同步發(fā)電機(jī)的滅磁含義和方法
一、滅磁的含義
當(dāng)發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)一變壓器組發(fā)生故障時(shí),繼電保護(hù)動(dòng)作在跳開(kāi)發(fā)電機(jī)的同時(shí),還應(yīng)迅速將發(fā)電機(jī)滅磁。所謂滅磁就是將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的磁場(chǎng)盡快地減弱到最小限度,最快的方法是將勵(lì)磁繞組斷開(kāi),但因勵(lì)磁繞組是一個(gè)大的電感,突然斷開(kāi)必將在直流側(cè)產(chǎn)生很高的電壓,危及轉(zhuǎn)子繞組絕緣、整流橋的安全。因此,實(shí)用方法是在斷開(kāi)勵(lì)磁繞組與勵(lì)磁電源回路的同時(shí),將一個(gè)電阻接入勵(lì)磁繞組,讓磁場(chǎng)儲(chǔ)能迅速耗盡。整個(gè)過(guò)程由自動(dòng)滅磁裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)發(fā)電機(jī)的滅磁要求有兩點(diǎn),首先滅磁時(shí)間應(yīng)盡可能短;其次勵(lì)磁繞組兩端的過(guò)電壓不應(yīng)超過(guò)額定勵(lì)磁電壓的4~5倍。
為同時(shí)滿足上述要求,假設(shè)滅磁開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)子勵(lì)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(zhuǎn)子滑環(huán)間(即勵(lì)磁繞組兩端)產(chǎn)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(shí)際的滅磁曲線可能是直線2或直線3等。根據(jù)它們與理想曲線接近的程度,可以評(píng)價(jià)滅磁方案的優(yōu)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(dú)勵(lì)磁機(jī)滅磁、對(duì)線性電阻放電滅磁、對(duì)非線性電阻放電滅磁、采用滅弧柵滅磁,當(dāng)采用全控橋的半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí),還可利用全控橋逆變滅磁。其中,單獨(dú)勵(lì)磁機(jī)滅磁方法只用于小型機(jī)組,它的滅磁時(shí)間較長(zhǎng)。下面介紹幾種常用滅磁方法。
(1)線性放電電阻滅磁
當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí),即使把發(fā)電機(jī)從母線上斷開(kāi)了,短路電流依然存在,使故障造成的損壞繼續(xù)擴(kuò)大;只有將轉(zhuǎn)子回路的電流也降為零,使發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)盡快地減至最小,才能將故障損壞限制在最小的范圍內(nèi)。最常用的方法是在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)加裝滅磁開(kāi)關(guān),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(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),滅磁開(kāi)關(guān)q處于合閘狀態(tài)。q的主觸頭q1閉合,使勵(lì)磁機(jī)能正常地向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流;觸頭q2斷開(kāi)滅磁電阻r回路。
當(dāng)滅磁時(shí),q跳閘,q2先閉合,使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組接入r;然后q斷開(kāi),這就保證勵(lì)磁繞組接入放電電阻r(即滅磁電阻)時(shí)沒(méi)有開(kāi)路狀態(tài)出現(xiàn),避免了過(guò)電壓的產(chǎn)生。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)了滅磁電阻r后,轉(zhuǎn)子繞組的電流就按照指數(shù)曲線衰減,并將轉(zhuǎn)子繞組中的磁場(chǎng)能量幾乎全部轉(zhuǎn)變成熱能,消耗在r上。
在滅磁過(guò)程中,滅磁的時(shí)間與r有關(guān),r越大,滅磁過(guò)程越快,反之,滅磁過(guò)程就慢些。手冊(cè)規(guī)定r的數(shù)值一般為轉(zhuǎn)子繞組熱狀態(tài)電阻值的4~5倍,滅磁時(shí)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(zhǎng)了滅磁時(shí)間。當(dāng)將r改為非線性電阻,其特性是通過(guò)其中的電流較大時(shí),動(dòng)態(tài)電阻小;電流較小時(shí),動(dòng)態(tài)電阻大。合適選擇非線性電阻,可以做到滅磁初態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)子電壓不超過(guò)容許值,而滅磁時(shí)間減小。
(3)采用滅弧柵滅弧
以上方法中,滅磁開(kāi)關(guān)并不承受耗能的主要任務(wù)。應(yīng)用最廣泛的滅磁方法是利用帶有滅磁柵的快速滅磁開(kāi)關(guān),它利用串聯(lián)短弧的端電壓不變的特性控制滅弧過(guò)程,將磁場(chǎng)儲(chǔ)能主要消耗在滅磁開(kāi)關(guān)內(nèi),滅磁速度較快,幾乎接近理想滅磁。
應(yīng)用滅磁開(kāi)關(guān)滅磁的原理示意圖如圖3所示。在滅磁過(guò)程中,dm的主觸頭1-2先斷開(kāi),3-4仍關(guān)閉,故不產(chǎn)生電弧;經(jīng)極短的時(shí)間以后,滅弧觸頭3-4斷開(kāi),在它上面產(chǎn)生了電弧。由于橫向磁場(chǎng)的作用,電弧被驅(qū)入滅弧柵中,并被分割成很多串聯(lián)的短弧,在滅弧柵內(nèi)燃燒,直到勵(lì)磁繞組中電流下降到零時(shí)才熄滅。在產(chǎn)生容許的過(guò)電壓倍數(shù)條件下,利用滅弧柵滅磁的滅磁時(shí)間僅為放電電阻方式滅磁時(shí)間的24%左右。
圖3 同步發(fā)電機(jī)滅磁原理示意圖
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外已普遍采用雙斷口直流開(kāi)關(guān)(雙斷口磁場(chǎng)斷路器),配以非線性電阻的方法來(lái)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(guò)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(guò)電壓保護(hù)元件,過(guò)電壓動(dòng)作值可靈活整定;氧化鋅元件非線性電阻系數(shù)很小,正常電壓下漏電流很小,可直接跨接在勵(lì)磁繞組兩端,滅磁可靠;采用雙斷口直流開(kāi)關(guān),滅磁過(guò)程中勵(lì)磁電源與勵(lì)磁繞組完全斷開(kāi),有利于加快滅磁過(guò)程;可靠滅磁,非線性電阻的總電能量應(yīng)大于勵(lì)磁繞組的最大儲(chǔ)能。因此,這種滅磁方法具有滅磁速度快、滅磁可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便、滅磁過(guò)電壓動(dòng)作值可靈活整定等特點(diǎn)。
圖4示出了雙斷口直流開(kāi)關(guān)、非線性電阻滅磁的原理圖。圖中dm為雙斷口直流開(kāi)關(guān),nr1、nr2、nr3為氧化鋅非線性電阻,nr1的動(dòng)作電壓低于nr2、nr3的動(dòng)作電壓。
圖4 非線性電阻滅磁的原理圖
正常運(yùn)行時(shí),發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓為ufd,晶閘管 vso2、vso3不導(dǎo)通,二極管v1、v2、v3不導(dǎo)通,所以nr1、nr2、nr3中無(wú)電流。勵(lì)磁繞組發(fā)生正向過(guò)電壓,當(dāng)達(dá)到觸發(fā)晶閘管的動(dòng)作整定值時(shí),vso2、vso3導(dǎo)通,能量迅速消耗在非線性電阻nr2、nr3中,過(guò)電壓值限制由正向過(guò)電壓保護(hù)整定值確定,能量被吸收后,過(guò)電壓消失;勵(lì)磁繞組發(fā)生反向過(guò)電壓,v1迅速導(dǎo)通,能量迅速消耗在非線性電阻nr1中,反向過(guò)電壓值限制由nr1動(dòng)作值確定,過(guò)電壓能量被吸收后,反向過(guò)電壓即消失,在此過(guò)程中,因nr1的動(dòng)作值低,所以nr2、nr3不承擔(dān)反向過(guò)電壓保護(hù)任務(wù)。
發(fā)電機(jī)正常停機(jī)時(shí),通過(guò)可控整流橋逆變滅磁,并不需要斷開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)dm。發(fā)電機(jī)事故緊急停機(jī)時(shí),跳滅磁開(kāi)關(guān)dm,dm斷開(kāi)后,勵(lì)磁電流ifd強(qiáng)迫分?jǐn)啵瑒?lì)磁繞組發(fā)生反向過(guò)電壓,極性是d端為正、f端為負(fù),此時(shí)磁場(chǎng)能量通過(guò)二極管v1消耗在nr1中,完成滅磁過(guò)程。需要指出,滅磁過(guò)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(kāi)后,整流橋側(cè)的正向過(guò)電壓或反向過(guò)電壓,均由非線性電阻nr3吸取過(guò)電壓能量,直到過(guò)電壓消失,過(guò)電壓值受nr3動(dòng)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(zhuǎn)子供應(yīng)勵(lì)磁電流時(shí),就可以應(yīng)用逆變滅磁。在主回路內(nèi)不增添設(shè)備就能進(jìn)行快速滅磁。這一方式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、無(wú)觸點(diǎn),得到了廣泛采用。
在現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,幾乎都采用了三相全控橋?qū)er的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大,實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)。三相全控橋的負(fù)載是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組或勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組,符合逆變條件。當(dāng)發(fā)電機(jī)故障或停機(jī)需要滅磁時(shí),只要將控制角α增大到某一合適的角度(如140°)就可進(jìn)行逆變滅磁。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)或發(fā)電機(jī)有他勵(lì)電源時(shí),由于逆變滅磁過(guò)程中交流電壓不變,勵(lì)磁電流等速減小,滅磁過(guò)程相當(dāng)迅速。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)或發(fā)電機(jī)采用自勵(lì)方式時(shí),隨著滅磁過(guò)程的進(jìn)行,交流電壓隨之降低,滅磁速度也就減慢。
事實(shí)上,逆變滅磁到一定程度時(shí),負(fù)載電感l(wèi)中的能量不能維持逆變,此時(shí)要借助滅磁電阻(與勵(lì)磁繞組并接)使l中的儲(chǔ)能釋放,以進(jìn)行滅磁。如前所述,在現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)自并勵(lì)磁方式中,逆變滅磁只是在發(fā)電機(jī)正常停機(jī)時(shí)使用,發(fā)電機(jī)故障進(jìn)行滅磁是采用滅磁裝置或非線性電阻進(jìn)行滅磁的。
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