非线性电阻串联灭磁方案探讨

1、非线性电阻串联灭磁方案探讨 陈贤明 吕宏水 刘国华 王伟 朱晓东 ( 国电自动化研究院 电气控制研究所 南京323信箱 , 210003)摘要：通常大型发电机采用非线性电阻灭磁，按常规，非线性电阻并接在磁场绝绕组两端，这种接法已得到普遍采用，没碰到什么问题，然而随着巨型水轮发电机，如三峡700Mw的发电机投运，磁场电压和电流都十分大，这种情况下，用上述并联接法，为使非线性电阻在灭磁时投入，对灭磁开关的开断弧压要求愈来愈高，这意味着灭磁开关除了要通过大电流，并且在开断时需产生很高弧压，这就导致灭磁开关十分巨大，结构复杂，价格昂贵，运行维护工作量大。为此本文对灭磁时将非线性电阻并接在灭磁开关两端，

2、串入磁场回路的方案进行探讨，这时对灭磁开关开断弧压要求可降低至非线性电阻的残压，并且能达到并联支路灭磁的相同效果，无须增加设备，为此，对其机理进行了自并励发电机空载误强励灭磁的仿真，给出了予想的结果。关键词：发电机，非线性电阻 ，灭磁，串联 0). 前言 大型发电机的灭磁对发电机安全是极其重要的，尤其随着国内三峡水电厂的26台700Mw水轮发电机的陆续投运，以及下一个10年，可能有多达近百台这类机组投运，灭磁问题的合理解决，显然十分迫切。在上世纪70年代未，采用磁场开关加非线性电阻的灭磁方案得到发展，它和用线性电阻灭磁的方案类似，灭磁电阻并接于磁场绕组两端，由于用非线性电阻时在灭磁过程中，加于

3、磁场绕组的反电压基本不变，因此它的灭磁速度远比用线性电阻要快。它也是属于移能式灭磁，灭磁时磁场能量主要由非线性电阻吸收，灭磁开关主要起开断作用，这种灭磁方式优点之一，可根据发电机磁场能量的大小，配置非线性电阻的能容，十分灵活，因此曾得到推广应用，也受到广大的电厂运行人员的欢迎。 只是近年在如三峡700Mw这类大型发电机应用上，遇到了新问题，因这类发电机的励磁电压、励磁电流都十分大，要满足用非线性电阻灭磁，对灭磁开关的开断时弧压Uk的要求高，能实现可靠移能灭磁的关键是，磁场开关的开断弧压必须大於，励磁电源的最高电压及非线性电阻的残压之和，现以三峡水电厂700Mw机组ABB公司提供的数据为例， 额

4、定励磁电压、电流 475.9V ,4158A 整流变压器付边线电压=1200v,假定同空载误强励使发电机机端电压上升1.3倍，这时励磁电源最大电压为=1.321200=2210V如果非线性电阻残压选为2000v，则要求磁场开关开断时的弧压不小于4300V，如还留有一些裕量，就得要求开断弧压达5000V，通常带灭弧栅的分隔短弧的灭磁开关，每个灭弧栅间隔电压为2530V，要达到5000V就需要200167灭弧栅间隔,实际上难以做在一只开关上，需要分成多只开关串联完成，三峡发电机用的直流灭磁开关就是由8只开关串联而成。 我国过去曾使用过串联式带灭弧栅的自动灭磁开关灭磁，它的灭磁速度快，如国内的DM2

5、型的自动灭磁开关，曾经得到广泛采用，在灭弧时利用开关断开时的灭弧电压，将磁场能量消耗在开关的灭弧室内，在磁场电流衰减到零前，灭弧电压基本不变，这个特性应该说和非线性电阻，尤其是氧化锌ZnO的伏安特性相近，这就使作者联想到用ZnO串联来灭磁，即将非线性电阻跨接于磁场开关的两端，这时对磁场开关开断弧压的要求，实际上只要到达非线性电阻的残压就够了，如仍以上述三峡发电机为例，对开关开断弧压的要求可降到2000v就够了。1).非线性电阻对灭磁开关弧压的要求图1 非线性电阻并联灭磁线路U 电源电压 Uk磁场开关FB断开时的开断弧压I 磁场电流 e 磁场绕组自感电势 R 非线性电阻通常用图1所示的并联非线性

6、电阻支路灭磁，需要依赖灭磁开关的开断弧压，事实上开关FB断开时，磁场电流i减小，磁场绕组产生与电流变化率正比的感应电势e，后者可按回路电势合成为零确定，在这里即 UUk+e=0， 得出Uk=U+e，而e是加于非线性电阻上，要使其导通，应不小于非线性电阻的残压。也就是说灭磁开关的开断弧压要大於电源电压加非线性电阻的残压。图2 非线性电阻串联灭磁线路U 电源电压 Uk磁场开关FB断开时的开断弧压 e 磁场绕组自感电势 R 非线性电阻图2是本文探讨的非线性电阻R串联的灭磁线路，发电机正常运行时，磁场开关FB闭合。非线性电阻R被FB短路，没有电流通过，灭磁开关跳开时，产生的开断弧压Uk直接加到非线性电

7、阻R上，如Uk大或等于非线性电阻的残压，则磁场电流流经非线性电阻及磁场绕组，其灭磁过程应和非线性电阻并联灭磁没有太大的不同。唯一的不同是串联灭磁时，磁场的电源电压U仍可能加在回路中，但通常，对含有非线性电阻的电路讲，它的作用很小，在灭磁时如可控硅整流电路交流侧也同时拉开。那U就不存在了。如果发电机采用的自并励系统，则U随着励磁电流i衰减而很快下降，起不了什么作用。为了评估电源电压U加于和磁场绕组串联的非线性电阻的电路中产生的电流，假定图2中的磁场开关FB是开断的，加上不同的电源电压U，求稳定后的电流，这时的电路方程为:其中Ux为非线性电阻R上的电压降。通常Ux可表示Ux=ki 现在假定r=0.

8、098 L=0.99H 非线性电阻用ZnO =0.046 灭磁时当磁场电流为4158A时残压取2000v ，可得k=1363。对不同的U值求稳定电流，应指出这里L对电流大小没作用，只是起延时的作用，对上述方程仿真结果如下表:U v200019001800170016001500I a116465129010731.38U v14001300120011001000900I a1.7850.36.063.01.001.1ma从表中可知当电压U到1000v时，该电路的稳定电流i只有1ma，实际已不起作用，大型发电机强励电压很小有超过1000vdc，当然如果在上述励磁电源空载误强励1.3倍的2210

9、vac下，整流电压中300Hz分量因直流侧磁场电感十分大，不起作用磁场电流大小取决于直流电压，为防止非线性电阻损坏，更为妥当的是断开直流磁场开关的同时，也切断晶闸管整流桥交流侧电源。本文将研究自并励发电机在空载误强励下用非线性电阻串联灭磁的多种情况。2.非线性电阻串联灭磁仿真为了对非线性电阻串联灭磁的情况进一步了解，现在以三峡水电厂700Mw自并励发电机空载误强励灭磁为例，进行仿真，首先列出同步发电机空载时在d,q轴坐标内的park微分方程. 空载时定子电流Id=iq=0,q轴磁链q=0 电压方程：定子： (1) (2)磁场： (3)阻尼绕组： (4)磁链方程：: 定子： (5)磁场： (6)

10、阻尼绕组： (7)同时考虑发电机在同步速旋转，即P=2f，再将磁链方程代入电压方程后得 (8) (9) (10) (11)其中微分算子S=d/dt=p 按Simulink习惯书写。方程(8)至(11)便是水轮发电机空载的微分方程组。图3是自并励发电机的主线路，Tr是晶闸管整流桥，EPT是励磁变压器，它的起励和运行需要励磁调节器(AVR)进行闭环控制，因其动态性能优良、响应快，用的都是静止设备，维护容易，现在无论汽轮发电机和水轮发电机上，均得到广泛应用，这也是本文针对它研究的原因。 图3 发电机的自并励励磁系统 注意非线性电阻串联灭磁时方程10中还须加上 项。 众所周知同步发电机空载特性是非线性

11、的，应该指出,在经济和技术方面合理设计的水轮发电机，其在标幺制中的空载特性不应和下述常规空载特性 Uo=f(if) (标幺制) 相差太大。 表 1 常规空载特性 (前 2行)Uo0 0.551.01.211.331.4if0 0.51.01.52.02.5Uo0 0.551.01.1941.3221.4121 单位励磁电流if对应着机端的额定电压(Uo=1单位电压)为在仿真计算中便于计及空载特性的非线性，采用了文献1 推荐的表达式：如 if Ib 则 Uo=(M* if)/(N+ if) , (13)其中Ib 是上述2个函数交点的励磁电流.如果实际的空载特性己知，就可用试凑法逐步确定合适的系数

12、 L, M, N。对常规空载特性可采用以下值: L=1.1, M=1.95, N=0.95. 将它们代入(12),(13)中可得 Ib =0.823. 表1中的下2行为替代的空载特性 U0。 替代空载特性U0和常规空载特性U0 的误差很小，在工程应用中完全允许。对应于发电机空气隙主磁链的直轴互感Lad 当 if Ib =0.823 则 Lad =Uo / , 亦即, Lad =M/(N+)=1.95/ (0.95+) (15) 系数 是用来求 Lad的实际值，亨利图4 是 发电机空载及空载误强励仿真的Simulink总结构图，子模块SGmdl是同步发电机在d,q轴下的数学模型，子模块PID是自

13、并励发电机调节器（AVR）的核心，它的输入有电压给定Ref，另一个输入In1是端(额定相电压=11547v)电压U0的测量值的标幺值，开关Switch2及定时器Timer用于控制空载误强励的瞬刻，这里误强励时假定端压测量值出错，降至0.9额定值，PID输出是三相全控整流桥晶闸管的触发控制角，它经Cos取值 图4 发电机空载及空载误强励仿真的Simulink总结构图后，和来自端电压U0及励磁变压器变比及有关整流系数相乘后，得到了自并励系统的励磁电压，经开关Switch4送到开关Switch1去进入磁场绕组，Uf0=5v是自并励系统的点火电压，定时器Timer1 是用來控制灭磁瞬刻的， Switc

14、h4开关可用来控制灭磁瞬刻整流桥交流进线侧的开关的通断，如断，则输入0。 如该0值输入代以从励磁变压器进线侧的50周波的线电压，就可仿真灭磁时封锁脉冲而不切整流桥进线开关的情况。Switch3是用来控制逆变灭磁的逆变角为2.62弧度(即150)，图6是图5中”SGmdl”子模块的同步发电机模型。图6 同步发电机模型SGmdl其中”Mdl in d,q，”是d,q轴同步发电机空载的图7 d,q轴坐标的空载同步发电机结构图模型，如图7所示。图7下部为d轴阻尼绕组方程11，它的左上部Inductance1代表考虑了方程14,15饱和效应的d轴有关电感，右部为计算Ud,Uq的方程8,9。注意这里计算U

15、d的微分用了差分代替。图7中部带二极管”diode”模块部分是计算磁场电流的方程10，当灭磁信号clk1来时非线性电阻投入。模块”de-ex”用来计算灭磁时磁能的。3. 仿真实例 现以ABB公司为三峡左岸水电厂提供的水轮发电机数据为例，其主要数据如下：额定功率 700Mw 额定电压 20kv 额定转速 75转/分 额定功率因数 0.9 额定励磁电压、电流475.9V 、4158A 空载额定电压下励磁电压，电流 191.8V、2352A，采用静止自并励系统。 (不饱和值/饱和值) 和 本仿真中转子磁场绕组电阻采用空载时的和130C的平均值即：rfd=(191.8/2352+0.1144)/2=0

16、.098空载励磁电压用计算值 Uf=2352*0.098=230.5v磁场绕组自感计算Lf=0.098*10.1=0.99H 假设磁场绕组漏感 Lfs 2 Lfs =0.187H 在本例中，假定ABB的水轮发电机空载特性为常规特性替代特性，即表1中第2，3行，此空载特性的转折点为Uo=0.905, if=0.823并假定非线性电阻是氧化锌=0.046,其非线性系数k=1363。在本例中假定空载发电机因输入励磁调节器的端电压测量(0.9)错误，引起误强励(由Timer控制)，经1秒钟后(由Timer1控制)磁场开关分断，接入与磁场开关两端并联的ZnO非线性电阻灭磁，灭磁时除了直流磁场开关FB断开

17、外,分为几种情况：A).灭磁时晶闸管整流桥交流侧开关不分断。B).灭磁时晶闸管整流桥交流侧开关同时或先分断。C).灭磁时晶闸管整流桥逆变。D).灭磁时晶闸管整流桥封锁触发脉冲。仿真开始前,为了核实所给发电机参数是否正确，令定时器Timer,Timer1不工作，运行图4的Simulink总结构图。从运行后该图上的多亇数字表可看出，当PID调节器给定输入Ref为1(即额定相电压)时，稳定后磁场电流为2355a, 磁场电压为229.4v，而机端相电压为11560V，将它们和本仿真采用的发电机空载数据十分相近。由此可判断所给各参数值基本正确。在以下4种情况仿真中，都假定发电机己处於空载额定电压下，在t

18、=16”时，定时器Timer动作，自并励发电机发生空载误强励，在t=17”时，定时器Timer1动作，磁场开关分闸开始灭磁。图8表示了灭磁时晶闸管整流桥交流侧进线开关不分断时的仿真结果，图8A是磁场电流if和励磁电压Uf，8B是端电压U0及其d,q轴分量Ud,Uq ，8C是非线性电阻ZnO的电压Ux和d轴阻尼绕组电流，可看出误强励后，磁场电流升高到5950A左右，发电机端电压由11547v上升到16535v，误强励时励磁电压因自并励正反馈的作用竟高达2000v左右，从图8D知灭磁时磁场绕组反电压较低，这是它唯一的优点，从图8E的磁能图看出这时ZnO吸收磁能达35.72兆焦，而整个灭磁时间(指灭

19、磁开始至磁场电流if为零)长达6.28”，虽然最终能灭磁，但是实际中是不宜采用。 图9表示了灭磁时整流桥交流进线开关同时分断的仿真结果，图9的A,B,C,D,E和图8的类似，误强励阶段是相同的，灭磁时因交流进线开关切断了电源，没有了图8中正反馈作用，灭磁速度加快，灭磁时间降至1.7”，而氧化锌ZnO吸能为6.725兆焦。灭磁时加在磁场绕组上的反压大小(图9D)和ZnO电压Ux相等，是完全可在实际中应用的。图10表示了灭磁时整流桥逆变的仿真结果，图10的A,B,C,D,E和图8的类似，由于逆变磁场能量部分反馈到交流侧，此时ZnO的吸能只有3.765兆焦，而灭磁时间仅为0.9156”，是比较理想的

20、灭磁情况，其前提是此时励磁调节器工作必须正常，应指出从图10D可看出在灭磁时加在磁场绕组的反压为励磁逆变电压和ZnO电压Ux之和，靠近4000伏，超过允许范围。图11表示了灭磁时整流桥晶闸管的全部脉冲被封锁时的仿真结果。这时整流桥原来导通的二臂继续导通，现假定整流桥进线电压是励磁变压器1.3倍额定交流线电压，其幅值为：1.321200V=2210v注意由于磁场电路电感很大，即使这么大的交流电压加上，由於这时交流电抗很大，经仿真证明其稳定交流电流仅为3/(2)=2.12a，实际上由於整流桥是单向导通，当磁场电流过零时，晶闸管关断后，因无触发脉冲，不可能通过反向电流，所以磁场电压和d轴阻绕组电流中

21、的50周波分量只存在磁场电流不为零前。这种情况下灭磁时间为2秒，氧化锌吸能为7.35兆焦。其主要缺点也是在灭磁时加于磁场绕组的反压(见图11D)超过了4000V。4).结论本文详细研究了将非线性电阻(尤其是氧化锌ZnO)并联于磁场开关两端的”非线性电阻串联灭磁”的方案，其主要目的是为降低传统的并联灭磁对磁场开关开断弧压的要求，从而简化磁场开关结构，降低成本，本方案对开断弧压的要求，是不低于非线性电阻的残压。在前面分析的4种情况可看出对自并励发电机讲，灭磁时除了直流磁场开关FB分断外:A情况，即整流桥交流侧进线开关不分断时，虽也能灭磁，但灭磁时间过长，ZnO吸能太大，本例内达35.72兆焦，因此

22、不可取的，不能采用。B情况, 即同时或先跳交流侧进线开关，能很快灭磁，对ZnO能容要求也不高(7.0兆焦)后二种情况可适用于整流桥交流侧无进线开关的情况。当然在灭磁瞬刻整流桥能逆变，部分能量回送电网，灭磁更快，ZnO吸能也小了，但其前题是励磁调节器必须工作正常，但这属于过分乐观的情况。 如灭磁同时封锁触发脉冲，即使励磁调节器工作不正常都可用，它们的共同缺点是，灭磁动作后，加於磁场绕组的反电压都会超过允许值，应用它们时，磁场绕组应配有足够能容的反向过电压限制器(CROW跨接器)。本文对串联非线性电阻灭磁的方案，针对水轮发电机空载误强励灭磁进行了祥细分析，在现有的装备ZnO并联灭磁的电厂，如果整流

23、桥交流侧有进线开关可以不增加任何设备，只要改接一下磁场电路就可实现降低磁场开关开断弧压的要求，对无交流侧进线开关的情况，必需加装有足够能容量的反向电压限制器。还应特别指出的，本方案中非线性电阻在发电机正常运行时，被磁场开关短路，不易老化，因此它的寿命会比传统的并联联接、长期处于励磁电压下的非线性电阻要长。 (A) (B) (C)（D）,（E）图8 整流桥进线开关不分断时灭磁仿真结果 (A) (B) (C)(D),(E)图9 整流桥进线开关分断时灭磁仿真结果 (A) (B) (C)(D),(E)图10 整流桥逆变时灭磁仿真结果 (A) (B) (C)(D),(E)图11 封锁晶闸管整流桥全部触发

24、脉冲时灭磁仿真结果 参考文献”同步发电机通用空载特性及其分析表达式”前苏联No.2-3,1945第45-54页 (俄文)Tolwenski B.A Universal no-load characteristic of Synchronous generator and its analysis expressionPp45-54 No.2-3,1945 “Review of Electric-Force Factory” Former USSR (Russian)2）陈贤明，朱晓东，王伟等 “水轮发电机突然三相短路后灭磁研究” 2006 No.3第3845页CHEN,Xianming, ZH

25、U,Xiaodong WANG,Wei et al. A StudyOn De-excitation of Hydraulic generator after abrupt three-phase short-circuit .pp38-45 No.3 ,2006 Automation of hydro-electric stations3）邱晓林等 ”基于Matlab的动态模型与系统仿真工具Simulink 3.0/4.X” 西安交通大学出版社 2003年10月QIU,Xiaolin et al Oct.2003 published by Xian Jiatong University A

26、Study on De-excitation with Serial Connected Varistor CHEN,Xianming LU,Hongshui LIU,Guohua WANG,Wei ZHU,Xiaodong ( Nanjing Automation Research Institute, Nanjing 210003)Abstract: Usually de-excitation(DE) of large generators with varistor is adopted nowadays. Conventionally, Varistor is connected parallel to field winding. But as the larger hydraulic generator, such as Three-Gouge 700Mw generator put into operation, field current and voltage of it is very large. In order to let varistor put into action