余真，馬嵩源，劉乃鎖，陳光，李浩

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津300180）

發(fā)電機(jī)試驗(yàn)站滅磁保護(hù)方法的研究與實(shí)踐

余真，馬嵩源，劉乃鎖，陳光，李浩

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津300180）

滅磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要保護(hù)設(shè)施，是發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障時(shí)減小損失的唯一方法。在試驗(yàn)站勵(lì)磁系統(tǒng)中，滅磁系統(tǒng)要求必須快速可靠，這樣才能在各種事故中保護(hù)勵(lì)磁線圈和整流裝置。在該系統(tǒng)中，采用逆變滅磁，強(qiáng)制滅磁和自動(dòng)滅磁幾個(gè)級(jí)別，分別用繼電器，PLC控制的組合方式來應(yīng)對(duì)幾個(gè)需要滅磁的特殊情況，提高了滅磁保護(hù)的可靠性，對(duì)滅磁開關(guān)的觸點(diǎn)也有比較好的保護(hù)。在發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)站的實(shí)際使用中，效果良好。

發(fā)電機(jī)試驗(yàn)站；勵(lì)磁；滅磁保護(hù)

1 引言

勵(lì)磁裝置向轉(zhuǎn)子提供可以調(diào)節(jié)的直流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子線圈產(chǎn)生交流的感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)過輸電線路向用戶提供電力。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁使發(fā)電機(jī)輸出電壓保持穩(wěn)定，這是直流勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置的最基本原理。

無論什么勵(lì)磁系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)檢修，或者故障時(shí)，需要快速地使勵(lì)磁電流減小到零附近，這個(gè)過程，稱為滅磁過程。

滅磁保護(hù)是整個(gè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)重要的保護(hù)措施，是發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障時(shí)減小損失的唯一方法。

最直接的滅磁是分滅磁開關(guān)，但是由于勵(lì)磁電感量非常大，分?jǐn)鄷r(shí)會(huì)產(chǎn)生過電壓擊穿絕緣，為了避免這樣的情況，也就需要在分滅磁開關(guān)的同時(shí)將能量轉(zhuǎn)移到滅磁電阻上或者通過反電勢(shì)來滅磁。

通過逆變滅磁，電阻滅磁等多種滅磁方式的組合，減小了滅磁開關(guān)的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了滅磁保護(hù)的高可靠性，在某汽輪發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)站進(jìn)行了良好的應(yīng)用。

2 滅磁能量的消耗與轉(zhuǎn)移

滅磁過程中，最重要的是能快速地將能量從勵(lì)磁線圈上轉(zhuǎn)移到電阻上或者消耗掉。

2.1 能量的消耗

隨電力電子技術(shù)的發(fā)展，我們可以通過以下幾種方式達(dá)到能量消耗的目的。

第1種，逆變滅磁，勵(lì)磁系統(tǒng)正常時(shí)，通過調(diào)整整流裝置控制角，逆變產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，將勵(lì)磁回路中的能量反饋回電網(wǎng)中。

第2種，滅磁開關(guān)滅磁，也稱為耗能型滅磁開關(guān)滅磁，在滅磁時(shí)，滅磁開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)在動(dòng)靜觸頭上產(chǎn)生高強(qiáng)度磁場(chǎng)產(chǎn)生拉弧，電弧通過引弧裝置引入滅弧柵中。當(dāng)電弧電壓超過整流電源電壓時(shí)，勵(lì)磁繞組上的電壓為負(fù)值，磁場(chǎng)電流衰減，電弧在滅弧柵中持續(xù)燃燒來吸收整個(gè)能量。隨著機(jī)組勵(lì)磁電流越來越大，這樣的滅磁開關(guān)需要巨大的滅弧柵，并且在分?jǐn)嗟臅r(shí)候壓力過大，往往不能滿足要求，耗能型滅磁開關(guān)目前在大型機(jī)組上很少使用。

第3種，滅磁電阻滅磁，也稱為移能型滅磁開關(guān)轉(zhuǎn)移滅磁，滅磁時(shí)滅磁開關(guān)斷開，瞬間產(chǎn)生足夠高的電弧電壓，將滅磁電阻并接到勵(lì)磁線圈中來消耗轉(zhuǎn)子能量，同時(shí)電弧迅速冷卻熄滅，能量由電阻消耗。移能型滅磁開關(guān)斷開的條件是，滅磁開關(guān)的弧壓高于整流電源電壓與滅磁電阻接入滅磁時(shí)的初始電壓之和。

2.2 能量的轉(zhuǎn)移

滅磁開關(guān)在滅磁系統(tǒng)中不光承擔(dān)滅磁的作用，還承擔(dān)將勵(lì)磁線圈從供電回路中切斷的作用，所以目前多使用的是移能型滅磁開關(guān)轉(zhuǎn)移滅磁。正常工作時(shí)，滅磁電阻不投入，需要滅磁時(shí)，滅磁開關(guān)打開，滅磁電阻迅速投入，能量由電阻消耗。在電阻滅磁時(shí)，最關(guān)鍵的是快速地將能量轉(zhuǎn)移到滅磁電阻中。

如圖1所示，分析能量的轉(zhuǎn)移方式如下。

L為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈，R為滅磁電阻，MK為滅磁開關(guān)，K為轉(zhuǎn)移開關(guān)。

正常工作狀態(tài)，MK閉合，K打開，滅磁電阻R沒有投入，在需要滅磁時(shí)，MK打開，由于轉(zhuǎn)子電流不能突變，在Uz不變的情況下，MK動(dòng)靜觸頭產(chǎn)生高電磁場(chǎng)，形成空氣電離產(chǎn)生拉弧并將電弧吹入滅弧罩，在該斷口形成一個(gè)電弧電壓Uk，此時(shí)可認(rèn)為在該端口串入一個(gè)電阻，在電機(jī)電感突然串入一個(gè)電阻的情況下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)Ul，Ul的大小與MK產(chǎn)生的弧壓大小有關(guān)，當(dāng)Ul大于K的導(dǎo)通電壓時(shí)，K擊穿導(dǎo)通，滅磁電阻投入勵(lì)磁回路，勵(lì)磁能量由R消耗，此時(shí)滅磁成功。下式可以表示能量轉(zhuǎn)移滅磁條件：

由式（1）可以看出，滅磁成功條件是滅磁開關(guān)斷開時(shí)產(chǎn)生的弧壓Umk足夠大，但是Umk太大時(shí)，分?jǐn)鄷r(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)勵(lì)磁回路絕緣產(chǎn)生不良影響，或者減小整流裝置輸出電壓Uz，這個(gè)可以通過逆變滅磁使Uz變成反電動(dòng)勢(shì)，再有就是減小轉(zhuǎn)移開關(guān)導(dǎo)通電壓Uk，但是考慮到電壓過小后有可能會(huì)誤導(dǎo)通，這個(gè)值也不宜選擇過小。

圖1 滅磁能量的轉(zhuǎn)移Fig.1 The flow of de-excitation energy

在圖1中MK為移能型滅磁開關(guān)，在分?jǐn)嚅_始到分?jǐn)嘟Y(jié)束大概40ms的時(shí)間內(nèi)，需要盡快將能量轉(zhuǎn)移到R中來熄滅滅磁開關(guān)電弧，轉(zhuǎn)移開關(guān)K的快速可靠的導(dǎo)通在滅磁系統(tǒng)里起到關(guān)鍵的作用。

3 轉(zhuǎn)移開關(guān)及控制方式

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移開關(guān)多用機(jī)械開關(guān)，或者利用非線性電阻，其有不易維護(hù)，可靠性不高，非線性電阻導(dǎo)通不具人為可控的缺點(diǎn)。

在此利用晶閘管正反并聯(lián)作為轉(zhuǎn)移開關(guān)，其具有開關(guān)迅速，可靠，無觸點(diǎn)，人為可控制觸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。

晶閘管的導(dǎo)通，采用兩種方式并行觸發(fā)，來保證其在滅磁狀態(tài)時(shí)的可靠性。

第1種，OVP觸發(fā)板觸發(fā)，其主要為雪崩二極管BOD控制，BOD具有明顯的轉(zhuǎn)折電壓，反應(yīng)速度快，可反復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。如圖2 BOD觸發(fā)電路所示，在滅磁開關(guān)打開瞬間，動(dòng)靜觸頭產(chǎn)生弧壓，加在BOD上的電壓瞬間增大，電壓達(dá)到BOD轉(zhuǎn)折電壓后BOD瞬間導(dǎo)通，BOD保護(hù)輸出GK端輸出觸發(fā)脈沖，晶閘管導(dǎo)通。V1，V2，V3，V4保證了在觸發(fā)時(shí)2個(gè)反并聯(lián)晶閘管可同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。

圖2 BOD觸發(fā)原理圖Fig.2 BOD schematic diagram

第2種，PΤB強(qiáng)制觸發(fā)控制，通過脈沖觸發(fā)電路，利用PLC控制，來導(dǎo)通晶閘管。其具有觸發(fā)快速，可人為控制的優(yōu)點(diǎn)，如圖3所示，通過PLC控制觸點(diǎn)K的開關(guān)來控制觸發(fā)脈沖。

圖3 PTB強(qiáng)制觸發(fā)脈沖Fig.3 PTB forced pulse diagram

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)試驗(yàn)站勵(lì)磁系統(tǒng)單線圖如圖4所示。該系統(tǒng)由一臺(tái)裂解式三繞組變壓器供電，二次側(cè)一個(gè)繞組為△形接法，另一個(gè)繞組為Y形接法，輸出電位差相差30°，形成12相整流效果，整流裝置采用西門子6RA70裝置，組成12脈沖對(duì)勵(lì)磁線圈供電，2象限運(yùn)行，具備能量反饋方式的滅磁功能，每個(gè)裝置的正極輸出串入一臺(tái)均衡電抗器，滅磁開關(guān)采用進(jìn)口單斷口移能型滅磁開關(guān)。

圖4 系統(tǒng)單線圖Fig.4 System line diagram

圖5為電子滅磁結(jié)構(gòu)圖，V1和V2為一組電子開關(guān)，它通過OVP和PΤB并聯(lián)觸發(fā)。OVP為自動(dòng)滅磁觸發(fā)電路，它通過滅磁開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)的拉弧產(chǎn)生高電壓，導(dǎo)通雪崩二極管來觸發(fā)電子開關(guān)。

PΤB為強(qiáng)制觸發(fā)電路，通過對(duì)K1和K2的控制來觸發(fā)電子開關(guān)，他們組成的滅磁單元能以極快的速度啟動(dòng)，通過放電電阻進(jìn)行滅磁。

工作時(shí)，滅磁開關(guān)合閘，電子開關(guān)斷開，放電電阻從線路中斷開，勵(lì)磁線圈由整流柜供給勵(lì)磁電流，當(dāng)系統(tǒng)需要滅磁時(shí)，斷開滅磁開關(guān)，同時(shí)電子開關(guān)導(dǎo)通，將能量施加在放電電阻上，能量由放電電阻消耗，實(shí)現(xiàn)將勵(lì)磁電流減小到零。

圖5 電子滅磁結(jié)構(gòu)圖Fig.5 De-excitation structure diagram

5 控制方案

在傳統(tǒng)的滅磁保護(hù)中，通常是通過滅磁開關(guān)拉弧，產(chǎn)生高電壓使滅磁電阻投入到回路中，而同時(shí)滅磁開關(guān)的分?jǐn)嗍箘?lì)磁線圈從勵(lì)磁供電線路中物理切除。在這種方式下有幾個(gè)問題出現(xiàn)。

1）滅磁開關(guān)拉弧時(shí)的電弧會(huì)對(duì)滅磁開關(guān)觸頭產(chǎn)生燒蝕，需要定期維護(hù)。

2）滅磁開關(guān)的弧壓具有分散性和非線性的特性，造成弧壓計(jì)算困難，容易選型不適當(dāng)，造成滅磁失敗燒毀滅磁開關(guān)。

3）分?jǐn)鄿绱砰_關(guān)拉弧的時(shí)間很短，一般為30ms左右，這就要求在拉弧期間將滅磁電阻快速接入回路中，要求接入開關(guān)的反應(yīng)速度很快，而傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)反應(yīng)比較慢，從發(fā)出命令到動(dòng)作完成通常都大于40ms，這就容易燒毀滅磁開關(guān)。

4）傳統(tǒng)滅磁全部通過滅磁電阻發(fā)熱消耗，也不利于節(jié)能。

根據(jù)以上不足，我們提出了多種方法，綜合使用并解決以上問題。

1）使用2象限整流裝置，通過在滅磁開關(guān)分?jǐn)嗲疤崆澳孀儨绱牛瑴p小滅磁開關(guān)分?jǐn)嚯娏?，減小拉弧。逆變滅磁還可以將能量反饋回電網(wǎng)，節(jié)省了能源。

2）使用強(qiáng)制滅磁觸發(fā)，來觸發(fā)滅磁電阻接入滅磁回路，這樣可以在觸發(fā)設(shè)備無故障時(shí)，減小使用拉弧觸發(fā)的概率，提高可靠性。

3）使用晶閘管作為電子開關(guān)，用雪崩二極管作為電子開關(guān)的觸發(fā)，雪崩二極管的導(dǎo)通時(shí)間為μs級(jí)，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間可以忽略不計(jì)，這樣大大提高了電子開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。

通過以上方法的組合應(yīng)用，用PLC結(jié)合繼電器控制的方式改善了滅磁系統(tǒng)。

6 各種情況下的滅磁過程

6.1 通訊故障時(shí)的滅磁

PLC通訊故障時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)將按照指令斜率逆變滅磁。

6.2 上位機(jī)發(fā)出滅磁指令

滅磁指令時(shí)，整流裝置用最大能力滅磁，同時(shí)上級(jí)PLC滅磁指令觸點(diǎn)打開，PΤB將電子開關(guān)強(qiáng)制導(dǎo)通，滅磁電阻接入，1 s后滅磁開關(guān)打開，整流裝置封鎖脈沖，滅磁電阻接入不變，10 s后電子開關(guān)關(guān)斷。

6.3 緊急滅磁指令

操作臺(tái)緊急停止命令后，滅磁開關(guān)分閘命令發(fā)出的同時(shí)，PΤB直接將電子開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通，滅磁電阻投入到滅磁回路中。

6.4 本地分閘滅磁開關(guān)

當(dāng)在本地分閘滅磁開關(guān)時(shí)，滅磁開關(guān)分閘命令發(fā)出，電子開關(guān)被PΤB觸發(fā)導(dǎo)通，滅磁電阻接入到滅磁回路，同時(shí)裝置也處于快速逆變狀態(tài)，滅磁開關(guān)分閘。

6.5 勵(lì)磁裝置故障

勵(lì)磁裝置故障時(shí)，電子開關(guān)直接被PΤB觸發(fā)導(dǎo)通，同時(shí)通過通訊發(fā)給上位機(jī)故障信號(hào)，上位機(jī)將滅磁開關(guān)分?jǐn)?，?lì)磁能量由滅磁電阻消耗。

6.6 系統(tǒng)斷電

為保證系統(tǒng)斷電時(shí)滅磁功能正常，有一路不間斷電源給PΤB進(jìn)行供電，斷電時(shí)，PΤB自動(dòng)觸發(fā)電子開關(guān)。

7 與其他控制方案的比較

本系統(tǒng)與其他設(shè)計(jì)方案比較，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1）節(jié)能環(huán)保，采用2象限整流裝置，可在逆變的時(shí)候?qū)⒛芰炕仞侂娋W(wǎng)，具有良好的節(jié)能效益。

2）滅磁迅速，在滅磁過程中通過裝置最大能力逆變和滅磁電阻共同作用，通過電子開關(guān)快速導(dǎo)通，可以快速將能量從發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈中切除。

3）滅磁可靠，使用UPS電源，BΤP強(qiáng)制觸發(fā)可以保證在異常斷電情況下的滅磁成功，逆變滅磁和電阻滅磁互相保證，過壓觸發(fā)和BΤP雙重觸發(fā)，提高了滅磁成功率。

4）設(shè)備安全，通過邏輯控制，在正常滅磁情況下使逆變滅磁早于電阻滅磁，可以減小滅磁開關(guān)觸頭拉弧燒蝕，增大設(shè)備的使用壽命，減少維護(hù)工作量。

8 結(jié)論

本系統(tǒng)根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)試驗(yàn)站勵(lì)磁系統(tǒng)的要求，綜合了多種特殊工況下的勵(lì)磁保護(hù)的狀態(tài)，設(shè)計(jì)了完善的滅磁措施，提高了滅磁保護(hù)的可靠性與快速性，在某汽輪機(jī)試驗(yàn)站投入使用在試驗(yàn)期間經(jīng)歷了斷電，人為控制滅磁這幾種狀態(tài)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

［1］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］中國(guó)電氣工程大典編輯委員會(huì).中國(guó)電氣工程大典［M］.電機(jī)工程，北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［3］陳小明.發(fā)電機(jī)滅磁失敗原因分析及改進(jìn)措施［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23（22）：54-55.

Research and Practice of De-excitation Protection of Generator Test Station

YU Zhen，MA Song-yuan，LIU Nai-suo，CHEN Guang，LI Hao
（Tianjin Design and Research Institute of Electric Drive Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

De-excitation system is the important protection facility of generator excitation system，is the only method to reduce losses of generator internal fault.In the excitation system，de-excitation system is required fast and reliably，it can protect the excitation coil and rectifier device in a variety of accidents.In de-excitation system，the inverter de-excitation，forced de-excitation and automatic de-excitation several levels were used，combination of relay and PLC control was used to deal with several special cases of de-excitation.The reliability of de-excitation protection is improved，the magnetic switch contact is also quite good protected.In the actual use of generator test station，results are good.

generator test station；excitation；de-excitation protection

TM311

A

2014-01-13

修改稿日期：2014-06-19

余真（1967-），男，本科，高級(jí)工程師，Email：yuzhen1025@163.com