双断口磁场断路器配高能氧化锌非线性电阻灭磁解读

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1、双断口磁场断路器配高能氧化锌非线性电阻灭磁存在的问题与改进建议邵显钧（葛洲坝水力发电厂 湖北宜昌 443002）【摘要】 本文阐述双断口磁场断路器配高能氧化锌非线性电阻灭磁系统的工作原理、 成功灭磁所必须具备的条件；以葛洲坝6 号机组灭磁系统为例，分析该灭磁系统存在的问题， 并就此提出一些改进建议。【关键词】 磁场断路器 非线性电阻 灭磁 断口电压 能量转移 误强励The existing perplexities of the Dualpole FieldBreaker with High Energy Nonlinear ZnO Resistor anditss improving pro

2、porsalsAbstract This article describes the working principle of the Dualpole Field Breaker with High Energy Nonlinear ZnO Resistor, and the essencial conditions for successsful deexcitation , Take the No.6 generating unit of GZB Hydro-electric Power Plant as an example, this article analyzes the exi

3、sting preplexities of the deexitation system, and according to these problems,some improving proporsals are offeredKeywords field breaker, nonlinear resistor, deexcitation, voltage of thepole, energy transfer, 1问题的提出目前，双断口磁场断路器配高能氧化锌非线性电阻灭磁系统，越来越广泛的应用在水轮 发电机组转子回路，以满足同步发电机快速灭磁的要求。自86 年第一套双断口磁场断路器 配高能

4、氧化锌非线性电阻灭磁系统在葛洲坝机组上试验成功并投入运行后，相继有多套同类 型灭磁系统在葛洲坝机组、及其他电厂发电机组上安装运行。随着时间的延长，该灭磁系统 暴露出一些问题，归纳起来主要有两点，一是高能氧化锌非线性电阻器件的老化与寿命问题， 二是在可控硅励磁装置发生失控误强励这种特殊工况下，该灭磁系统能否可靠、成功灭磁问 题。对于氧化锌非线性电阻的老化、寿命问题，它与氧化锌非线性电阻的质量（烧制方法）、 参数选配、使用环境、荷电率、灭磁次数等有关，在此不作详述。本文主要就第二个问题即 可靠灭磁与成功灭磁问题，并结合葛洲坝6 号机组一次灭磁失败，作一分析。2灭磁回路接线及工作原理葛洲坝6号机组灭

5、磁系统由DM41600型磁场断路器（FMK）与高能氧化锌非线性电 阻（Rf ）共同组成，其灭磁回路原理接线如下图所示。UK16 号机组灭磁回路原理图在上图中，二极管 D 为正向阻断二极管，它的作用有二：一是在正常运行时，转子绕 组两端的电压为上正下负，由于二极管D的反向阻断作用，使得氧化锌非线性电阻Rf上不 承受正向电压，降低其正向荷电率，以延长Rf的使用寿命；二是保证只在发电机励磁电压 UL反向时即下正上负时投入。氧化锌非线性电阻Rf的残压为1280V （电流为50A时）。正常运行时，FMK合上，可控硅整流桥SCR输出整流电压Ud和整流电流Id，转子电 dd压UL正压即上正下负。事故时,FM

6、K跳闸，双断口同时断开，触头拉弧并快速将电弧吹入 灭弧罩内，在FMK双断口形成断口电压UK1和UK2，与此同时，转子绕组因电流突然下降K1K2而在其两端产生反电势，即转子电压UL由正压变为负压，当UL大于或等于1280V时，励 磁电流IL开始流经Rf,转子磁能由FMK开始往Rf上转移，转子电压UL被限制在1280V以 内，此时，磁场断路器断口电弧很快熄灭，转子电流IL继续并全部流过Rf并由Rf将磁场能 量消耗掉，直到 IL 为零，灭磁成功。整个灭磁过程可分为三个时段，即：建压、移能（换 流）和耗能，三个环节紧紧相连，任一环节出问题，都将造成灭磁失败；其中，磁场能量的 转移是灭磁成功的关键，若能

7、量转移不成功，氧化锌非线性电阻Rf不能参与灭磁，则整个 磁场能量将由FMK单独消耗；由于DM4型磁场断路器不具备灭磁能力，则必然灭磁失败， 磁场断路器烧毁，这也是葛洲坝6号机组灭磁失败的原因。3灭磁时有关数据的分析与计算DM4 型磁场断路器的断口电压是由电弧的长度所决定的，由于灭弧栅的尺寸是一固定 值，因此，灭弧栅的最高建压水平（即开关断口电压）也是一个固定值。按照DM4型磁场 断路器生产厂家提供的参数，其单个断口建压水平为1500V，如果两个断口同步分断，则最 高可建压3000V。事实上，磁场断路器的两个断口在分闸时是很难做到完全同步的（厂家参 数两个断口的分闸时差V15ms）,因此，磁场断

8、路器的两个断口电压很难同时达到最大值， 也就是说UK1+ Uk2W3000V。如果两个断口分闸时差过大，则换流移能时可能只是一个断口K1 K2的电压。从上图中可见，由回路电压方程式，可得出灭磁能量的转移条件为：Uk1+ Uk2UFURf （1）式中URf氧化锌非线性电阻残压。式（1）的意义为：断口电压减去SCR整流桥输出电压必须大于或等于氧化锌非线性电阻的 残压，这是灭磁时磁场能量成功转移所必须的唯一条件。面我们来分析葛洲坝6 号机组事故发生时有关参数的变化：a. 发电机机端电压UF的变化事故发生时，转子电流已达到最大值IL，按励磁变过流保护动作值2.4Il计算（IlLmaxLeLe为额定转子

9、电流）则：I=2.4I=2.4X1653=3967A,LmaxLe发电机空载特性曲线（UF /IL）额定机端电压点以上，数据如下：1.0UFe/880A、1.1 UFe /1300A、1.2 U匸/1750A、1.3 U匸/2100A, 转子电流大于2100 A以上曲线上查不到，根据 FeFe空载特性曲线可推算，在Il=3967A时机端电压UF将达（1.61.7） UFe，实际上发电机电压UF 不可能达到这么高，因为机组并在网上。但可以肯定，在开关跳闸的瞬间，发电机电压FUF至少达到1.3Uf。FFeb. 整流电压Ud的变化在励磁系统发生误强励特别是因脉冲变压器绝缘不良而引发可控硅失控误强励时

10、，可控硅处于全开放状态，此时控制角a =00,可控硅整流桥输出电压Ud =1.35UyCOSOo=1.35Uy（式dYY中阳极电压Uy=780V）。并且，在发电机并网运行时（小于额定工况），我们实测了转子电压波形，发现可控导通换相时，在每个整流电压波头上叠加有一尖峰电压,其值在250450V之间。根据发电机机端电压的变化情况，我们可以计算出一组不同的整流电压值，如表1表1不同机端电压下、可控硅整流装置输出电压值（单位：V）1.0Uf1.1Uf1.2Uf1.3Uf1.4Uf1.5UfUd105311581264136914741580Udfz110312131324143415441654Udm

11、ax135314631574168417941904表中：U,=1.35XKUvdYUdfz KUyUdmax= Udfz+250dmaxdfz式中 K=1.01.5整流电压平均值整流电压峰值考虑可控硅换相过电压（取其最小值）时整流电压最大值 过电压倍数c. 氧化锌电阻 Rf 残压的变化氧化锌非线性电阻灭磁装置生产厂家是按正常强励电流来选配阀片的，即1.5 ILe=2400A，Le48个支路，每支路平均电流为50A，故取Rf阀片的残压为URf=1280V。当励磁装置发生误 强励其励磁电流大大于2400A时，则灭磁时Rf阀片两端的电压将发生变化，计算如下： 当Il=3967A时，每支路平均电流为

12、83A；按氧化锌非线性电阻的伏安特性关系式U=CIp， 取非线性系数B =0.06,（目前，国产氧化锌电阻非线性系数B =（0.040.08）则U/U = CI p / CI p = C83p / C50p =1.03。2 1 2 1即事故灭磁时Rf阀片两端的电压为URf=1.07X1280=1318V。fRf4误强励情况下，磁场能量转移条件判断由上述能量转移条件关系式（1）可知，要想灭磁时磁场能量的成功转移，则必须满足下式50兔1+ Uk2URf（2）下面分析磁场断路器、氧化锌非线性电阻在不同状况下，灭磁能量的转移条件是否满足。1）.磁场断路器理想分断UK1+ Uk2=3000V, Rf阀片

13、分别为理想非线性电阻、非理想非线性K1 K2f电阻两种情况（即非线性系数P =0、P =0.06）下，根据公式（2）,可列出灭磁能量转移条件关系，如表2表 2 不同机端电压下灭磁能量的转移条件关系1.0UfFe1.1UfFe1.2UfFe1.3UfFe1.4UfFe1.5UfFedmax135314631574168417941904B =0u +u uK1KRf1172517251725172517251725能量转移条件满足满足满足满足不满足不满足B =0.06u +u uK1K2Rf2168216821682168216821682能量转移条件满足满足满足不满足不满足不满足表中：Uki+

14、U/SOOOV,U只十127阿U只13収。2）.磁场断路器非理想分断，即断口电压1500VvUk1+ Uk2v3000V, Rf阀片为非理想非线性 K1 K2f电阻即非线性系数B =0.06,我们根据机端电压的不同倍数可以求出一组断口电压的临界值， 即最小断口电压。a U + U =1353+1318=2671V，（1.0 U ）K1 K2Fea U + U =1463+1370=2781V，（1.1 U ）K1 K2Feb U + U =1574+1370=2892V，（1.2 U ）K1 K2Fec U + U =1684+1370=3002V，（1.3 U ）K1 K2Fed U + U

15、 =1794+1370=3112V，（1.4 U ）K1 K2Fee U + U =1904+1370=3222V,（1.5U ）K1 K2Fef. U + U =1.35 X 780xCOS150+1280=2297V,（正常强励时）K1 K2由上述 1）分析可知，误强励发生时，即使在最理想状态（磁场断路器理想分断、氧化 锌非线性电阻残压 URf=1278V恒定不变），当发电机机端出现1.4倍的过压时，灭磁能量Rf 的转移条件不能满足；而在一般情况下，当发电机机端出现1.3倍的过压时，灭磁能量的转 移条件就不能满足，灭磁就有可能失败。由2）分析可知，当断口电压小于2297V时，即使 是正常的

16、强励电流，灭磁能量的转移条件都不能满足，都将造成灭磁失败，而误强励发生时， 其灭磁条件更不满足，则必然灭磁失败。5结论根据上面的分析与计算结果，我们可以得出两点结论：双断口磁场断路器配高能氧化锌 非线性电阻灭磁系统，其灭磁能否成功，完全取决于磁场断路器跳闸建压，若建压成功则灭 磁成功，否则，灭磁失败，这样一种灭磁配合方式，其配置可靠性就不够，设计上应有足够 的后备手段或足够的断路器分断能力和分断可靠性，这是其一。其二，目前的这种DM4型 磁场断路器，无法满足励磁装置在失控误强励下的灭磁要求。励磁装置发生失控误强励时， 发电机机端电压上升较高，而发电机过压保护一般都是按1.5倍的额定机端电压整定

17、的，那 么，当励磁装置故障或其他原因引起发电机过压保护动作时， DM4 型磁场断路器更是无法 满足灭磁要求，则必将造成灭磁失败。所以说，灭磁可靠性不高与误强励下不能满足灭磁要 求，是该灭磁系统存在的主要问题。6改进建议根据双断口磁场断路器配高能氧化锌非线性电阻灭磁系统存在的问题，有以下几种解决方法。（1）选用高电压、高性能的磁场断路器配，以满足灭磁系统在各种工况下的灭磁要求；（2）在不影响灭磁性能的前提下，适当降低氧化锌非线性电阻的残压，以保证灭磁能量的 成功转移；（3）采用一种新型的灭磁方式线性电阻与氧化锌非线性电阻共同参与的综合灭磁方 式。这种新型的灭磁方式由线性电阻承担磁场能量的转移、氧化锌非线性电阻灭磁。由于线 性电阻没有残压问题，很容易实现磁场能量的转移，磁场断路器在灭磁过程中只是起到开断 电流的作用，因此，可大大降低对磁场断路器的要求。作者照片：邵显钧（右）、南京申瑞电力电子有限公司总经理胡嘉纯（中）、陈小明（左）在 中国水力发电工程学会水轮发电机组励磁控制系统（国际）学术讨论会上的合影，地点北京 京西宾馆