指出交直流綜合滅磁保護(hù)可作為大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁保護(hù)的優(yōu)選方案。 圖中:Ufr-勵(lì)磁電源FMK勵(lì)磁回路開斷裝置LQ―發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組F―發(fā)電機(jī)定子RV―氧化鋅壓敏電阻器2.1串聯(lián)滅磁方式在勵(lì)磁回路中,它的代表產(chǎn)品是DM2自動(dòng)滅串聯(lián)滅磁方式主回路原理圖見。磁開關(guān),它接線簡(jiǎn)單、體積小,既斷流又吸能,在這種滅磁方式下,F(xiàn)MK磁場(chǎng)開關(guān)串聯(lián)在滅磁能量不大的中小型發(fā)電機(jī)組上起到了1前言滅磁保護(hù)是同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主保護(hù)。在發(fā)電機(jī)及其單元聯(lián)接的主變壓器出現(xiàn)故障時(shí),它主要完成兩項(xiàng)任務(wù),一是迅速斷開磁場(chǎng)回路,即斷開發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和勵(lì)磁電源的聯(lián)系,使電源不再為轉(zhuǎn)子繞組提供能源;二是迅速轉(zhuǎn)移、吸收掉轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的磁能,間時(shí)限制轉(zhuǎn)子兩端的過(guò)電壓,保護(hù)轉(zhuǎn)子的安全。 對(duì)滅磁保護(hù)的要求是:安全、可靠和快速。 隨著電力工業(yè)的發(fā)展,水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷提高,發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁功率、轉(zhuǎn)子繞組時(shí)間常數(shù)及其儲(chǔ)能都不斷增大,因而滅磁的能容量大增。為提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,在水輪發(fā)電機(jī)組上廣泛采用了快響應(yīng)、篼頂值的自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng),這禾疑是一種進(jìn)步,但同時(shí)也給轉(zhuǎn)子滅磁保護(hù)提出了新的更高要求。因此,滅磁保護(hù)技術(shù)也要有相應(yīng)的發(fā)展和進(jìn)步以適應(yīng)新的變化。尋求新的有效的安全可靠的滅磁方案是擺在我們面前的嚴(yán)肅課題。 2國(guó)內(nèi)主要滅磁保護(hù)方案及其特點(diǎn)國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用于滅磁保護(hù)的方案主回路接線方式有很多種,但就其工作原理來(lái)看,主要是下面兩種:一定的保護(hù)作用。但隨著機(jī)組容量不斷增大及可控硅靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,串聯(lián)滅磁方式已暴露出諸多問(wèn)題,如滅磁能容量不足、小電流吹弧困難、開關(guān)弧壓較低、滅磁時(shí)間長(zhǎng)。加之結(jié)構(gòu)本身的缺陷,常發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)問(wèn)題,事故率較高,已不能適應(yīng)電力工業(yè)飛速發(fā)展的需要。 逆變滅磁也是串聯(lián)滅磁方式的一種。大型水輪發(fā)電機(jī)多采用機(jī)端自并勵(lì)系統(tǒng),這種勵(lì)磁系統(tǒng)在正常停機(jī)時(shí)可以采用逆變滅磁,但不能作為發(fā)電機(jī)的事故滅磁保護(hù)的主要手段來(lái)使用,因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)內(nèi)部短路情況下,整流群輸人端的電壓顯著降低,從而大大減慢了滅磁的速度。 2.2并聯(lián)滅磁方式并聯(lián)滅磁方式主回路原理圖見。 并聯(lián)滅磁方式是八十年代初隨著ZnO非線性電阻的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的新型滅磁方式。這種方式的特點(diǎn)是把斷流和吸能兩大功能分開:磁場(chǎng)斷路器只起斷流、移能作用,本身不吸能,負(fù)擔(dān)大大減輕,燒開關(guān)的幾率大大減;滅磁吸能、限壓的任務(wù)由氧化鋅非線性電阻來(lái)承擔(dān),滅磁速度快,接近理想恒壓滅磁。這是一種較理想的滅磁方式,國(guó)內(nèi)現(xiàn)用的較多。但是,這種滅磁方式也對(duì)磁場(chǎng)斷路器提出了更高的要求,即要求磁場(chǎng)斷路器既要斷流容量大、速度快,又要具有分?jǐn)嚯妷焊叩奶攸c(diǎn),以滿足斷流移能的需要。顯然現(xiàn)有的DM2等磁場(chǎng)開關(guān)是不能勝任的。 為此人們開展了磁場(chǎng)開關(guān)的改造,雖經(jīng)努力,成效不大。也有不少圍繞磁場(chǎng)開關(guān)的各種輔助措施,如在開關(guān)兩端并接高壓熔斷器、并聯(lián)人工過(guò)零換流回路等方案。這些輔助措施在一定程度上減輕了磁場(chǎng)開關(guān)的負(fù)擔(dān),但不能獨(dú)立使用,也增加了一些控制環(huán)節(jié),且離不開磁場(chǎng)開關(guān)的可靠性。若開關(guān)拒動(dòng),這些輔助措施的方案也就無(wú)能為力。 近十幾年來(lái),也研制出一些磁場(chǎng)斷路器,如DM系列磁場(chǎng)斷路器在開斷速度、通流容量、開斷電壓、安全可靠性等方面性能都較優(yōu),用于300MW以下的水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁保護(hù)效果很好,但對(duì)600MW以上(三峽780MW)水輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō),現(xiàn)有的DMX直流磁場(chǎng)斷路器則顯得通流容量不足,開斷電壓偏低(現(xiàn)有的DMX最大額定電流3500A,最大開斷電壓3水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁保護(hù)存在的問(wèn)題3.1國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)自并激可控硅靜止勵(lì)磁系統(tǒng),其勵(lì)磁變壓器一次側(cè)和二次側(cè)大都沒有設(shè)置斷路器,一次側(cè)直接接在發(fā)電機(jī)的出口端,二次側(cè)和整流器連接,在滅磁過(guò)程中,發(fā)電機(jī)的巨大能量仍通過(guò)整流變反饋給滅磁系統(tǒng),給直流磁場(chǎng)斷路器的開斷增加了沉重的負(fù)擔(dān),這也是滅磁事故多發(fā)的主要原因之一。 3.2前面說(shuō)過(guò),國(guó)內(nèi)已普遍使用并聯(lián)滅磁方式,也收到了較好的效果,但安全可靠性仍不十分理想,事故也時(shí)有發(fā)生,究其原因,主要是集中在直流磁場(chǎng)斷路器的斷流移能環(huán)節(jié)上,主要問(wèn)題有:3.2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的直流磁場(chǎng)斷路器(開關(guān))除DMX系列磁場(chǎng)斷路器外,大多通流容量較小,斷開弧壓較低,弧壓穩(wěn)定性差,難以勝任斷流、移能滅磁的需要。 3.2.2專用直流磁場(chǎng)斷路器市場(chǎng)用量少、成本篼,生產(chǎn)廠商不愿作大的投人,因此在技術(shù)性能改進(jìn)、工藝質(zhì)量提高上都受到限制。 3.2.3機(jī)械式直流磁場(chǎng)斷路器從原理上存在著固有缺陷。其開斷過(guò)程是電弧的形成、擴(kuò)展、燃燒、熄滅的過(guò)程。有電弧就會(huì)有燒蝕、損毀;有機(jī)械動(dòng)作就會(huì)有磨損,機(jī)械卡澀、拒動(dòng)、誤動(dòng)在所難免,這是無(wú)法從根本上解決和消除的。 3.3在滅磁保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,參數(shù)選擇不合理,配合不當(dāng)也是導(dǎo)致滅磁事故發(fā)生的原因之一'. 3.4滅磁手段單一,缺少后備。 針對(duì)現(xiàn)有滅磁保護(hù)存在的問(wèn)題,作者認(rèn)為應(yīng)在大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的交流側(cè)設(shè)置交流磁場(chǎng)斷路器,研制新型快速的、分?jǐn)嚯妷焊叩碾娮有椭绷鞔艌?chǎng)斷路器。采用交直流綜合滅磁保護(hù)技術(shù),以提高大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁保護(hù)的安全、可靠性和快速性。 4交直流綜合滅磁保護(hù)方案介紹新型交直流綜合滅磁保護(hù)主回路原理接線圖如所示,它由交流磁場(chǎng)斷路器AMK,電子型直流磁場(chǎng)斷路器DDL和氧化鋅非線性電阻吸能元件RV組成。斷流移能任務(wù)可由交流斷路器、電子斷路器單獨(dú)完成或共同完成。兩種斷路器可各自獨(dú)立完成工作,又互為備用,既保留有交流滅磁的特點(diǎn),又可彌補(bǔ)單獨(dú)使用交流斷路器滅磁的不足。兩種斷路器可各自獨(dú)立或共同完成斷流任務(wù),因而可大大提篼滅磁保護(hù)動(dòng)作的可靠性。吸能滅磁的任務(wù)由氧化鋅非線性電阻完成。 4.1交流斷路器滅磁技術(shù)交流斷路器滅磁主回路原理圖如所示,其基本原理是:在勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)和整流器之間設(shè)置三相交流斷路器。在需要滅磁時(shí),首先切除可控硅整流器的觸發(fā)脈沖,然后跳開交流斷路器。此時(shí),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一個(gè)恒流源,它通過(guò)切脈沖時(shí)導(dǎo)通著的兩只可控硅和勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組形成一個(gè)閉合回路。在這個(gè)回路中既有轉(zhuǎn)子繞組形成的恒流源,又有勵(lì)磁變壓器的二次側(cè)輸出的交流恒壓源。在交流斷路器開斷時(shí),斷口產(chǎn)生的弧壓和勵(lì)磁變壓器交流輸出電壓疊加,作用于閉合的主回路中。當(dāng)滿足條件l/K+,轉(zhuǎn)子電流就會(huì)全部轉(zhuǎn)換到ZnO吸能元件中,隨即開關(guān)斷口電弧熄滅,完成斷流任務(wù)。當(dāng)勵(lì)磁變壓器陽(yáng)極電壓峰值大于ZnO滅磁殘壓時(shí),即使不跳開交流斷路器,轉(zhuǎn)子電流也能夠轉(zhuǎn)移到ZnO滅磁電阻中去,轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能由ZnO非線性電阻吸收。可見,利用勵(lì)磁變壓器陽(yáng)極電壓,交流斷路器的開斷弧壓可以大大降低。 試驗(yàn)波形圖見。 交流磁場(chǎng)斷路器滅磁主回路原理圖當(dāng)然,用具有直流開斷能力的交流斷路器作為直流磁場(chǎng)斷路器使用也是可行的,為了獲得足夠高的開斷弧壓,可將交流斷路器的主觸頭作串聯(lián)連接。 快速隔斷勵(lì)磁系統(tǒng)與交流電源聯(lián)系,有利于氧化鋅非線性電阻的快速吸能滅磁。 斷路器工作在交流回路,分?jǐn)噙^(guò)程中,有反向半波陽(yáng)極電壓的幫助,交流斷路器的開斷弧壓大大降低。因而電弧燒蝕及其弧觸頭的損耗較輕微,安全性好。 交流斷路器用量大,成本低,生產(chǎn)廠家多,投資開發(fā)力度大,因而技術(shù)成熟、產(chǎn)品質(zhì)量高、操作機(jī)構(gòu)靈活、可靠性高。 結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化、體積小、價(jià)格低。 必須切脈沖,增加了控制環(huán)節(jié);當(dāng)發(fā)生可控硅擊穿短路時(shí),橋臂直通,交流斷路器不起作用,只有續(xù)流,延長(zhǎng)了滅磁時(shí)間;當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部、出口、勵(lì)磁變發(fā)生短路故障時(shí),交流電壓很低,交流斷路器可能無(wú)法正常斷流。 4.2電子型直流磁場(chǎng)斷路器滅磁技術(shù)為從根本上解決機(jī)械式磁場(chǎng)斷路器的固有缺陷,筆者認(rèn)為應(yīng)更新觀念、改變思路、勇于創(chuàng)新,采用功率電力電子元器件研制新型磁場(chǎng)斷路器取代機(jī)械式斷路器。 電子型直流磁場(chǎng)斷路器滅磁主回路原理圖如所示。 電子斷路器(圖中虛線框部分)由大功率主可控硅管KP1和KP2(可增減并聯(lián)數(shù)和增加串聯(lián)數(shù))、輔助可控硅管KP3、換流電抗器L、儲(chǔ)能電容器C、控制觸發(fā)電路CF和電容器充電電源Vc組成。由控制觸發(fā)電路CF的G1、G2脈沖來(lái)控制斷路器的接通。由控制觸發(fā)電路CF的G3脈沖來(lái)控制斷路器的關(guān)斷,此時(shí),KP3導(dǎo)通,預(yù)先It存有電能的電容器C通過(guò)換流電抗器U主可控硅管KP1和KP2、輔可控硅管KP3放電,給主可控硅管施加反向電流,強(qiáng)迫其電流過(guò)零關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)斷路器的分?jǐn)唷?p> 電子斷路器從工作原理,工藝結(jié)構(gòu)、控制方式上完全不同于機(jī)械式斷路器,它沒有電弧,沒有機(jī)械傳動(dòng)部分,從原理上消除了電弧燒蝕,機(jī)械卡澀,拒動(dòng)誤動(dòng)的可能性,關(guān)斷時(shí)間短,僅數(shù)百微秒,斷流速度快、分?jǐn)嚯妷焊,極有利于換流移能的需要。電力電子技術(shù)的發(fā)展為我們提供了大容量、高耐壓、高可靠性的開關(guān)元件,大功率容量的電子斷路器有著很好的發(fā)展前景。 電子斷路器滅磁的特點(diǎn)電子斷路器滅磁無(wú)弧光、無(wú)聲響、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分、壽命長(zhǎng)、安全可靠性高。 通流容量大,單管可達(dá)5000A;斷流速度快,小于lms;分?jǐn)嚯妷焊,單管可達(dá)5000V;有利于快速滅磁的需要。 控制功率小、自動(dòng)化程度高、可承擔(dān)頻繁的通斷操作,尤適用于少人值守、無(wú)人值班電站和調(diào)峰機(jī)組。 完善的狀態(tài)監(jiān)視和自診斷系統(tǒng)極易實(shí)現(xiàn)與程控系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊聯(lián)接,進(jìn)一步提高了其安全可靠性。 研制的電子斷路器自1990年在白山電廠紅石電站投運(yùn)以來(lái),已有9臺(tái)電子斷路器組成的滅磁過(guò)電壓保護(hù)裝置先后在小山電站、蓮花電站、豐滿發(fā)電廠投入運(yùn)行,電子斷路器的額定電流,開斷電壓不斷提高,蓮花140兆瓦機(jī)滅磁模擬試驗(yàn)開斷電流達(dá)3196安培,滅磁能量達(dá)2.54兆焦,滅磁試驗(yàn)波形圖見。紅石機(jī)組用電子斷路器已安全運(yùn)行10余年,其它機(jī)組上的電子斷路器也已安全運(yùn)行4一5年,滅磁保護(hù)動(dòng)作的成功率都是100%,獲得了顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。深受4.3氧化鋅非線性電阻吸能元件(閥片)氧化鋅非線性電阻元件伏安特性平坦,漏電流極小,浪涌吸收能量大,響應(yīng)速度快,用作滅磁吸能限壓元件,可以得到接近理想的滅磁效果。十幾年來(lái),我們組裝的近千臺(tái)滅磁裝置在國(guó)內(nèi)外各電廠運(yùn)行良好。第一臺(tái)300MW水輪發(fā)電機(jī)組滅磁裝置已安全運(yùn)行十余年。退役后的閥片經(jīng)微機(jī)測(cè)試,特性變化不大,并且仍能順利通過(guò)老化試驗(yàn)。這說(shuō)明,只要選用性能穩(wěn)定,質(zhì)量上乘的氧化鋅閥片,做到合理設(shè)計(jì),串并組合、均流均能較一致,閥片壽命是很長(zhǎng)的,滅磁、限壓吸能是支全可靠的。閥片的微機(jī)測(cè)試及組合技術(shù)獲中科院科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。氧化鋅非線性電阻滅磁技術(shù)獲中科院科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和安徽省科技班步一等獎(jiǎng)。 S結(jié)論5.1交流磁場(chǎng)斷路器滅磁,較機(jī)械式直流磁場(chǎng)斷路器滅磁無(wú)論是在自身的內(nèi)在質(zhì)量上,還是在滅磁工作的環(huán)境條件上都具有明顯的優(yōu)勢(shì),安全可靠性較篼。 5.2電子斷路器克服了機(jī)械式直流磁場(chǎng)斷路器的固有缺陷,優(yōu)點(diǎn)突出,可作為后者的替代產(chǎn)品,應(yīng)予以優(yōu)選、推廣。 5.3交直流綜合滅磁保護(hù)方案,兩種斷路器有不同的工作原理,不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的控制方式,各自獨(dú)立工作,相互配合,組成冗余滅磁保護(hù)系統(tǒng),可以把滅磁保護(hù)的可靠性提篼一個(gè)等級(jí)。 5.4大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁保護(hù)采用交直流綜合保護(hù),安全、可靠、快速,性能價(jià)格比最優(yōu),可作為三峽等大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁保護(hù)的優(yōu)選方案。