磁电阻为线性电阻，因发电机转子电阻为0.225Ω，故将线性电阻阻值取为0.5 Ω。

线性电阻容量计算：

强励励磁储能量

灭磁电阻吸能量 WFR（考虑大部分能量被转子铁心内涡流消耗，根据经验汽轮发电机组实际释放的能量为存储能量的0.5）

考虑一定的裕度，实际灭磁电阻能容量取：

转子过电压保护回路采用非线性电阻，根据电力部行业标准规定，转子侧过压保护残压应为转子出厂耐压试验的30%到50%，且过电压保护动作电压最高瞬时值不得超过励磁绕组出厂对地耐压试验电压的70%：

综合以上计算及安全考虑，可取

该工程灭磁开关采用赛雪龙公司HPB45-82S型灭磁开关。

该工程已经在现场完成了静态和动态调试，具备并网条件。其灭磁装置的选配已经通过试验的检验，得到了用户的认可。

3 结论

汽轮发电机自并励励磁系统灭磁装置的选配，是励磁系统设计中的关键环节，要结合机组参数，工程成本，用户使用习惯及相近工程成功范例进行综合考虑，并在设计中严格按照相关标准进行选型计算，本文所列举的两个工程实例可以满足现场实际要求。成熟的工程设计需要考虑现场各种工况下设备运行的可靠性，并不断在工程实践当中进行改进。

[1]孟凡超, 吴龙. 发电机励磁技术问答及事故分析[M].北京: 中国电力出版社, 2008.

[2]许其品, 孙素娟, 程小勇. 大型发电机组合灭磁方式[J]. 电力系统自动化, 2007, 31(15): 70-73.

[3]DL/T 843—2010 大型汽轮发电机励磁系统技术条件[S]. 北京: 中国电力出版社.

[4]何用辉, 蒋云平. 大型同步发电机新型灭磁系统分析[J]. 大电机技术, 2009(3): 51-53.

[5]陈子明, 胡晓东, 余前军, 等. 磁场断路器的弧压试验[J]. 大电机技术, 2009(6): 53-56.

[6]彭明. ABB非线性电阻灭磁存在的问题与改进建议[J]. 长江工程职业技术学院学报, 28(4): 38-40.

[7]薛小平, 王文新, 陈小明. 大型水电厂磁场断路器安全性分析[J]. 人民长江, 2011(9): 80-83.

[8]周浩, 余守红. 高能 ZnO压敏电阻在发电机灭磁中的应用[J]. 功能材料, 2004年增刊(35)卷：1458-1460.