摘 要：分析了发电机现有的灭磁与转子过电压保护装置存在的问题，提出在发电机原有励磁回路加装ZnO快速灭磁及过电压保护装置的改进措施。关键词：同步发电机；灭磁；转子过电压；高能氧化锌压敏电阻 我国目前在同步发电机上广泛使用的DM2型灭磁开关是50年代仿苏产品，该开关结构复杂，对维护要求较高，在切断小电流时灭弧性能相对较差。随着发电机容量的不断增大，对发电机灭磁与转子过电压保护装置提出了更高的要求，机组出厂时配置的灭磁与转子过电压保护装置已难以保证机组的安全运行。而目前各项新技术、新产品的发展、出现可以使我们对旧设备进行改造、更新以满足机组、电网的要求。
摘 要：分析了发电机现有的灭磁与转子过电压保护装置存在的问题，提出在发电机原有励磁回路加装ZnO快速灭磁及过电压保护装置的改进措施。
关键词：同步发电机；灭磁；转子过电压；高能氧化锌压敏电阻
我国目前在同步发电机上广泛使用的DM2型灭磁开关是50年代仿苏产品，该开关结构复杂，对维护要求较高，在切断小电流时灭弧性能相对较差。随着发电机容量的不断增大，对发电机灭磁与转子过电压保护装置提出了更高的要求，机组出厂时配置的灭磁与转子过电压保护装置已难以保证机组的安全运行。而目前各项新技术、新产品的发展、出现可以使我们对旧设备进行改造、更新以满足机组、电网的要求。
1 现有的灭磁与转子过电压保护装置存在的问题
现有的DM2灭磁开关由于灭磁能力有限，强励时灭磁时间长，灭磁时发电机转子回路承受电压过高，定子和转子的安全受到严重威胁。其主要问题如下：
a)切断小电流时灭磁性能差
DM2型灭磁开关分断时，灭弧栅间出现的电弧是依靠吹弧线圈中电流产生的串激横向磁场，将电弧吹到两侧的弧角上，并迅速沿弧角进入灭弧室而产生的。吹弧室的吹弧线圈磁场与流过吹弧线圈的电流成正比，即流过的电流越大则产生的吹弧力越强，反之则减弱。这就导致开关分断小电流负荷时，未必能可靠将电弧吹入灭弧栅进行灭磁，从而导致开关烧毁。云浮电厂投产初期两次DM2-2500型灭磁开关烧毁事故均是在切断小电流(发电机空载电流)时造成的。
b)现场维护检修要求太高难以实现
根据厂家技术说明书的要求以及DM2型灭磁开关的结构特点，当开关投入运行后，在额定负荷下两次、额定空载下五次或事故强励下一次分断后，都必须按灭磁开关各结构参数的要求进行一次检修和调整。在电厂实际运行条件下，这样的运行要求时常难以实现。当现场维护检修工作不能及时得以保证时，就可能导致灭磁开关事故的发生。
c)灭弧时可能产生断流现象
开关灭磁时电弧在灭弧栅片中受轴向磁场作用下不断旋转，其释放的热能为铜金属栅片所吸收，直到电弧熄灭，励磁电流下降到零值。DM2开关中为了防止励磁电流突然中断时产生过电压，在各组栅片间分段并联接入了限压电阻，以使较早熄弧的栅片两端仍可流过电流，防止电流突然中断时产生过电压。但现场使用过程中由于各元件特性的变化，使得开关极有可能在灭磁过程中由于断流而产生过电压，对发电机转子绝缘构成威胁。
d)转子过压保护部分不可靠
在发电机出厂时配置的与DM2型灭磁开关配套使用的发电机转子过压保护装置中，通常采用了限压二极管，此类限压二极管的离散性较大，整定值经历一段时间后会发生偏移，可能导致装置的误动。目前在新投运的大、中型机组中已不再采用限压二极管。
e)配备的线性电阻灭磁速度较慢
在采用耗能型的DM2灭磁开关的同时，还配备了线性电阻用于发电机灭磁。在灭磁开关分断时通过辅助触头将灭磁电阻并入发电机转子进行灭磁。线性电阻灭磁速度相对较慢。
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2 MB型同步发电机ZnO快速灭磁及转子过压保护装置的原理及作用
2.1 转子过电压保护
MB型同步发电机ZnO快速灭磁及转子过压保护装置以ZnO电阻作为主保护元件，过电压能量吸收元件直接并接在被保护设备两端，因此该装置具有良好的过电压保护性能，动作可靠，能容量大。正常工作时，功耗小，动作值稳定，可自动返回，可以单独作为发电机转子过电压保护使用，亦可和DM2灭磁开关配合起到快速灭磁的作用。其基本原理图及相应的电压—电流(U—I特性)图如图1、图2。
图1 转子过电压保护ZnO电阻接线图
FU—熔断器具；RV—氧化锌压敏电阻
图2 过电压保护装置伏—安特性
由图2的U—I特性曲线可见，电阻在截止区呈现很小的漏电流，进入导通区后，随电压的上升，电流迅速呈指数增加，具有很显著的非线性特性，当电流从10-2增加到104时，电压只增加一倍，可见电压的恒稳定性很好。此外从图1的原理接线图可知，ZnO电阻先串联为一组，然后多组并联，并在每个串联支路中串一个保护熔断器，避免发生短路现象，熔丝的通流量可根据用户需要进行选择。另外还有一组ZnO电阻RV(导通电压较其他组高)不加熔断器，这样就可以保证整个装置无开路现象。
2.2 灭磁开关保护
采用熔丝熔断器和熔丝起动器作为灭磁开关保护的主要元件，其原理如图3所示。
图3 熔丝断路器接线原理图
GE—励磁机；Q—发电机灭磁开关；LQ—发电机励磁绕组；
FU—熔断器；G—发电机；FR—ZnO元件；RQ—熔丝起动器
从原理图看，熔丝起动器RQ设计简单可靠，它是由可控硅组成的触发器，取电压信号对可控硅进行触发，在灭磁开关切断负荷拉弧瞬间，只要能建立70 V左右的电压即可使熔丝起动器可靠导通，把电流换到熔丝回路，由熔丝的熔断来开断励磁电流。该装置中的熔断器开断可靠，从最小电流到最大电流范围内都可以开断，开断时电弧封闭在灌满石英砂的环氧玻璃钢筒内，非常的安全。
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2.3 快速灭磁
该装置选用高能ZnO电阻作为灭磁能量的吸收元件，其主要的技术参数如表1。
表1 ZnO电阻的主要技术参数 %
技术参数 数值
能量密度/J.cm-3 700
通流量/A.cm-2 1 500
脉冲响应时间/ns ≈50
从以上数据可以看出，ZnO电阻的能容量大，通流性能好，可以起到快速灭磁的作用。
综上所述，MB型同步发电机ZnO快速灭磁及转子过压保护装置的主要特点是在原DM2灭磁开关两端并接一特制的换流熔丝，开关分断后建立低弧压使励磁电流转入熔丝中，熔丝熔断产生预定高压，使ZnO击穿，磁场能量转入ZnO压敏电阻中衰耗，实现快速灭磁。这样开关负担大为减轻，维护量大大减小，确保开关安全。此外ZnO压敏电阻能容量大，漏电流小、性能稳定，使用寿命长，除灭磁吸能外，还能瞬时吸收过电压，确保发电机转子回路设备的安全。
3 有关技术数据的估算
以QFS-125-2汽轮发电机为例，对有关ZnO电阻元件的过电压限制值及灭磁能量进行估算。
3.1 限制过电压的估算
ZnO电阻元件的伏安特性表达式为：
U=K.Iα，
式中 U——非线性电阻两端的电压；
I ——通过非线性电阻的电流；
K——灭磁常数；
α ——非线性电阻系数。
发电机转子回路过电压保护动作值通常定为发电机额定励磁电压的4～5倍，对125 MW机组即为1 400～1 600 V，而灭磁残压整定约1 600～2 100 V。根据以上数据，厂家对ZnO压敏电阻阀片进行生产、筛选、组合以满足要求。
3.2 灭磁能量的估算
以QFS-125-2双水内冷发电机在各种工况下发电机转子绕组的总能量为例，进行估算，其中发电机转子绕组电阻参照厂家出厂铭牌并进行不同温度下的换算所得。Tdu′则表示固有的灭磁时间常数，If为励磁电流。
4 灭磁保护加装MB型同步发电机ZnO快速灭磁及转子过电压保护装置的可行性分析
从以上的分析可以看到，MB型同步发电机ZnO快速灭磁及转子过电压保护装置与DM2灭磁开关配套使用改善了DM2开关的运行可靠性，确保了机组的安全运行，明显地弥补了DM2开关的不足之处。
a)发电机运行可不受DM2开关小电流灭磁的限制，若其他条件允许，发电机可放心地进行低励磁或进相运行。
b)各种灭弧工况下均可大大减轻DM2开关的负担，保护其不受电弧烧伤，延长了开关的使用寿命，减小了开关维护量。
c)不管正、反方向的过电压，ZnO压敏电阻元件RN都能完全可靠动作，起限压作用，达到发电机转子过电压保护的目的。
d)该装置从原理上放弃了传统的直流机械开关弧流遮断原理，通过人工强迫电流过零技术，将交流遮断原理引入直流回路中。它开断电流范围大 ，最大开断电流可根据发电机的要求灵活选定，完全能够适应发电机容量不断增大的要求。
e)利用熔丝熔断过程中形成较高电压，提供导通非线性电阻所需的电压，使转子能量转移至ZnO压敏电阻。
f)大、中型发电机采用高能氧化锌非线性电阻灭磁，性能稳定可靠，能有效地吸收各种工况下转子绕组能量，能有效地实现理想快速灭磁。灭磁用的非线性电阻可以兼作过电压保护。
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5 结论
根据以上分析，在发电机原有励磁回路加装ZnO快速灭磁及过电压保护装置对提高发电机运行安全可靠性有一定的帮助。目前国内有数家厂家生产ZnO快速灭磁及过电压保护装置，应根据机组具体情况和要求进行选择。
作者单位：云浮发电厂，广东 云浮 527328
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看不懂啊。。。深。。
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