300 MW發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)的改造

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（1.臺州發(fā)電廠，浙江臺州318016；2.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

300 MW發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)的改造

朱曉瑾1，吳跨宇2

（1.臺州發(fā)電廠，浙江臺州318016；2.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

臺州發(fā)電廠300 MW機(jī)組滅磁系統(tǒng)存在滅磁開關(guān)弧壓低、滅磁電阻能容不足等問題，需進(jìn)行改造。對新滅磁系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了分析和計(jì)算。更換了滅磁開關(guān)，重新配置了滅磁電阻和轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)，使之滿足運(yùn)行的要求。

發(fā)電機(jī)；滅磁電阻；滅磁開關(guān)；轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)

隨著電力系統(tǒng)的擴(kuò)大和同步發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增長，快速切除故障電流是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行的必要條件。當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部或外部出現(xiàn)短路或接地故障時(shí)，快速切斷勵(lì)磁電流，并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)消耗完儲藏在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的能量?？焖倏煽康販绱?，是防止發(fā)電機(jī)過電壓的關(guān)鍵。

在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，由于滅磁失敗，引起滅磁開關(guān)燒毀、勵(lì)磁設(shè)備過壓擊穿，甚至危及發(fā)電機(jī)定子繞組的事故屢見不鮮。因此，可靠的滅磁系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)組的安全至關(guān)重要。

1 原滅磁系統(tǒng)參數(shù)分析

臺州發(fā)電廠9，10號300 MW機(jī)組配備東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司制造的GES3320微機(jī)型自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)機(jī)組滅磁系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

滅磁方式采用直流側(cè)移能型滅磁開關(guān)加ZnO非線性滅磁電阻的方式，并和逆變滅磁配合使用。正常停機(jī)時(shí)為逆變滅磁方式，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的儲能反饋到三相全控橋的交流側(cè)電源中。逆變滅磁過程中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器會將晶閘管控制角α設(shè)置到最大逆變角，使整流橋由“整流”工作狀態(tài)過渡到“逆變”工作狀態(tài)，整流橋輸出至轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上是一個(gè)反向電壓，滅磁速度較快，而轉(zhuǎn)子過電壓又在容許范圍內(nèi)。事故時(shí)采用跳開滅磁開關(guān)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接入滅磁電阻的滅磁方式，由ZnO非線性電阻吸收發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的儲能。

表1 滅磁系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

事故情況下，發(fā)變組保護(hù)出口跳開滅磁開關(guān)，切斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，此時(shí)轉(zhuǎn)子將因電流變化而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子反電勢，且在滅磁開關(guān)斷口產(chǎn)生電弧。當(dāng)弧壓、整流橋輸出電壓和滅磁電阻續(xù)流電壓在滅磁開關(guān)跳開瞬間滿足式（1）后，滅磁電阻回路導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子電流從滅磁開關(guān)-整流橋回路轉(zhuǎn)移進(jìn)入滅磁電阻回路進(jìn)行滅磁，滅磁開關(guān)斷口熄弧。

隨著轉(zhuǎn)子電流在滅磁電阻中流通，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場儲能變成熱能，最后電流衰減到0。機(jī)端電壓由于阻尼繞組的作用，以比勵(lì)磁電流稍慢的速度衰減到殘壓，滅磁完成。

根據(jù)滅磁柜出廠試驗(yàn)報(bào)告，滅磁電阻采用3串28并的ZnO非線性電阻接線方式，每個(gè)并聯(lián)支路的伏安特性由式（1）描述：

ZnO電阻的特性是：兩端電壓衰減速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其電流衰減速率。當(dāng)通過的電流較小時(shí)，呈現(xiàn)的動態(tài)電阻較大；而通過的電流較大時(shí)，呈現(xiàn)的動態(tài)電阻較小。適當(dāng)選擇非線性電阻的特性和阻值，可以在滅磁初瞬間使轉(zhuǎn)子電壓不超過容許值，在滅磁過程中，滅磁電壓值變化很小接近理想的恒壓滅磁，大大加快了滅磁速度。

分析滅磁系統(tǒng)配置是否滿足要求主要考慮以下幾個(gè)方面：滅磁開關(guān)有足夠的通流和分?jǐn)噢D(zhuǎn)子電流的能力；滅磁開關(guān)的弧壓足以完成移能；滅磁電阻的工作能容可保證在整個(gè)滅磁過程轉(zhuǎn)子電流正常流通。在空載誤強(qiáng)勵(lì)和三相近端短路兩種最嚴(yán)重工況下的滅磁計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 滅磁參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由此可見，機(jī)組在2種最嚴(yán)重故障工況下滅磁的能容量分別為0.905 MJ和1.472 MJ，考慮到安全性，應(yīng)該取高值即滅磁電阻在理想狀態(tài)下，可能需要吸收的最大能量為1.472 MJ。而改造前非線性電阻標(biāo)稱能容量為1.26 MJ，不滿足要求。

由于空載誤強(qiáng)勵(lì)是考慮勵(lì)磁系統(tǒng)整流橋失控全開放的特殊運(yùn)行方式，空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁時(shí)的滅磁開關(guān)弧壓Uarc要求為整流橋輸出的誤強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電壓Ufmax（按表2取1 633 V）與非線性滅磁電阻兩端在當(dāng)前勵(lì)磁電流下的電壓疊加。即：

發(fā)電機(jī)出口短路時(shí)，勵(lì)磁變電壓接近0。此時(shí)轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)移進(jìn)入滅磁電阻的開關(guān)弧壓即為滅磁電阻在最大勵(lì)磁電流下的電壓值URxmax?？紤]到出口短路后發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路電流主要由周期分量和非周期分量組成，最大勵(lì)磁電流和開關(guān)弧壓均應(yīng)按照開關(guān)跳開瞬間前最近一個(gè)周期分量和非周期分量疊加峰值考慮，開關(guān)弧壓要求為：

因此滅磁開關(guān)最大弧壓取高值為3 016 V。

改造前的滅磁開關(guān)通流能力和分?jǐn)嗄芰M足要求，但是在技術(shù)參數(shù)中未包含弧壓數(shù)據(jù)。由圖1開關(guān)的試驗(yàn)波形可見，弧壓波形頂部平坦部位的平均值，就是開關(guān)的弧壓值，其值大約為1 150 V，不滿足要求。

圖1 ABB E3H/E-MS開關(guān)試驗(yàn)波形

2 新系統(tǒng)的配置和計(jì)算

根據(jù)以上分析結(jié)論，對滅磁系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)需要更換滅磁開關(guān)。為保持較快的滅磁速度，滅磁電阻仍采用ZnO非線性電阻，但需要增加工作能容，并配合新滅磁開關(guān)弧壓水平設(shè)計(jì)其殘壓水平?？紤]到安全裕度，新滅磁開關(guān)的弧壓要求在3 200 V以上。在考慮均能系數(shù)、均流系數(shù)和在嚴(yán)重工況下滅磁時(shí)可能出現(xiàn)的熔斷器熔斷、滅磁電阻組件退出的情況，配置的滅磁電阻能容量在2 MJ以上。改造后的滅磁及過壓保護(hù)接線如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖2 改造后滅磁及過壓保護(hù)

表3 主要技術(shù)參數(shù)

圖2中F2，RV2，V1，V2，TA1，R1，TR1組成轉(zhuǎn)子側(cè)過電壓保護(hù)跨接器，正常運(yùn)行時(shí)V1不導(dǎo)通，正向勵(lì)磁電壓被V1阻隔，反向雖然有二極管V2導(dǎo)通，但勵(lì)磁電壓反向峰值很低，所以ZnO電阻RV2承受電壓不高，荷電率很低，可保證其長期工作壽命，不易老化。正向過電壓襲來時(shí)，通過分壓電阻R1使觸發(fā)器TR1動作，輸出觸發(fā)脈沖使V1觸發(fā)導(dǎo)通，RV2立即接入轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)通吸能限壓；過電壓消失后，RV2的續(xù)流即下降到mA級，小于V1的維持電流，V1自行截止，跨接器復(fù)歸關(guān)斷。反向過電壓由二極管V2導(dǎo)通限壓，同樣自動恢復(fù)截止。正向過壓保護(hù)動作電壓值可通過改變R1阻值來整定，調(diào)整方便。圖2中F3，RV3，V2，V3，TA1，R2，TR2組成電源側(cè)過電壓保護(hù)跨接器，工作原理類同。

滅磁方式仍采用滅磁開關(guān)+ZnO非線性電阻+逆變滅磁。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最大儲能按空載誤強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)的儲能計(jì)算。根據(jù)試驗(yàn)及大量的使用經(jīng)驗(yàn)，RV1能量容量值可由式（2）估算：

式中：Wde為滅磁電阻RV1標(biāo)稱能量容量；k1為容量儲備系數(shù)，考慮運(yùn)行中30%熔斷器退出后仍可保證可靠滅磁的要求，取1.3；k2為耗能分配系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.5；k3為發(fā)電機(jī)磁場最大儲能系數(shù)，取為4；k4為閥片均能系數(shù)，取0.9；Wf0為轉(zhuǎn)子繞組的空載儲能；Lf0為轉(zhuǎn)子繞組在空載時(shí)的不飽和電感；If0為空載勵(lì)磁電流；Td0為定子繞組三相開路時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組時(shí)間常數(shù)；Rf為轉(zhuǎn)子繞組直流電阻（75℃時(shí)）。

由此可以算得：

考慮到機(jī)端三相短路的嚴(yán)厲工況和必要的安全裕量，選取Wde=2.4 MJ。

確定滅磁電阻后，校核滅磁開關(guān)的弧壓：

空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)：Uarcmax=Ufmax+Urx=1 633+900×（3 983÷80）0.027=2 633 V

發(fā)電機(jī)出口短路時(shí)：Uarcmax=URxmax=900×（7 075 ÷80）0.027=1 016 V

因此，滅磁開關(guān)的弧壓按2 800 V考慮，是符合要求的。

該套滅磁系統(tǒng)在中科院等離子所利用大電感進(jìn)行了1∶1滅磁試驗(yàn)，試驗(yàn)波形見圖3。試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁電壓電流最大值分別為938.8 V和4 239.7 A，滅磁時(shí)間1 350 ms，滅磁能量2 401.36 kJ。試驗(yàn)結(jié)果表明，新的滅磁系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)和機(jī)組的最大滅磁工況要求。

3 結(jié)語

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路滅磁開關(guān)配合滅磁電阻作為目前廣泛使用的滅磁方式，可靠性主要受滅磁開關(guān)弧壓和滅磁電阻能容量的影響。以臺州發(fā)電廠9，10號機(jī)滅磁裝置為研究對象，計(jì)算、分析了滅關(guān)弧壓參數(shù)低、滅磁電阻能容不足的問題。計(jì)算磁裝置的性能參數(shù)。通過改造，解決了原滅磁開和試驗(yàn)證明，改造后的滅磁系統(tǒng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定故障工況的滅磁要求。提供的有關(guān)滅磁系統(tǒng)參數(shù)實(shí)用計(jì)算方法，可供同行在勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型、參數(shù)校核和設(shè)備改造工作中參考。

圖3 滅磁試驗(yàn)波形

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（本文編輯：楊勇）

Retrofit of De-excitation System for 300 MW Generator

ZHU Xiao-jin1，WU Kua-yu2
（1.Taizhou Power Plant，Taizhou Zhejiang 318016，China；2.Zhejiang Electric Power Corporation Research Institute，Hangzhou 310014，China）

In order to deal with the problems of the de-excitation system for the 300 MW unit in Taizhou Power Plant including excessively low arc voltage of the de-excitation switch and de-excitation resistance capacity shortage etc，the retrofit is needed.This paper analyzes and calculates the parameters of the new deexcitation system equipments.The de-excitation switch is replaced and the de-excitation resistance and rotor over-voltage protection are reconfigured to meet the operation requirements.

generator；de-excitation resistance；de-excitation switch；rotor over-voltage protection

TM761+.11

：B

：1007-1881（2012）07-0030-03

2012-05-04

朱曉瑾（1974-），女，浙江三門人，碩士，高級工程師，從事發(fā)電廠繼電保護(hù)和自動裝置的技術(shù)管理工作。