基于MATLAB的灭磁时间仿真计算

陈灵峰，刘玉玉，李雪强

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台317200）

1 引言

发电机内部故障时（如定子短路），在继电保护跳开发电机出口开关的同时，还应由发电机灭磁系统把励磁电流尽快降到零，使得发电机电动势和短路电流也最快的衰减到零，以实现故障点熄弧，避免事故扩大，减小故障损失。

对于当前的大型同步发电机来说，转子中储存的能量较大，且装设的灭磁开关大多数是移能型而非耗能型开关。因此发电机灭磁通常采用在励磁回路并联灭磁电阻的方法，将转子中的能量转移到灭磁电阻中得以消耗。其中，灭磁电阻的选择既有线性电阻又有非线性电阻。

2 灭磁回路动作原理及电压方程

以某大型抽水蓄能电站机组为例，其灭磁回路如图1所示。

图1中，FCB1/2为灭磁开关的常开触头，FCB3为灭磁开关的两副常闭触头（并联连接）。正常运行时，FCB1/2闭合，FCB3断开，励磁电流加在转子上；故障灭磁时，FCB3闭合（它的闭合时间早于FCB1/2的断开时间），将非线性电阻接入转子绕组，使得转子绕组中的能量在非线性电阻中得到消耗。

在灭磁状态下，其励磁绕组回路的电压方程如式（1）所示：

式（1）中，L为转子电感，H；If为励磁电流，A；r为转子电阻，Ω；UR为非线性电阻两端的电压，V。

图1 灭磁回路

3 灭磁电阻的伏安特性

该抽蓄机组的非线性电阻采用英国M&I公司生产的碳化硅灭磁电阻，其型号为600 A/US14/P，共有4组并联，每组14个阀片并联。它的单阀片伏安特性表达式如式（2）所示：

式（2）中：V为碳化硅电阻两端的电压；I为流过碳化硅电阻的电流；k为碳化硅电阻的位形系数，与碳化硅电阻的体积、形状、串并联方式及材质有关；β为非线性系数。

当N片阀片并联时，其伏安特性表达式为：

结合该抽蓄电站使用的碳化硅灭磁电阻，k=65，β=0.37，N=14×4=56，则

由此，可得到碳化硅非线性电阻的伏安特性，如图2所示。

图2 碳化硅非线性电阻伏安特性

4 3种工况下碳化硅非线性电阻灭磁时间特性的仿真计算

该抽蓄机组相关参数如表1所示：

表1 抽蓄机组相关参数

4.1 空载额定励磁电流工况下的灭磁时间特性

由于现场实际空载额定励磁电流灭磁试验时测得的励磁电流为899.17 A，因此在仿真时亦采用此电流值。

在MATLAB中编写使用碳化硅灭磁电阻时的励磁绕组回路电压方程式的detime1.m文件：

运行该M文件，然后在MATLAB命令行窗口输入：

得到如图3所示的空载励磁电流灭磁时间图形。

图3 空载励磁电流灭磁时间仿真图

由图3可知，励磁电流从899.17 A减小到8.71 A时，经历的灭磁时间是3.741 s。

根据现场实际试验，发电机在空载额定电压状态下，由继电保护动作跳灭磁开关时的灭磁波形如图4所示。

图4 空载励磁电流灭磁现场实际录波

由图4可知，励磁电流从899.17 A减小到8.73 A时，经历的灭磁时间为3.79 s。

由此可见，实际试验录波的灭磁时间（3.79 s）与仿真出的灭磁时间（3.741 s）基本吻合。

4.2 额定励磁电流工况下的灭磁时间特性

由于现场实际额定励磁电流灭磁试验时测得的励磁电流为1 346.1 A，因此在仿真时亦采用此电流值。

方法与上文相同，得到如图5所示的额定励磁电流的灭磁时间图形。

由图5可知，励磁电流从1 346.1 A减小到5.785 A，经历的灭磁时间为4.678 s。

根据现场实际试验，发电机在100%甩负荷时的灭磁波形如图6所示。

图5 额定励磁电流灭磁时间仿真图

图6 额定励磁电流灭磁现场实际录波

由图6可知，励磁电流从1 346.1 A减小到5.169 A，经历的灭磁时间为4.716 s。

由此可见，实际试验录波的灭磁时间（4.716 s）与仿真出的灭磁时间（4.678 s）基本吻合。

4.3 3种励磁电流工况下灭磁时间特性仿真比较

如果采用表1中的励磁电流值，同样的方法，可以利用MATLAB仿真计算出3种不同励磁电流时的灭磁时间。

在MATLAB命令行窗口输入：

于是，得到如图7所示的灭磁时间图形。

从图7可见，灭磁初始时的励磁电流越大，灭磁所经历的时间越长。

图7 3种励磁电流下的灭磁时间仿真图

5 线性灭磁电阻与碳化硅灭磁电阻灭磁时间的比较

当灭磁电阻采用线性电阻时，根据《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》（DL/T583-2006）中4.4.4 b）规定：线性电阻灭磁，电阻值按75℃时转子电阻的2～3倍选取。因此，本文选取转子电阻的阻值为0.372 Ω。

编写使用线性电阻时的励磁绕组回路电压方程式的detime4.m文件：

绘制出空载励磁电流时的灭磁时间如图8所示。

图8 不同灭磁电阻的灭磁时间仿真图

从图8可知，采用线性电阻时，励磁电流从899.17 A减小到6.788 A，经历的灭磁时间为8.604 s；采用碳化硅灭磁电阻时，励磁电流从899.17 A减小到6.656 A，经历的灭磁时间为3.783 s。采用碳化硅非线性电阻灭磁明显比采用线性电阻灭磁的时间要短。

6 结语

根据仿真计算和现场试验波形数据，灭磁电阻采用碳化硅非线性电阻时，灭磁初始时的励磁电流越大，灭磁所需的时间越长；在相同初始励磁电流的情况下，当灭磁电阻采用线性电阻时，其灭磁所需的时间明显比采用非线性电阻时所需的灭磁时间要长。且如果励磁电流为额定或2倍额定励磁电流时，线性电阻灭磁就很可能达不到10 s内灭磁时间的要求。