王國仁，蘇波，宋述勇

（1.河津發(fā)電分公司，山西河津043300；2.山西漳澤電力股份有限公司電力技術(shù)研究中心，山西太原030006；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

對發(fā)電機(jī)滅磁和程序跳閘方式改進(jìn)的探討

王國仁1，蘇波2，宋述勇3

（1.河津發(fā)電分公司，山西河津043300；2.山西漳澤電力股份有限公司電力技術(shù)研究中心，山西太原030006；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

在介紹直流滅磁原理的基礎(chǔ)上，分析了影響發(fā)電機(jī)滅磁成功的條件和因素，結(jié)合華澤電廠改進(jìn)實(shí)例，提出了事故停機(jī)、正常停機(jī)和異常保護(hù)動作后滅磁方式的改進(jìn)建議。

直流滅磁；逆變滅磁；封脈沖；程序跳閘

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組的停機(jī)主要分為事故停機(jī)和正常停機(jī)。無論是事故停機(jī)還是正常停機(jī)都需要發(fā)電機(jī)快速安全滅磁，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)雖然與系統(tǒng)斷開，但發(fā)電機(jī)的慣性使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能突變，儲存在勵磁繞組中的磁能也不能迅速消失，勵磁電流突變勢必在轉(zhuǎn)子繞組兩端引起相當(dāng)大的暫態(tài)過電壓，這將造成電機(jī)內(nèi)部絕緣損壞等問題。因此發(fā)電機(jī)停機(jī)時必須把轉(zhuǎn)子勵磁繞組的磁能盡快地減弱到盡可能小的程度。

目前發(fā)電機(jī)的滅磁方式有直流滅磁、交流滅磁以及交直流滅磁方式配合使用等多種形式。在采用直流滅磁方式時，有的機(jī)組無論事故停機(jī)還是正常停機(jī)都是通過繼電保護(hù)裝置跳開滅磁開關(guān)來進(jìn)行滅磁；有的機(jī)組則無論事故停機(jī)還是正常停機(jī)都是采用逆變滅磁，然后再跳開滅磁開關(guān)的方式進(jìn)行滅磁，兩種方式都有優(yōu)缺點(diǎn)，本文通過對直流滅磁原理分析，在兩種滅磁方式的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)建議。

1 直流滅磁

1.1 直流滅磁原理

直流滅磁是指跳開勵磁整流器直流側(cè)滅磁開關(guān)的滅磁。圖1是滅磁電阻為非線性電阻的滅磁主回路原理圖，最左側(cè)的模塊表示的是勵磁直流電源即整流裝置，滅磁開關(guān)斷口A-B設(shè)在負(fù)極側(cè)，D為二極管，F(xiàn)R為非線性滅磁電阻，當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，二極管承受反向電壓，滅磁電阻中無電流，滅磁電阻是非線性電阻，在低電壓下呈現(xiàn)高阻特性，當(dāng)承受的電壓超過壓敏電壓時，其電阻急劇下降。當(dāng)跳滅磁開關(guān)滅磁時，滅磁的首要任務(wù)是將滅磁電阻導(dǎo)通并聯(lián)在轉(zhuǎn)子兩端，發(fā)電機(jī)的勵磁電流轉(zhuǎn)移到滅磁電阻中進(jìn)行消耗，換流成功就意味著滅磁基本成功。如果換流失敗，即滅磁電阻沒有導(dǎo)通，發(fā)電機(jī)的滅磁任務(wù)就全部落在滅磁開關(guān)上，此時滅磁開關(guān)就要承擔(dān)全部的消耗磁場能量的任務(wù)，滅磁開關(guān)多次分?jǐn)啻箅娏骶蜁煌潭鹊南?、損傷滅弧罩內(nèi)的滅弧柵，嚴(yán)重影響滅磁開關(guān)的使用壽命。

在發(fā)電機(jī)勵磁回路中，滅磁開關(guān)跳開后斷口A-B上出現(xiàn)很高的電壓即弧壓，A端為正，B端為負(fù)，把這一電壓用UFMK表示，直流電源電壓用US表示，滅磁電阻的導(dǎo)通電壓用UFR表示。若要成功滅磁則如下關(guān)系必須成立。

公式（1）中：UFMK是由滅磁開關(guān)的型號決定的，但是有些因素會使該電壓降低，這些因素包括：滅磁開關(guān)滅弧罩損壞、滅弧罩內(nèi)不清潔，特別是有金屬物或碎屑；滅磁開關(guān)多次分?jǐn)啻箅娏饕部赡軙?、損傷滅弧罩內(nèi)的滅弧柵；US是由整流器陽極電壓和觸發(fā)角度決定的；UFR和設(shè)計時選型有關(guān)。

圖1 滅磁主回路原理圖

1.2 直流滅磁過程

第一階段：滅磁開關(guān)分閘、拉弧、建立轉(zhuǎn)子反電勢。在這個階段的初始時刻，滅磁開關(guān)主觸頭分?jǐn)?，在觸頭之間產(chǎn)生直流電弧，并由電弧電流在吹弧線圈中產(chǎn)生吹弧磁力，從而使直流電弧拉長并進(jìn)入滅磁開關(guān)的滅弧柵。由于直流電弧被拉長后其弧電阻增加，促使滅磁開關(guān)主觸頭兩端的電壓升高，直至達(dá)到非線性電阻的動作值。由于滅磁開關(guān)分?jǐn)?，發(fā)電機(jī)勵磁電流發(fā)生突變，此時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將因電流突變而產(chǎn)生反電勢，其反電勢的大小由轉(zhuǎn)子電感和勵磁電流的變化率所決定。當(dāng)達(dá)到非線性電阻動作值時，由非線性電阻決定轉(zhuǎn)子兩端的電壓。

第二階段：非線性電阻換流、移能，轉(zhuǎn)子滅磁。在這個階段的開始時刻，由于滅磁開關(guān)觸頭斷開引起的轉(zhuǎn)子反向過電壓使非線性電阻由阻斷變成導(dǎo)通，從而使原經(jīng)過滅磁開關(guān)構(gòu)成的勵磁電流通路轉(zhuǎn)換為由非線性電阻與轉(zhuǎn)子之間構(gòu)成通路，進(jìn)而使滅磁開關(guān)斷口熄弧，完成勵磁電流由滅磁開關(guān)向非線性電阻的換流。完成換流以后，由于轉(zhuǎn)子能量并沒有消耗，故非線性電阻將維持導(dǎo)通狀態(tài)，直至將轉(zhuǎn)子的幾乎全部能量都轉(zhuǎn)移到非線性電阻之中，磁能變成熱能。

2 逆變滅磁原理

利用三相全控橋的逆變工作狀態(tài)，控制角由小于90°的整流運(yùn)行狀態(tài)，突然后退到大于90°的某一適當(dāng)角度，此時勵磁電源改變極性，以反電勢形式加于勵磁繞組，使轉(zhuǎn)子電流迅速衰減到零的滅磁過程稱為逆變滅磁。

這種滅磁方式將轉(zhuǎn)子儲能迅速地反饋到三相全控橋的交流側(cè)電源中去，不需要滅磁電阻導(dǎo)通或滅弧柵，是一種簡便實(shí)用的滅磁方法。由于無觸點(diǎn)、不燃弧、不產(chǎn)生大量熱量，因而滅磁可靠。反電勢愈大，滅磁速度愈快。三相全控橋逆變時產(chǎn)生的反電勢與其交流側(cè)電源電勢成正比，因此反電勢的數(shù)值受到一定限制，同時為防止“逆變顛覆”而設(shè)的最大控制角max（或最小逆變角min）的限制，也在一定程度上降低了反電勢。所以單獨(dú)逆變滅磁，受交流電源電壓的限制，逆變滅磁時，勵磁電流雖直線下降，但逆變時所施加的反電勢數(shù)值比滅弧柵滅磁方式要小，因此電流衰減較小，滅磁時間相對較長，但過電壓倍數(shù)也很低。另外，對于自并勵勵磁系統(tǒng)而言，逆變滅磁過程中機(jī)端電壓的下降使施加于轉(zhuǎn)子繞組的逆變反電勢也降低，因而造成逆變滅磁過程的延緩。

3 兩種滅磁方式的比較

通過對以上滅磁原理的分析，可以發(fā)現(xiàn)逆變滅磁不燃弧、不產(chǎn)生大量熱量，滅磁可靠，是理想的發(fā)電機(jī)滅磁方式，但逆變滅磁時間較長，因此若條件允許，盡可能采用逆變滅磁方式。

直流開關(guān)滅磁特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是滅磁時無需外部邏輯配合，操作簡單。缺點(diǎn)是對直流開關(guān)斷口弧壓要求較高，多次分?jǐn)啻箅娏骶蜁煌潭鹊叵?、損傷滅弧罩內(nèi)的滅弧柵，嚴(yán)重影響滅磁開關(guān)的使用壽命。

4 對發(fā)電機(jī)滅磁方式改進(jìn)的設(shè)想

4.1 在發(fā)電機(jī)事故停機(jī)直接跳滅磁開關(guān)的同時對AVR裝置進(jìn)行封脈沖

在發(fā)電機(jī)事故停機(jī)時為減小設(shè)備損壞和對電網(wǎng)的影響，需要最快速度地對發(fā)電機(jī)進(jìn)行滅磁，此時不考慮對滅磁開關(guān)的消耗，采用直接跳開滅磁開關(guān)進(jìn)行滅磁，并在跳開滅磁開關(guān)的同時進(jìn)行整流回路封脈沖，以便公式（1）UFMK－US≥UFR中的US盡量減小，提高滅磁開關(guān)斷口弧壓和滅磁成功的概率。

4.2 對于正常的停機(jī)和發(fā)電機(jī)異常保護(hù)動作后的停機(jī)采用逆變滅磁方式

4.2.1 改進(jìn)的必要性

在電廠以前的正常停機(jī)操作中，都是先將機(jī)組負(fù)荷減到0，然后關(guān)閉汽輪機(jī)調(diào)門和主汽門，待發(fā)電機(jī)程跳逆功率保護(hù)動作后直接跳開滅磁開關(guān)。這種停機(jī)方式雖然是把機(jī)組負(fù)荷降到0，但滅磁開關(guān)至少要切除發(fā)電機(jī)空載勵磁電流；發(fā)電機(jī)定子過負(fù)荷、負(fù)序電流過負(fù)荷、定子鐵芯過勵磁、勵磁電流下降或消失等異常運(yùn)行方式對設(shè)備安全不是十分危害的保護(hù)動作時滅磁開關(guān)則要開斷當(dāng)時的勵磁負(fù)荷電流。滅磁開關(guān)多次開斷大電流對開關(guān)的使用壽命影響很大。因此，對于正常停機(jī)和發(fā)電機(jī)異常保護(hù)動作后的停機(jī)采用逆變滅磁方式的改進(jìn)很有必要。

4.2.2 改進(jìn)的可行性

按照GB14285—2006“程序跳閘”的定義，對汽輪發(fā)電機(jī)首先關(guān)閉主汽門，待逆功率繼電器動作后，再跳發(fā)電機(jī)斷路器并滅磁。

按GB14285—2006規(guī)定，建議采用“程序跳閘”方式的有300MW及以上汽輪發(fā)電機(jī)定子過負(fù)荷、負(fù)序電流過負(fù)荷、定子鐵芯過勵磁、勵磁電流下降或消失等異常運(yùn)行方式。

由于汽輪發(fā)電機(jī)定子過負(fù)荷、負(fù)序電流過負(fù)荷、定子鐵芯過勵磁、勵磁電流下降或消失等異常運(yùn)行工況，并不會立即危及設(shè)備安全，因此可以改進(jìn)為：動作于程序跳閘的保護(hù)動作后先跳開主開關(guān)、廠用開關(guān)、同時逆變滅磁，延時跳開滅磁開關(guān)。

采用逆變滅磁方式的最大缺點(diǎn)是滅磁時間比直接跳滅磁開關(guān)的滅磁時間長，在逆變滅磁過程中如果逆變失敗，則此時發(fā)電機(jī)電壓有可能升高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，發(fā)電機(jī)過壓保護(hù)和U/F保護(hù)有可能動作，此種情況下保護(hù)動作后會立即跳開滅磁開關(guān)，不會對設(shè)備造成損害。因此，對于正常停機(jī)和發(fā)電機(jī)異常保護(hù)動作后的停機(jī)采用逆變滅磁方式的改進(jìn)完全可行。

5 華澤電廠4號機(jī)滅磁回路改進(jìn)

5.1 對AVR裝置進(jìn)行封脈沖

將整流器封脈沖由原來的使用開關(guān)輔助接點(diǎn)改為使用跳閘繼電器輔助接點(diǎn)，在發(fā)電機(jī)事故停機(jī)直接跳滅磁開關(guān)的同時對AVR裝置進(jìn)行封脈沖。

在發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)跳閘的同時，利用跳閘繼電器的兩副接點(diǎn)提供給AVR裝置進(jìn)行封脈沖。

5.2 對程跳逆功率保護(hù)出口進(jìn)行改進(jìn)

由于汽輪發(fā)電機(jī)定子過負(fù)荷、負(fù)序電流過負(fù)荷、定子鐵芯過勵磁、勵磁電流下降或消失等異常保護(hù)的動作結(jié)果都是關(guān)閉主汽門，主汽門關(guān)閉后由程跳逆功率保護(hù)動作于停機(jī)，因此在發(fā)變組保護(hù)里將程跳逆功率保護(hù)和其他保護(hù)的出口分開，分開的結(jié)果是程跳逆功率保護(hù)單獨(dú)使用一個出口繼電器，程跳逆功率保護(hù)動作后先逆變滅磁，跳主變高壓側(cè)開關(guān)，延時跳開滅磁開關(guān)，SJ的延時設(shè)定5 s，以保證逆變滅磁可以成功完成。其他保護(hù)出口可以隨時跳開滅磁開關(guān)。

6 結(jié)論

通過分析直流滅磁的原理，可以得出以下結(jié)論。

a）將勵磁電流迅速轉(zhuǎn)移到滅磁電阻上，是滅磁成功的基本條件。

b）直流滅磁電流轉(zhuǎn)移主要依賴于滅磁開關(guān)的滅弧弧壓，采取跳滅磁開關(guān)滅磁時先封脈沖有利于滅磁電阻回路的電流轉(zhuǎn)移。

c）在發(fā)電機(jī)事故停機(jī)情況下應(yīng)用跳滅磁開關(guān)滅磁有利于故障的迅速消除。

d）正常停機(jī)和異常保護(hù)動作后的程序跳閘采用逆變滅磁，在逆變不成功造成除異常保護(hù)外的其他保護(hù)動作時隨時可以跳開滅磁開關(guān)，有利于延長滅磁開關(guān)的使用壽命。

e）該改進(jìn)方案可行、實(shí)用，有利于機(jī)組勵磁設(shè)備的安全運(yùn)行，值得在同類型機(jī)組上推廣應(yīng)用。

M odes Improvement of Generator De-excitation and Sequential Trip

WANG Guo-ren1，SU Bo2，SONG Shu-yong3
（1.Hejin Power Generation Com pany，Hejin，Shanxi 043300，China；2.Shanxi Zhangze Electric Power Co.，Ltd.，Electric Power Technology Research Center，Taiyuan，Shanxi 030006，China；3.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Based on the theory of DC de-excitation,the condition and factors influencing the generator de-exciation are analysed. Combiningwith the reformation example of Huaze Power Plant，the de-excitationmodes after accident shutdown，normal shutdown and abnormality protection action are proposed to be improved.

directcurrentde-excitation;inverting de-exciation；suppressor impulse；sequential trip

TM761+.11

A

1671-0320（2014）04-0056-03

2014-04-11，

2014-05-15

王國仁（1967-），男，山西萬榮人，1989年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力分校發(fā)配電專業(yè)，工程師，從事電器檢修工作；

蘇波（1971-），男，山西永濟(jì)人，1993年畢業(yè)于太原電力高等專科學(xué)校發(fā)配電專業(yè)，工程師，從事發(fā)電廠技術(shù)管理和研究工作；

宋述勇（1971-），男，山西交城人，1995年畢業(yè)于武漢大學(xué)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)試驗(yàn)與研究工作。