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          同步發電機的滅磁含義和方法

          發布時間:2024-09-01 點擊:702
          同步發電機的滅磁含義和方法
          一、滅磁的含義
          當發電機或發電機一變壓器組發生故障時,繼電保護動作在跳開發電機的同時,還應迅速將發電機滅磁。所謂滅磁就是將發電機勵磁繞組的磁場盡快地減弱到最小限度,最快的方法是將勵磁繞組斷開,但因勵磁繞組是一個大的電感,突然斷開必將在直流側產生很高的電壓,危及轉子繞組絕緣、整流橋的安全。因此,實用方法是在斷開勵磁繞組與勵磁電源回路的同時,將一個電阻接入勵磁繞組,讓磁場儲能迅速耗盡。整個過程由自動滅磁裝置來實現。
          對發電機的滅磁要求有兩點,首先滅磁時間應盡可能短;其次勵磁繞組兩端的過電壓不應超過額定勵磁電壓的4~5倍。
          為同時滿足上述要求,假設滅磁開始時的轉子勵磁電流為ifd0且以某一變化率difd/dt衰減,而磁通的變化率在轉子滑環間(即勵磁繞組兩端)產生的電壓值剛好等于允許值,以后電流ifd保持這一速率直線衰減到零,如圖1中直線1所示,為理想滅磁曲線。實際的滅磁曲線可能是直線2或直線3等。根據它們與理想曲線接近的程度,可以評價滅磁方案的優劣。
          圖1 不同方案的滅磁曲線
          二、滅磁的方法
          滅磁方法種類較多,如單獨勵磁機滅磁、對線性電阻放電滅磁、對非線性電阻放電滅磁、采用滅弧柵滅磁,當采用全控橋的半導體勵磁系統時,還可利用全控橋逆變滅磁。其中,單獨勵磁機滅磁方法只用于小型機組,它的滅磁時間較長。下面介紹幾種常用滅磁方法。
          (1)線性放電電阻滅磁
          當發電機內部發生短路故障時,即使把發電機從母線上斷開了,短路電流依然存在,使故障造成的損壞繼續擴大;只有將轉子回路的電流也降為零,使發電機的感應電動勢盡快地減至最小,才能將故障損壞限制在最小的范圍內。最常用的方法是在轉子回路內加裝滅磁開關,利用放電電阻滅磁。
          利用放電電阻滅磁的接線如圖2所示。同步發電機正常運行時,滅磁開關q處于合閘狀態。q的主觸頭q1閉合,使勵磁機能正常地向發電機轉子提供勵磁電流;觸頭q2斷開滅磁電阻r回路。
          當滅磁時,q跳閘,q2先閉合,使發電機轉子的勵磁繞組接入r;然后q斷開,這就保證勵磁繞組接入放電電阻r(即滅磁電阻)時沒有開路狀態出現,避免了過電壓的產生。發電機轉子繞組并聯了滅磁電阻r后,轉子繞組的電流就按照指數曲線衰減,并將轉子繞組中的磁場能量幾乎全部轉變成熱能,消耗在r上。
          在滅磁過程中,滅磁的時間與r有關,r越大,滅磁過程越快,反之,滅磁過程就慢些。手冊規定r的數值一般為轉子繞組熱狀態電阻值的4~5倍,滅磁時間為5~7s。
          圖2 線性放電電阻滅磁示意圖
          (2)非線性電阻滅磁
          由于放電電阻r不能取得很大,從而加長了滅磁時間。當將r改為非線性電阻,其特性是通過其中的電流較大時,動態電阻小;電流較小時,動態電阻大。合適選擇非線性電阻,可以做到滅磁初態時,轉子電壓不超過容許值,而滅磁時間減小。
          (3)采用滅弧柵滅弧
          以上方法中,滅磁開關并不承受耗能的主要任務。應用最廣泛的滅磁方法是利用帶有滅磁柵的快速滅磁開關,它利用串聯短弧的端電壓不變的特性控制滅弧過程,將磁場儲能主要消耗在滅磁開關內,滅磁速度較快,幾乎接近理想滅磁。
          應用滅磁開關滅磁的原理示意圖如圖3所示。在滅磁過程中,dm的主觸頭1-2先斷開,3-4仍關閉,故不產生電弧;經極短的時間以后,滅弧觸頭3-4斷開,在它上面產生了電弧。由于橫向磁場的作用,電弧被驅入滅弧柵中,并被分割成很多串聯的短弧,在滅弧柵內燃燒,直到勵磁繞組中電流下降到零時才熄滅。在產生容許的過電壓倍數條件下,利用滅弧柵滅磁的滅磁時間僅為放電電阻方式滅磁時間的24%左右。
          圖3 同步發電機滅磁原理示意圖
          近年來,國內外已普遍采用雙斷口直流開關(雙斷口磁場斷路器),配以非線性電阻的方法來滅磁。非線性電阻采用氧化鋅元件,有良好的壓敏特性,滅磁過程中兩端電壓始終維持在滅磁電壓控制值上,因此非常接近理想滅磁,滅磁速度快;氧化鋅元件作為過電壓保護元件,過電壓動作值可靈活整定;氧化鋅元件非線性電阻系數很小,正常電壓下漏電流很小,可直接跨接在勵磁繞組兩端,滅磁可靠;采用雙斷口直流開關,滅磁過程中勵磁電源與勵磁繞組完全斷開,有利于加快滅磁過程;可靠滅磁,非線性電阻的總電能量應大于勵磁繞組的最大儲能。因此,這種滅磁方法具有滅磁速度快、滅磁可靠、結構簡單、運行維護方便、滅磁過電壓動作值可靈活整定等特點。
          圖4示出了雙斷口直流開關、非線性電阻滅磁的原理圖。圖中dm為雙斷口直流開關,nr1、nr2、nr3為氧化鋅非線性電阻,nr1的動作電壓低于nr2、nr3的動作電壓。
          圖4 非線性電阻滅磁的原理圖
          正常運行時,發電機的勵磁電壓為ufd,晶閘管 vso2、vso3不導通,二極管v1、v2、v3不導通,所以nr1、nr2、nr3中無電流。勵磁繞組發生正向過電壓,當達到觸發晶閘管的動作整定值時,vso2、vso3導通,能量迅速消耗在非線性電阻nr2、nr3中,過電壓值限制由正向過電壓保護整定值確定,能量被吸收后,過電壓消失;勵磁繞組發生反向過電壓,v1迅速導通,能量迅速消耗在非線性電阻nr1中,反向過電壓值限制由nr1動作值確定,過電壓能量被吸收后,反向過電壓即消失,在此過程中,因nr1的動作值低,所以nr2、nr3不承擔反向過電壓保護任務。
          發電機正常停機時,通過可控整流橋逆變滅磁,并不需要斷開滅磁開關dm。發電機事故緊急停機時,跳滅磁開關dm,dm斷開后,勵磁電流ifd強迫分斷,勵磁繞組發生反向過電壓,極性是d端為正、f端為負,此時磁場能量通過二極管v1消耗在nr1中,完成滅磁過程。需要指出,滅磁過程中nr1上電壓基本不變,所以很接近理想滅磁,滅磁速度快。dm斷開后,整流橋側的正向過電壓或反向過電壓,均由非線性電阻nr3吸取過電壓能量,直到過電壓消失,過電壓值受nr3動作值的限制。
          (4)利用全控橋逆變滅磁
          如果采用晶閘管整流橋向轉子供應勵磁電流時,就可以應用逆變滅磁。在主回路內不增添設備就能進行快速滅磁。這一方式簡單、經濟、無觸點,得到了廣泛采用。
          在現代發電機的自動勵磁調節系統中,幾乎都采用了三相全控橋對aer的輸出信號進行功率放大,實現對發電機勵磁的自動調節。三相全控橋的負載是發電機勵磁繞組或勵磁機的勵磁繞組,符合逆變條件。當發電機故障或停機需要滅磁時,只要將控制角α增大到某一合適的角度(如140°)就可進行逆變滅磁。當勵磁機或發電機有他勵電源時,由于逆變滅磁過程中交流電壓不變,勵磁電流等速減小,滅磁過程相當迅速。當勵磁機或發電機采用自勵方式時,隨著滅磁過程的進行,交流電壓隨之降低,滅磁速度也就減慢。
          事實上,逆變滅磁到一定程度時,負載電感l中的能量不能維持逆變,此時要借助滅磁電阻(與勵磁繞組并接)使l中的儲能釋放,以進行滅磁。如前所述,在現代大型發電機自并勵磁方式中,逆變滅磁只是在發電機正常停機時使用,發電機故障進行滅磁是采用滅磁裝置或非線性電阻進行滅磁的。

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