水轮发电机灭磁方式分析

发电机灭磁失败原因分析及改进措施陈小明（葛洲坝水力发电厂443002 湖北宜昌市）摘要：针对近期某发电厂发生的灭磁开关烧毁事故，本文介绍了由双断口灭磁开关（FMK）和ZnO非线性电阻构成的灭磁系统的工作原理，分析了其灭磁失败的主要原因，并提出了减轻灭磁开关灭弧负担，保证灭磁成功的改进措施：(1)降低ZnO非线性电阻的残压；(2)在ZnO非线性电阻两端并联线性电阻，以得到一条近似SiC非线性电阻的伏安特性，现场工业试验已验证其有效性。

关键词：励磁装置灭磁开关非线性电阻0 引言1999年4月3日，某一大型水轮发电机组的励磁装置因强励失控，励磁电压和电流最高达到1200V和3800A，造成励磁变压器过流保护动作，机组停机灭磁。

而在这一灭磁过程中，却发生了灭磁开关严重烧毁的事故。

本文分析了其主要原因，并提出了减轻灭磁开关负担，保证灭磁成功的改进措施。

1 灭磁原理介绍该机组的励磁装置灭磁系统由DM4-1600双断口灭磁开关（FMK）和ZnO 非线性电阻（Rf）组成，其灭磁原理图如图１所示。

Uk1Uk2虚线连接的电阻R是本文的改进措施之一图１灭磁原理图Fig.1principle of de-excitation在图1中，二极管D保证Rf只在发电机励磁电压Uf反压时(即下正上负)时投入，Rf两端的工作电压即阀片残压为1500V。

正常运行时，FMK合上，可控硅整流桥SCR输出整流电压Ud和整流电流Id，Uf正压（即上正下负）。

FMK 跳闸灭磁时，其双断口同时断开，触头拉弧并将电弧吹入灭弧罩，电弧在FMK 双断口形成电弧电压Uk1和Uk2，极性如图1所示。

以此同时，Uf由正压变负压，当Uf大于Rf的残压1500V时，励磁电流If流经Rf，FMK双断口电弧熄灭，磁场电流由FMK转到Rf上来，Uf仍被限制在1500V，If按直线衰减，直到Uf 和If均为零，转子磁能变为热能，发电机灭磁成功。

2 灭磁失败原因分析灭磁成功的关键是磁场电流由FMK转移到Rf上来，其转移时间约为40毫秒。

700MW水轮发电机三相突然短路灭磁分析关杰林、陈小明、朱梅生、邵秋葵（长江电力股份有限公司湖北宜昌市443002）一、发电机灭磁系统简介某700MW大型水轮发电机，额定励磁电流If为3779A，配置西门子THYRIPOL自并励静止晶闸管励磁系统，双通道SIMADYN D全数字调节器，5个额定输出2200A的励磁功率柜并联，采用了交直流灭磁开关的双重化灭磁方式，安全可靠(1)。

交流灭磁开关选用真空断路器，型号为3AH3078-8，免维护。

直流灭磁开关选用双断口配常闭辅助断口，具有最好的灭磁开关结构型式(2)，型号为2CEX985000 4.2，其原理接线如图1所示。

图1 700MW机组交直流灭磁系统原理图从原理接线上看，该灭磁系统有两种独立的跳闸灭磁途径。

第一种是S101+SiC灭磁，即直接跳开直流灭磁开关S101，其放电（常闭）断口先闭合，将SiC电阻接入发电机转子两端，接着其主（常开）断口断开转子回路，建压换流，迫使转子磁能被SiC电阻吸收；第二种是S107+S102+SiC灭磁，即首先合上S107开关，将SiC电阻接入发电机转子两端，同时S107的辅助接点接通交流灭磁开关S102的跳闸回路，接着S102开关断开整流器输入电源，并依靠逆变等辅助措施，迫使转子磁能被SiC电阻吸收。

从灭磁时序上看(3)，首先启动第一种灭磁即跳直流灭磁开关，紧接着启动第二种灭磁即跳交流灭磁开关。

两种途径构成冗余灭磁系统，增加了工作可靠性，同时，跳开交流灭磁开关方便励磁变压器和励磁功率柜单独维护检修，跳开双断口直流灭磁开关方便发电子转子绝缘检查工作，都值得推荐。

二、发电机灭磁试验分析发电机灭磁分析，主要是灭磁时间分析。

对于大型水轮发电机励磁系统灭磁时间的定义，通常应用较多的有以下三种(4)：（1）按发电机转子电流为零定义为灭磁时间。

这是现场技术人员常用的灭磁时间判断标准，简单实用。

（2）按转子电流下降到10%初始值定义为灭磁时间。

大中型水水轮发电机组的磁场断路器与非线性灭磁电阻灭磁綜述朱仲彦大中型同步水轮发电机组，特别是采用具有高顶值自励可控硅励磁系统，对灭磁及转子过电压保护的技术要求已提到了一定的高度。

用常规的磁场断路器及非线性电阻相结合的方式已不能满足同步发电机组正常可靠灭磁的要求。

我国水电机组在实际运行的过程中，由于灭磁失败，引起磁场断路器烧毁以及因灭磁不力而造成转子过压击穿励磁设备的事故屡见不鲜。

从1981年葛洲坝第一台机组发生灭磁事故以来，以大型水轮发电机组的灭磁及转子过电压保护作为攻关课题，我国的励磁工作者在长达20余年的时间中，在引进、消化、吸收国外的磁场断路器及SiC非线性电阻的基础上，不懈地进行了设计，开发，研制及制造工作，取得了不少宝贵的经验与成果，尤其在高能ZnO非线性电阻与高断口弧压磁场断路器的研发与试制，获取了重大的突破。

下面就大中型同步发电机的灭磁系统的设计，磁场断路器及非线性灭磁电阻的选型等技术进行分别阐述。

一．灭磁系统的设计优良的灭磁系统设计是可靠灭磁的基础，大中型同步发电机的灭磁系统，通常应满足以下基本的技术要求：1、灭磁容量必须满足各种运行状况下可靠灭磁的要求。

大中型机组的灭磁装置必须有足够大的灭磁容量，除了在正常及机端短路等强励状况下能可靠灭磁外，特别是对于具有高强励倍数的自励系统，还必须满足在空载误强励等极限状况下可靠灭磁的要求。

2、满足快速灭磁的要求，最大灭磁电压尽可能接近理想灭磁时间。

大型发电机组虽然采用了现代快速灵敏的继电保护装置，但这种保护装置的作用仅是当发电机出现故障时，能尽快地将机组解列，但即使机组已经解列，可故障电流依然存在，不论发电机的故障是一相短路还是部分绕组短路，在故障电流期间，损坏的程度是随绝缘燃烧和铜线熔化的时间而增加，所以只有在发电机解列的同时，采用快速灭磁才是限制故障电流和使绕组免于全部烧毁最充分有效的措施。

3、灭磁应更加彻底。

大型机组的出口母线电压很高，在这种高压机组中，哪怕只要有维持发电机母线电压10%的励磁残压，这种残压也足以维持故障处的电弧，为此大型机组的灭磁应更加彻底。

葛洲坝电厂灭磁开关简史（附大型灭磁开关结构评价）(2009-08-12 11:16:51) 标签：励磁灭磁开关单断口dm2灭弧罩分类：我爱励磁双断口葛洲坝电厂一、发电机灭磁系统简述同步发电机安全可靠的灭磁，是一个不仅关系到励磁系统本身安全，而且直接关系到整个电力系统安全运行的大问题。

发电机灭磁技术的演变，基本上沿着灭磁开关灭弧栅灭磁，线性电阻灭磁，非线性电阻灭磁发展，其间，逆变灭磁和交流灭磁，伴随着现代励磁的基础即三相全控桥整流电路的出现而发展。

在灭磁系统中，灭磁开关占据很重要的地位，其分类复杂。

按照灭磁开关是否参与吸收灭磁能量，分为耗能型（灭弧栅灭磁）和移能型（电阻灭磁）；按照灭磁开关的断口数量，分为多断口（正极断口、负极断口、常闭断口、主断口、弧断口）和单断口；按照灭弧栅片是金属还是非金属，分为短弧原理灭弧栅和长弧原理灭弧栅；按照灭磁开关安装位置，分为直流灭磁开关和交流灭磁开关。

一般来说，带常闭断口的开关是专门用于灭磁的开关；双断口灭磁开关，在停机后可以隔离发电机转子与励磁装置回路，有利于检修试验。

由于励磁装置灭磁设备主要考虑的是安全、快速的吸收转子能量，因而灭磁方式的分类主要是按吸收能量方式来划分的：正常停机灭磁：逆变灭磁，将灭磁能量反馈到发电机交流系统。

事故停机灭磁分两种：1、开关灭磁：短弧灭弧栅灭磁，耗能型灭磁；2、电阻灭磁：移能放电灭磁方式。

事故停机电阻灭磁分为两种：1、线性电阻灭磁：汽轮发电机主要灭磁方式；2、非线性电阻灭磁：水轮发电机主要灭磁方式。

事故停机非线性电阻灭磁分为两种：1、氧化锌电阻（ZnO）：国产设备多采用；2、碳化硅电阻（SiC）：进口设备多采用。

需要说明的是，移能放电灭磁系统中也有灭磁开关，但是其主要作用是切断励磁电流回路，即利用灭磁开关断开励磁绕组时产生的反电势，将励磁电流转移到灭磁电阻中，并通过灭磁电阻来吸收磁场能量。

因此，放电灭磁系统中的灭磁开关也称为磁场断路器。

发电机组的灭磁方法和作用发电机组的灭磁方法和作用逆变灭磁利用三相全控桥的逆变工作状态，控制角由小于90°的整流运行状态，突然后退到大于90°的某一适当角度，此时励磁电源改变极性，以反电势形式加于励磁绕组，使转子电流迅速衰减到零的灭磁过程称为逆变灭磁。

这种灭磁方式将转子储能迅速地反馈到三相全控桥的交流侧电源中去，不需放电电阻或灭弧栅，是一种简便实用的灭磁方法。

由于无触点、不燃弧、不产生大量热量，因而灭磁可靠。

反电势愈大，灭磁速度愈快。

三相全控桥逆变时产生的反电势与其交流侧电源电势成正比，因此反电势的数值受到一定限制，同时为防止“逆变颠覆”而设的最大控制max（或最小逆变角min）的限制，也在一定程度上降低了反电势。

所以，单独逆变灭磁，受交流电源电压的限制，逆变灭磁时，励磁电流虽直线下降，但逆变时所施加的反电势数值比灭弧栅灭磁方式要小，因此电流衰减率较小，灭磁时间相对较长，但过电压倍数也很低。

非线性电阻灭磁励磁系统正常停机，调节器自动逆变灭磁; 事故停机，跳灭磁开关将磁场能量转移到耗能电阻灭磁。

当发电机处于滑极等非正常运行状态时，将在转子回路中产生很高的感应电压，此时安装在转子回路中的转子过电压检测单元A61模块将检测到转子正向过电压信号，马上触发V62可控硅元件，将耗能电阻单元FR并入转子回路，通过耗能电阻的吸能作用，将产生的过电压能量消除；而转子回路的反向过电压信号则直接经过V61二极管接入耗能电阻吸能，以确保发电机转子始终不会出现开路，从而可靠地保护转子绝缘不会遭受破坏。

由于这种保护的存在，转子绕组会产生相反的磁场，抵消定子负序电流产生的反转磁场，以保护转子表面及转子护环不至于烧坏。

灭磁电阻的作用发电机的励磁绕组就是一个具有较大电感的线圈，在正常情况下，励磁电流在发电机转子上产生较强的磁场。

当发电机内部故障时，需要迅速切断励磁电流，除去发电机的磁场，以免事故扩大。

但是，用开关直接切断这种具有较大电感的电路中的电流是很困难的。

浅谈水轮发电机失磁保护卢明东摘要：本文介绍发电机失磁产生的原因，失磁对水轮发电机组的影响，以及一些通用的失磁保护判据，提出了以检测失磁水轮发电机组转子绕组感应过电压为保护判据的实现及整定方法。

关键词：水轮发电机，失磁，励磁系统，保护，整定。

Summarize the protection of loss excitation in hydropower generatorAbstract：The paper introduces the reason of loss excitation, its effect to hydropower generators, and the general principle of loss excitation protection. It gives the ideal of loss excitation protection of hydropower units by inspecting over-voltage of rotors, then the paper gives an example of how to set parameters.Key words：hydropower generator, loss excitation, excitation system, protection, parameter setting.0 引言同步发电机是根据电磁感应的原理工作的，发电机的转子电流（励磁电流）用于产生电磁场，正常发电运行工况下，转子电流必须维持在一定的水平上。

发电机失磁是指励磁系统提供的激磁电流突然全部消失或者部分消失。

水轮发电机一般不允许失磁运行，否则将危及机组和励磁系统的安全，因此失磁保护必须保证稳定可靠。

本文论述了一般保护的工作原理，并提出在励磁系统中实现失磁失步检测的保护方案。

1发电机失磁及其产生原因引起失磁的原因大致有：发电机转子绕组故障、励磁系统故障、自动灭磁开关误跳闸、励磁系统误操作等。

浅谈水轮发电机失磁保护摘要：积石峡水电厂安装3台单机容量34万千瓦水轮发电机组，总装机102万千瓦。

2016年12月06日1号水轮发电机组开机并网后发电机失磁保护动作，机组停机进一步查找故障点为1号机组转子励磁引下线绝缘老化受损，导致转子放电短路故障，短路电流达到8860A，超过发电机灭磁开关过流脱口动作定值，引起灭磁开关动作跳闸，造成发电机失磁保护动作机组停机。

在这里就发电机失磁产生的原因，失磁对发电机及电力系统的影响，以及一些通用的失磁保护判据，积石峡WFB-800A微机发电机失磁保护的判据、逻辑等进行浅谈。

一、同步发电机是根据电磁感应的原理工作的，发电机的转子电流（励磁电流）用于产生电磁场。

正常运行工况下，转子电流必须维持在一定的水平上。

发电机失磁是指励磁系统提供的励磁电流突然全部消失或者部分消失，同步发电机失磁后将转入异步发电机运行，从原来发出无功功率转变为吸收无功功率。

对于无功功率储备容量较小的电力系统，大型机组失磁故障首先反映为系统无功功率不足、电压下降，严重时将造成系统的电压崩溃，使一台发电机的失磁故障扩大为系统性事故。

在这种情况下，失磁保护必须采取快速可靠动作，将失磁机组从系统中断开，以保持系统的正常运行。

二、发电机失磁及其产生的原因对于并网运行的发电机组，当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减到零。

由于发电机的感应电势随着励磁电流的减小而减小；因此其电磁转距也将小于原动机的转距，因而引起转子加速，使发电机的功角增大。

当功角超过稳定极限角时，发电机将与系统失去同步，进入失步运行状态。

发电机失去励磁后将从并列运行的电力系统中吸收感性的无功功率供给励磁电流，在定子绕组中感应电势。

发电机失步后，转子回路将感应出频率为ff-fs（ff为发电机转速的频率，fs 为系统的频率）的电流，此电流产生异步制动转距。

引起发电机失磁的原因大致有：发电机转子绕组故障、励磁系统故障、自动灭磁开关误跳闸及回路发生故障等。

具有磁场电流动态转移特性的发电机灭磁方案黄大可邵显钧陈小明（葛洲坝水力发电厂443002 湖北宜昌市）摘要：针对目前我国水轮发电机组灭磁设备的现状，结合葛洲坝水力发电厂灭磁系统的运行经验和试验资料，按照水轮发电机可靠、快速的灭磁要求，我们提出了一种具有磁场电流动态转移特性的发电机灭磁方案。

关键词：灭磁方案ZnO非线性电阻转子过电压保护1.问题的提出我国目前部分大中型水轮发电机的灭磁系统，采用灭磁开关配合ZnO非线性电阻的灭磁方案，其原理图如图1所示。

SCR表示励磁整流柜，Ud是其输出的整流电压。

FMK是双断口灭磁开关。

Rf是ZnO非线性电阻器，D是二极管。

正常运行时，FMK合上，励磁电压U L正压，Rf上没有电流。

灭磁时，FMK跳闸并在其断口建立弧电压Uk。

根据灭磁时的电压关系：U L=Ud-Uk，当Uk>Ud 时U L开始负压，只有当Uf的负压大于ZnO电阻的转折电压，Rf动作，转子电流I L就不再流经SCR和FMK，而直接流经Rf。

开关断弧，转子电流经D和Rf 进行灭磁。

由于ZnO电阻的非线性特性好，使得灭磁电压基本恒定，If就能快速衰减，转子磁能在ZnO电阻上发热消耗，当I L=0时，发电机灭磁完成。

Uk1- Uk2 +图1 现行灭磁方案原理图Fig.1Principle diagram of now de-excitation system这种以FMK跳闸建立弧电压，并击穿Rf，以此将转子电流由FMK转移到Rf，最后由Rf来吸收转子磁能的灭磁方法，在国外也得到广泛的采用，但所用的器件和材料不同。

国外一般采用的Rf是SiC非线性电阻，且FMK都有一个常闭断口，用来代替上图中的D。

正常运行时，该常闭断口断开；跳闸灭磁时，该常闭断口先闭合后，FMK的主断口才跳开。

尽管这种FMK的结构复杂、体积庞大，但性能好、质量高。

再加上SiC电阻的非线性较差，设计的转折电压也低，更加有利于转子电流的转移，二者配合非常好，运行可靠。