水輪發(fā)電機(jī)ZnO-SiC混合閥片滅磁電阻研究

盛明珺,胡思宇,劉守豹,陳小明,鐘 建

(大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,南寧 530007)

0 引言

隨著水輪發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的不斷提高,電磁感應(yīng)所需的勵(lì)磁電流也不斷加大,發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)的滅磁電流也大大增加,這對(duì)建立安全且快速的滅磁系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)[1-6]。發(fā)電機(jī)滅磁[7]就是在發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部發(fā)生故障或誤操作出現(xiàn)故障時(shí),在轉(zhuǎn)子絕緣允許的情況下,盡快地將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)減弱到盡可能小的程度。為實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組故障情況下勵(lì)磁電流的快速降低,現(xiàn)目前常利用滅磁開關(guān)的分?jǐn)嗵匦?采用滅磁電阻進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的消耗[8-10]。滅磁電阻通常有碳化硅線性電阻、碳化硅非線性電阻、氧化鋅非線性電阻3種類型,其中非線性電阻如氧化鋅ZnO、碳化硅SiC都是應(yīng)用比較廣泛的滅磁材料[11-15]。

從兼顧縮短滅磁時(shí)間、保護(hù)主設(shè)備兩個(gè)方面來看,對(duì)擁有不同特性的電阻片在設(shè)備上的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析是有必要的[16]?，F(xiàn)有的對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)滅磁電阻選型研究的仿真計(jì)算多基于經(jīng)驗(yàn)公式[17-21],而基于轉(zhuǎn)子鐵芯飽和及電阻片差異導(dǎo)致能量吸收不一致等問題的滅磁電阻選型研究相對(duì)較少。

為了對(duì)水輪發(fā)電機(jī)滅磁過程中電阻片的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,考慮轉(zhuǎn)子鐵芯飽和對(duì)滅磁時(shí)間影響,對(duì)不同類型滅磁電阻的滅磁性能進(jìn)行比較,筆者采用電磁暫態(tài)分析軟件ATP-EMTP[22-23]建立了水輪發(fā)電機(jī)滅磁仿真模型并開展了滅磁電阻特性及選型研究,對(duì)發(fā)電機(jī)滅磁電阻設(shè)計(jì)、制造和故障分析具有重要參考價(jià)值。

1 水輪發(fā)電機(jī)及滅磁電阻參數(shù)

1.1 水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)

本研究試驗(yàn)所涉及到的水輪發(fā)電機(jī)的參數(shù)見表1。

表1 水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)表Table 1 Hydrogenerator parameter

此水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子單個(gè)磁極掛裝后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(平均值)分別為:直流電阻1.73 mΩ,電感4.199 mH(空載勵(lì)磁電流情況下),電容5 000 pF。

此水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子單個(gè)磁極掛裝后,不同勵(lì)磁電流下繞組計(jì)及鐵芯飽和特性的勵(lì)磁特性曲線見圖1。

圖1 單個(gè)磁極勵(lì)磁特性曲線Fig.1 Single magnetic pole excitation characteristic curve

1.2 電阻片參數(shù)及其伏安特性

為保證發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行,在發(fā)生故障時(shí),要盡快減小轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量,這一過程便是“滅磁”[24]。有文獻(xiàn)表明[25-27],非線性電阻的“壓敏特性”可以保證在滅磁過程中電阻兩端持續(xù)存在較高的端電壓,以保持電流的快速衰減,從而到達(dá)快速滅磁的目的。

發(fā)電機(jī)組中常采用兩種非線性滅磁電阻,分別是非線性碳化硅(以下簡稱為SiC)、非線性氧化鋅(以下簡稱為ZnO)。這兩種電阻片特性如下所述。

φ90 mm的SiC電阻的單片標(biāo)稱能容為15 kJ,單片極限能容大于45 kJ,其伏安特性曲線見圖2。

圖2 非線性碳化硅電阻片的伏安特性曲線Fig.2 Volt-ampere characteristic curve of non-linear SiC resistor

φ90 mm的ZnO電阻的單片標(biāo)稱能容為20 kJ,單片極限能容大于40 kJ,其伏安特性曲線見圖3。

圖3 非線性氧化鋅電阻片的伏安特性曲線Fig.3 Volt-ampere characteristic curve of non-linear ZnO resistor

由圖2與圖3中可以得知,ZnO電阻片具有更好的“壓敏特性”,隨著電流的增大,SiC的電壓變化很大,而ZnO的電壓變化則很小。因此在相同條件的滅磁過程中,ZnO的電流衰減速度將保持在穩(wěn)定較快的水平上,而SiC的電流衰減速度則會(huì)隨著電流的減小而明顯變小。

1.3 滅磁電阻單元及仿真電路

水輪發(fā)電機(jī)中的滅磁單元組常常是由多個(gè)滅磁電阻片構(gòu)成的。滅磁單元組裝方式見圖4,每個(gè)電阻堆均由14個(gè)電阻片并聯(lián)組成。在實(shí)際使用中,用多個(gè)滅磁單元通過串并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)滅磁的目的。

圖4 滅磁電阻堆組裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of demagnetization resistor assembly assembly

發(fā)電機(jī)滅磁過程仿真模型見圖5,其中勵(lì)磁系統(tǒng)用電流源等效,電流源幅值設(shè)置為頂值勵(lì)磁電流,用電感、電容、電阻等效單個(gè)磁極,多個(gè)磁極串聯(lián)形成轉(zhuǎn)子電路。

圖5 發(fā)電機(jī)滅磁過程仿真模型Fig.5 Simulation model of generator de-excitation process

2 非線性氧化鋅滅磁電阻特性分析

在ZnO滅磁電阻堆中設(shè)置一個(gè)異常電阻片,使其電阻或伏安特性比其他電阻片低5%,以考察異常電阻片能量吸收情況。

采用2個(gè)ZnO滅磁電阻堆并聯(lián)結(jié)構(gòu),分別對(duì)空載勵(lì)磁電流、2.1倍額定勵(lì)磁電流下的滅磁特性進(jìn)行分析,并對(duì)異常電阻片與正常電阻片在空載勵(lì)磁電流、2.1倍額定勵(lì)磁電流下的能量吸收情況進(jìn)行比較。

空載勵(lì)磁電流情況下,對(duì)應(yīng)的特性曲線見圖6,其滅磁時(shí)間為0.67 s,異常電阻片與正常電阻片通過電流差別和能量吸收差異較大。

圖6 空載勵(lì)磁電流下ZnO電阻工作過程變量波形Fig.6 Variable waveforms of ZnO demagnetization resistance under no-load excitation current

2.1倍勵(lì)磁電流情況下,對(duì)應(yīng)的相關(guān)特性曲線見圖7,其滅磁時(shí)間為0.64 s,異常電阻片與正常電阻片通過電流差別較大,能量吸收差異大。

圖7 2.1倍勵(lì)磁電流下氧化鋅滅磁電阻工作過程變量波形Fig.7 Variable waveforms in the working process of ZnO demagnetization resistance at 2.1 times the excitation current

由圖6、圖7可知,兩種電流情況的滅磁過程中ZnO的端電壓都不會(huì)隨著電流大范圍變化而變化(圖6(b)、圖7(b)),它一直是“恒壓”的狀態(tài),這可以保證勵(lì)磁電流的消耗速度不會(huì)受到電流大小的影響,從而達(dá)到快速滅磁的作用。但是ZnO電阻片中異常電阻片與正常電阻片的電流、能量吸收差異較大(圖6(c)(d),圖7(c)(d)),5%的伏安特性差異會(huì)導(dǎo)致數(shù)倍的能量吸收差異,當(dāng)異常電阻片吸收了過多的能量時(shí),極有可能導(dǎo)致由于電阻片過熱而導(dǎo)致的系統(tǒng)熱崩潰等問題,無法保證發(fā)電機(jī)組的安全可靠滅磁。由于各ZnO閥片能量的吸收不均,導(dǎo)致電阻片間存在溫升差異,這將使部分閥片迅速老化甚至失效[28-29]。因此需要對(duì)ZnO電阻片的均流方式進(jìn)行特殊考慮。

3 一種碳化硅與氧化鋅混合的新型滅磁電阻

為了解決單獨(dú)使用ZnO作為滅磁電阻時(shí),由于電阻片之間的微小差異而導(dǎo)致的某一電阻片能量吸收過多,從而導(dǎo)致的系統(tǒng)熱崩潰問題,本研究提出了一種ZnO和SiC電阻片串聯(lián)組合的混合滅磁電阻。

3.1 混合滅磁電阻的結(jié)構(gòu)參數(shù)

ZnO與SiC混合滅磁電阻的結(jié)構(gòu)示意圖見圖8。

圖8 混合電阻片滅磁電阻堆結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the structure of the hybrid resistor demagnetization resistor stack

非線性SiC電阻片的伏安特性關(guān)系表達(dá)式見式(1)[30-31]:

V=KIβ

(1)

式中,V為非線性電阻兩端的電壓,I為流過非線性電阻的電流,K為非線性電阻位形系數(shù),β為電阻非線性系數(shù)。K和β與非線性電阻的體積形狀,電阻片的串、并聯(lián)組合以及材質(zhì)有關(guān),其典型K和β值見表2。

表2 SiC非線性電阻片典型K和 β值Table 2 Typical K and β values of SiC non-linear resistors

對(duì)于20 mm厚閥片,根據(jù)生產(chǎn)工藝及組成要求的不同,可使K和β值不同,從而滿足不同滅磁情況要求。本研究采用厚度為20 mm,φ90 mm,K為75,β為0.4的SiC電阻片,單片標(biāo)稱能容仍為15 kJ,其伏安特性曲線見圖9。

圖9 碳化硅電阻片的伏安特性曲線Fig.9 Volt-ampere characteristic curveof SiC resistor

依據(jù)圖8所示的混合電阻片滅磁電阻堆組合方式,將ZnO電阻片與圖9所示特性的SiC電阻片串聯(lián),形成的新的單個(gè)混合單元的伏安特性曲線,見圖10。

圖10 單個(gè)混合單元的伏安特性曲線Fig.10 The volt-ampere characteristic curve of a single mixing unit

3.2 混合滅磁電阻的電氣特性

將3組混合滅磁電阻堆并聯(lián),分別在單個(gè)混合單元中設(shè)置ZnO異常電阻片和SiC異常電阻片,異常電阻片的伏安特性均比正常電阻片低5%。在2.1倍額定勵(lì)磁電流下,此混合電阻的電氣特性見圖11,其滅磁時(shí)間為0.53 s。

圖11 2.1倍額定勵(lì)磁電流下混合滅磁電阻電量波形Fig.11 Electricity waveform of mixed demagnetization resistance at 2.1 times rated excitation current.

由上文可知,采用ZnO電阻片與SiC電阻片混合串聯(lián)工作時(shí),即便存在異常電阻片(伏安特性均比正常情況下低5%),由于異常支路電流增加引起的碳化硅電壓的升高能夠有效防止異常支路電流的持續(xù)走高,從而起到均流的作用,最終減小了的異常氧化鋅電阻片與正常氧化鋅電阻片在能量吸收上的差異。

因此,由氧化鋅和碳化硅混合組成的滅磁電阻,在保持快速滅磁性能的同時(shí),能夠有效防止因電阻片參數(shù)差異導(dǎo)致的能量吸收不均衡而引起的電阻片熱崩潰。

4 結(jié)論

利用電磁暫態(tài)分析軟件ATP-EMTP建立了水輪發(fā)電機(jī)滅磁仿真模型,分析比較了不同類型滅磁電阻的滅磁性能,并針對(duì)現(xiàn)有滅磁電阻的優(yōu)劣勢(shì),提出了兼顧滅磁系統(tǒng)安全性與快速性的一種混合滅磁電阻。本研究得到的結(jié)論如下:

1)非線性氧化鋅電阻滅磁電壓比較穩(wěn)定,因此其電流衰減速度較快,滅磁速度快。但氧化鋅電阻片個(gè)體參數(shù)微小差異將會(huì)導(dǎo)致的較大能量吸收差異,這極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的熱崩潰等問題。因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)在考慮能量吸收限值同時(shí),充分計(jì)算因參數(shù)不均衡帶來的能量吸收問題,并考慮采用熔斷隔離裝置等保護(hù)措施,避免熱崩潰等問題的出現(xiàn)。

2)針對(duì)單獨(dú)使用氧化鋅電阻片可能會(huì)導(dǎo)致的系統(tǒng)熱崩潰問題,本研究提出了氧化鋅與碳化硅兩種滅磁電阻片的結(jié)合使用混合滅磁電阻?；旌蠝绱烹娮柚刑蓟桦娮杵陔娏髟龃蟮那闆r下的電壓快速提升,使得單個(gè)混合電阻單元之間的電流自動(dòng)均流,保證在5%的參數(shù)差異情況下確保電阻片能量吸收差異在可承受范圍,從而在保證快速滅磁的前提下,實(shí)現(xiàn)滅磁的安全可靠。