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1、专业好文档 1 具有磁场电流动态转移特性的发电机灭磁方案具有磁场电流动态转移特性的发电机灭磁方案 黄大可 邵显钧 陈小明（葛洲坝水力发电厂 443002 湖北宜昌市） 摘要：摘要：针对目前我国水轮发电机组灭磁设备的现状，结合葛洲坝水力发电厂灭 磁系统的运行经验和试验资料，按照水轮发电机可靠、快速的灭磁要求，我们 提出了一种具有磁场电流动态转移特性的发电机灭磁方案。 关键词：关键词：灭磁方案 ZnO 非线性电阻 转子过电压保护 1.问题的提出问题的提出 我国目前部分大中型水轮发电机的灭磁系统，采用灭磁开关配合 ZnO 非线 性电阻的灭磁方案，其原理图如图 1 所示。SCR 表示励磁整流柜，Ud
2、是其输出 的整流电压。 FMK 是双断口灭磁开关。Rf 是 ZnO 非线性电阻器，D 是二极管。 正常运行时，FMK 合上，励磁电压 UL正压，Rf 上没有电流。灭磁时，FMK 跳 闸并在其断口建立弧电压 Uk。根据灭磁时的电压关系：UL=Ud-Uk，当 UkUd 时 UL开始负压，只有当 Uf 的负压大于 ZnO 电阻的转折电压，Rf 动作，转子 电流 IL就不再流经 SCR 和 FMK，而直接流经 Rf。开关断弧，转子电流经 D 和 Rf 进行灭磁。由于 ZnO 电阻的非线性特性好，使得灭磁电压基本恒定，If 就能快速衰减，转子磁能在 ZnO 电阻上发热消耗，当 IL=0 时，发电机灭磁完
3、 成。 Uk1 + - SCR + FMK Rf L UF Ud UL D - IL - Uk2 + 图图 1 现行灭磁方案原理图 Fig.1 Principle diagram of now de-excitation system 这种以 FMK 跳闸建立弧电压，并击穿 Rf，以此将转子电流由 FMK 转移到 Rf，最后由 Rf 来吸收转子磁能的灭磁方法，在国外也得到广泛的采用，但所用 的器件和材料不同。国外一般采用的 Rf 是 SiC 非线性电阻，且 FMK 都有一个 常闭断口，用来代替上图中的 D。正常运行时，该常闭断口断开；跳闸灭磁时， 该常闭断口先闭合后，FMK 的主断口才跳开。尽
4、管这种 FMK 的结构复杂、体 积庞大，但性能好、质量高。再加上 SiC 电阻的非线性较差，设计的转折电压 也低，更加有利于转子电流的转移，二者配合非常好，运行可靠。只是 SiC 电 阻的稳压特性差，使得转子电压在灭磁过程中变化范围大，灭磁时间也就较长。 尽管 ZnO 电阻在灭磁和过电压保护上比 SiC 电阻更具优越性，但是由于国 内的 FMK 容量小，拉弧建压的性能不稳定，灭弧能力较差，其弧电流的伏安 专业好文档 2 特性与灭磁电阻的伏安特性是两条反交的非线性特性，二者很难配合。再加上 此时 SCR 电源仍参与其中，且起反作用。这种配合下的灭磁方案，其运行的可 靠性就不高。特别是在励磁装置误
5、强励时，还会发生转子电流不能从 FMK 转 移到 Rf，并造成 FMK 烧毁的严重事故。 因此，在我国现行的 FMK 配合 ZnO 非线性电阻灭磁方案的基础上，有必 要提出一个改进方案，以提高我国水轮发电机灭磁的可靠性。 2.方案的介绍方案的介绍 总结葛洲坝水力发电厂励磁装置的运行经验，分析各种灭磁试验数据，我 们将下列观点应用在新型灭磁方案中。 1)灭磁时首先要分断励磁整流柜和转子之间的联系； 2)灭磁开关配合 ZnO 非线性电阻灭磁的重点是解决好磁场电流的快速转 移问题； 3)ZnO 非线性电阻在灭磁和转子过电压保护上性能优越，运行可靠，可 适应任何容量的发电机组； 4)对于有并联支路的
6、ZnO 电阻阀片来说，其整体外特性是由每一支路的 阀片加均流电阻的特性组合而成，应能根据机组的参数进行选配组合； 5)灭磁和转子过电压保护要统一考虑，过电压保护电路要简单可靠，动 作电压准确，容量充足； 在新型水轮发电机灭磁方案中，将 ZnO 非线性电阻分成主 Rf1、辅 Rf2 两 组阀片。主阀片 Rf1 串联二极管 D 后再并联在转子两端，它由许多 ZnO 非线性 电阻串并联组成，且数量多、均流电阻小，其转折电压就是设计的灭磁电压， 起主要灭磁作用；辅助阀片 Rf2 串联一个 RC 电阻电容回路后再同 Rf1 并联， 它由许多 ZnO 非线性电阻并联组成，且数量少、均流电阻大，其转折电压比
7、主 阀片小，起帮助磁场电流快速转移和辅助灭磁作用。Rf3 是转子过电压保护阀 片，也是由许多 ZnO 非线性电阻串并联组成。R 是一个大功率线性电阻，C 是 一个高压大电容。FMK 是一个带有灭弧栅的双极直流开关。其原理接线如图 2 所示。 + SCR Rf2 Rf1 R2 if2 L Ug UF Ud FMK UL if1 C R Rf3 D - IL 专业好文档 3 图图 2 新型灭磁方案原理图 Fig.2 Principle diagram of new de-excitation system 在图 2 中，当机组正常运行时，FMK 合上，ZnO 非线性电阻参与转子过电 压保护工作，阀
8、片 Rf1、Rf2 和 Rf3 组成转子过电压综合保护，其中 Rf2 和 Rf3 组成转子正向过电压主保护，Rf和阻容回路组成转子反向过电压主保护。 在机组事故灭磁时，首先由 FMK 跳闸建立弧电压，该弧电压减去 Ud 后 U开 始负压，当 U的负压大于 Rf2 后，I经 RC 阻容回路加速击穿 Rf2，转子电流 快速由 FMK 向辅助阀片转移，导致 FMK 断弧，快速切断 SCR 和转子之间的 联系。随着电容 C 的充电和电阻 R 的投入，灭磁电压迅速建立，灭磁电压又将 击穿主阀片 Rf1，大部分转子电流转移到主阀片上，最后由主、辅阀片共同将 整个转子电流吸收。 新方案的关键技术就是磁场电流
9、的动态转移技术，其新意之处就是将现行 方案中转子电流一次性强迫转移先经过辅助通道过渡，再向主灭磁电阻动态转 移。新方案能较好的解决灭磁开关配合 ZnO 非线性电阻灭磁时的磁场电流的转 移问题。由新方案组成的发电机灭磁装置，全部由固态元件组合而成，结构紧 凑，调整方便。优化组合固态元件的特性，可获得性能优良的灭磁特性。新方 案能够适应任何容量的发电机组，满足任何极端灭磁工况的边界条件。发电机 灭磁时，只需要跳开，不需要任何辅助操作，即可快速、安全的灭磁。 3.方案的设计原则方案的设计原则 3.13.1 主阀片主阀片 Rf1 Rf1 的转折电压 Uf1 是 Rf2 的转折电压 Uf2 的三倍，且不
10、超过转子绕组出厂 对地耐压值的 30%-40% 。Rf1 的容量 Qf1 取励磁装置空载误强励下的转子磁能， 并以此来决定阀片组的并联数。每组阀片的均流电阻 R1 取 12 欧姆。 3.2 辅助阀片辅助阀片 Rf2 Rf2 的转折电压 Uf2 取一定倍数的励磁装置空载逆变时的 U值。Rf2 的容 量 Qf2 取 Qf1 的 30%左右，并以此来决定阀片的并联数。对于阀片的均流电阻 R2，则在 RC 回路的参数计算中给出。 3.3 过电压保护阀片过电压保护阀片 Rf3 Rf3 的转折电压 Uf3 取 Uf1 的值，可直接采用 Rf1 组件。Rf3 的容量取 Qf1 的 10%左右，可不需要均流电
11、阻。 3.4 阻容参数阻容参数 从新方案主辅阀片的结构来看，二者都是由 ZnO 非线性电阻和线性均流电 阻串联组成。现将二者分开标出，从而得到新方案灭磁时的等效电路图 3。 理想的 ZnO 非线性电阻的伏安特性是一条平行电流轴的直线，Rf1 串联 R1 后的整体伏安特性是一条起点为 Uf1 的直线 L1，如图 4 所示。在灭磁过程中， 电容 C 的暂态作用就是短接和断开 R 两端即线性电阻的初值为零，经过时间 充电后，才恢复原值。当 C 短接 R 两端时，Rf2 串联 R2 后的伏安特性是一条 起点为 Uf2 的直线 L2；当 C 断开 R 两端时，Rf2 串联（R2+R）后的伏安特性 专业好
12、文档 4 是一条起点也为 Uf2 的直线 L3。在 C 短接和断开 R 两端的整个过程中，整体 伏安特性界于 L2 和 L3 之间。实际上，电流的充电过程，就是灭磁初始由 直线向直线的动态过渡，中间可能被直线拦截，即进入主灭磁过程， 过 M 点后由直线结束灭磁。由 L1 和 L2 的交点 N 所对应电流 I2 来确定 R2，L1 和 L3 的交点 M 所对应的 I1 来计算 R。I1 和 I2 取一定倍数的额定励磁 电流。电容 C 的容量值折中 C 对电阻 R2 和 R 的充放电时间参数来考虑。 u L3 L2 L1 Rf2 Rf1 Uf1 M N R2 if2 R1 Uf2 C R if1
13、I1 I2 i 图图 3 等效电路 图图 4 灭磁特性 Fig.3. Equivalent circuit Fig.4. De-excitation characteristic 4.结束语结束语 葛洲坝水力发电厂曾对 ZnO 非线性电阻并联线性电阻这种灭磁接线方式进 行了工业试验，当时阀片的转折电压为 1500V，线性电阻为 5 欧姆，灭磁开关 是 DM2-2500 型。试验结果如下表 1 所示。该接线方案是由本文第一作者所提 出，是构成本文所提新方案的重要组成部分。表 1 成功的试验结果，是本方案 技术可行性的重要依据。 表表 1 ZnO 非线性电阻并联线性电阻灭磁试验记录 Table 1
14、 De-excitation test record of ZnO non-linear resistance paralleling linear resistance 试验次数12 试验前数据 Ud/Id/Ug/f200V/850A/100V/49.2Hz300V/1300A/108V/44.8Hz 数据最大值 Ud/Uf1/If1/If21050V/1495V/ /308A1105V/1634V/847A/340A 灭磁开关拉弧建压时间0.038 秒0.04 秒 发电机灭磁时间常数 0.624 秒0.656 秒 灭磁能量在 Rf1/R 上的分配 /155KJ417KJ/180KJ 针对近
15、期灭磁开关配合 ZnO 非线性电阻灭磁时，其磁场电流转移不成功， 造成灭磁失败的问题，我们认为，对 ZnO 非线性电阻并联线性电阻这种灭磁接 线进行改进，引进本文所提关键技术，即主辅灭磁通道动态转移磁场电流，共 同灭磁，就能较好的解决问题。利用本方案的磁场电流动态转移技术后，对灭 磁开关的灭弧性能要求就会大大降低，使得灭磁装置整体可靠性和适应性大大 提高。 A GENERATOR DE-EXCITATION SCHEMA WITH 专业好文档 5 DYNAMIC TRANSFER CHARACTERISTIC FOR FIELD CURRENT Huan Deke Chen Xiaoming
16、Shao Xianjun （Gezhouba Hydropower Plant，443002，Yichang，China） Abstract: In accordance with existing situation of some hydraulic generator de-excitation equipment made in our country, combing Gezhouba power plant de-excitation system operating experience and experimental data, according to hydraulic
17、generator de-excitation demand of reliability and speed, we introduce a generator de-excitation schema with dynamic transfer characteristic for field current. Keywords: de-excitation schema ZnO non-Ohmic resistor rotor over-voltage protection 黄大可，男，工程师，从事水电厂自动化设备的检修维护和技术管理工作，对励磁系 统试验方法及应用技术有较深研究。 邵显
18、钧，男，工程师，从事水电厂自动化设备的检修维护和技术管理工作，对励磁装 置及过电压保护有较深研究。 陈小明，男，工程师，从事水电厂励磁装置的检修维护工作，曾从事励磁产品的开发 和设计制造。 作者照片：资深励磁专家黄大可和楼晓峰（西安电力电子研究所）在三峡右岸工地前 合影纪念 专业好文档 6 Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornad
19、oes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and
20、 the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time. As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars
21、. As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert. Its like the set for a George Luca
22、s movie floating to the edge of space. You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live. The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I
23、 watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line “we“ would be go for launch. I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for ta
24、king a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory. The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted th
25、e partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over. 专业好文档 7 How claustrophobia almost grounded supersonic skydiver With each twist, you could see the wr
26、inkles of disappointment on the face of the current record holder and “capcom“ (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted. The supersonic descent could happen as early as Sunday. The weather pla
27、ys an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to
28、-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a
29、 lot of turbulence. The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, “Fearless Felix“ will unclip. He will roll back the door. Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform. Below, the Earth b
30、ecomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end. Skydiver preps for the big jump When he jumps,
31、he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely. If he goes too fast or spins out of control, h
32、e has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters). In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 1
33、72 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds. Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher th
34、an 25,000 feet (7,620 meters). It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.