孟利軍，李自淳，宣自平，朱 敏，萬 力，鄭 玉，徐 睿

(1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司控制設(shè)備事業(yè)部，黑龍江 哈爾濱 150040;2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所科聚公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

關(guān)于同步發(fā)電機(jī)交流側(cè)滅磁與直流側(cè)滅磁的探討已經(jīng)很多。其基本內(nèi)容如下:

(1)為了盡量減小故障的損失，當(dāng)發(fā)電機(jī)及其直聯(lián)主變內(nèi)部或相關(guān)部分發(fā)生故障時(shí)，在繼電保護(hù)動(dòng)作切斷電網(wǎng)主電源的同時(shí)，還要求盡快熄滅發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場，以盡快降低發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢，熄滅故障電流。這就是快速滅磁保護(hù)。

(2)為了實(shí)現(xiàn)快速滅磁，目前國內(nèi)外廣泛采用磁場斷路器移能滅磁。其作用一是迅速切斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組與勵(lì)磁電源的通路;二是將發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流迅速轉(zhuǎn)移到滅磁電阻中衰耗，磁場能量由滅磁電阻吸收。

(3)過去和目前磁場斷路器大都串聯(lián)在勵(lì)磁直流回路中，以下稱直流側(cè)滅磁方式，如圖1所示。

(4)交流開關(guān)應(yīng)用面廣，產(chǎn)品種類繁多，工藝成熟，性能穩(wěn)定，銷量大，價(jià)格低。近年來發(fā)電機(jī)廣泛采用交流整流靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，為交流滅磁創(chuàng)造了條件。如用交流開關(guān)在整流勵(lì)磁電源交流側(cè)開斷，如圖2所示，同樣能達(dá)到快速滅磁的效果，稱之交流側(cè)滅磁方式。

(5)保證磁場斷路器正確換流的必要條件是，磁場斷路器保證能達(dá)到的最大開斷弧壓(遮斷電壓)必須大于電源電壓最大(強(qiáng)勵(lì)時(shí))峰值與滅磁電阻兩端最大壓降(最大滅磁電流通過時(shí))之和。

(6)由于磁場斷路器的性能所限，其最大開斷弧壓往往難以滿足上述條件，所以必須加輔助措施。其中最常用的就是“切脈沖”，即在磁場斷路器開斷前切除勵(lì)磁功率整流器內(nèi)晶閘管元件的觸發(fā)脈沖。這樣勵(lì)磁電壓從直流鋸齒波變成交流正弦波，在負(fù)半周時(shí)容易滿足換流條件而完成移能快速滅磁。

一般的勵(lì)磁系統(tǒng)不設(shè)“切脈沖”環(huán)節(jié)。但目前廣泛應(yīng)用“逆變”環(huán)節(jié)，即在啟動(dòng)快速滅磁時(shí)，首先啟動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器“逆變”，隨后跳磁場斷路器。筆者就想探討“逆變”對交流側(cè)滅磁與直流側(cè)滅磁的影響。

1 “逆變”對交流側(cè)滅磁的影響

1.1 “逆變”產(chǎn)生的反壓峰值大于滅磁電阻全部導(dǎo)通的殘壓

有的電廠(如三峽左岸電站)勵(lì)磁整流陽極電壓特別高，“逆變”產(chǎn)生的反壓峰值大于滅磁電阻全部導(dǎo)通(即可以通過全部勵(lì)磁電流)的殘壓。這樣單靠逆變就可以把全部勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)入滅磁電阻來完成換流，隨后磁場斷路器無電流開斷。這時(shí)對磁場斷路器的開斷能力及弧壓無任何要求。

1.2 “逆變”產(chǎn)生的反壓峰值小于滅磁電阻全部導(dǎo)通的殘壓

圖3 MK斷口電流波形圖

這時(shí)滅磁電阻不能全部導(dǎo)通，勵(lì)磁電流不能全部轉(zhuǎn)入滅磁電阻，磁場斷路器MK和功率整流器內(nèi)還有電流。流過MK三相斷口的電流波形如圖3。任何瞬間只有二相通流，另一相電流為零。假定在t1瞬間MK開斷，此時(shí)晶閘管KA+及KC－導(dǎo)通，其余均截止(見圖2)。但晶閘管的觸發(fā)脈沖仍正常發(fā)送，6只管子的觸發(fā)脈沖按如下順序不斷輪流施加于各晶閘管:+A，－C，+B，－A，+C，－B。現(xiàn)在KA+及KC－2管已經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通。由于有電感LQ的續(xù)流作用，KA+及KC－的陽極電流大于維持電流，不能截止，開關(guān)斷口MKA及MKC不能熄弧。B相此時(shí)無電流，故MKB輕松開斷。接下來KB+被觸發(fā)，但此時(shí)B相陽極電源已開斷，故KB+不能導(dǎo)通，電流仍經(jīng)KA+及KC－流通;再過3.33 ms KA－被觸發(fā)，這時(shí)KA－的陽極電壓已轉(zhuǎn)為正向，故KA－立即導(dǎo)通，KC－截止;IL經(jīng)KA－及KA+短路續(xù)流，MKA及MKC熄弧開斷，見圖4。這時(shí)勵(lì)磁電流經(jīng)2只晶閘管正向?qū)ɡm(xù)流自然衰減。因晶閘管的正向?qū)▔航岛艿?約幾伏)，故滅磁時(shí)間很長，起不到快速滅磁的保護(hù)作用，但一般不會(huì)損壞設(shè)備。

圖4 同相正負(fù)橋臂晶閘管導(dǎo)通續(xù)流滅磁等值電路

2 “逆變”對直流側(cè)滅磁的影響

2.1 “逆變”產(chǎn)生的反壓峰值大于滅磁電阻全部導(dǎo)通的殘壓

這時(shí)和上述1.1節(jié)相同，單靠逆變就可以把全部勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)入滅磁電阻，完成換流，隨后磁場斷路器無電流開斷。這時(shí)對磁場斷路器的開斷能力及弧壓無任何要求。

2.2 “逆變”產(chǎn)生的反壓峰值小于滅磁電阻全部導(dǎo)通的殘壓

這時(shí)滅磁電阻不能全部導(dǎo)通，勵(lì)磁電流不能全部轉(zhuǎn)入滅磁電阻，磁場斷路器MK和功率整流器內(nèi)還有電流。但“逆變”和“切脈沖”一樣也能產(chǎn)生反向電壓，該電壓和磁場斷路器的開斷弧壓同向疊加，幫助換流，降低對磁場斷路器弧壓的要求。在磁場斷路器弧壓相同時(shí)，可以縮短換流時(shí)間，減少斷路器弧室和觸頭的燒損。這一點(diǎn)和“切脈沖”有共同之處，但如逆變時(shí)控制角α＜150°，反壓峰值就達(dá)不到陽極電壓的峰值，效果不如“切脈沖”。

3 模擬驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過1∶1模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證上述理論分析的正確性。

3.2 試驗(yàn)原理接線圖

試驗(yàn)接線見圖5和圖6。

3.3 試驗(yàn)參數(shù)

額定電流滅磁試驗(yàn):IL≤500 A，UL≤250 V，L=0.3 H，R1=0.5 Ω;

強(qiáng)勵(lì)電流滅磁試驗(yàn):IL≤1000 A，UL≤500 V，L=0.3 H，R1=0.5 Ω。

3.4 錄波量

UL，UZ，UK，Uab，Ubc，Uca，UKA，UKB，UKC，UL，URV，UK，UKA，UKB，UKC，共15個(gè)量。

15個(gè)錄波量的檢測位置和正負(fù)極性見圖5和圖6，錄波量的定義見表1。

表1 錄波量定義表

(續(xù)表1)

以上各量不同時(shí)錄取。交流側(cè)滅磁和直流側(cè)滅磁分別錄取不同量(見圖5和圖6)，交流側(cè)滅磁12個(gè)量，直流側(cè)滅磁5個(gè)量。

3.5 滅磁電阻

滅磁電阻RV采用SiC非線性電阻，其組件型號(hào)為600A－US14－7P－2S(三峽 ABB機(jī)組用)。

600A－US14－7P－2S滅磁電阻單片參數(shù):外徑Φ1=152 mm，內(nèi)徑 Φ2=26 mm，厚度 δ=20 mm。額定容量75 KJ，溫升105 K;一次性最大容量90 KJ，溫升130 K(環(huán)境溫度均為25℃)。最大脈沖電流250 A。

3.6 滅磁開關(guān)

交流側(cè)滅磁模擬試驗(yàn)，采用直流側(cè)滅磁開關(guān)MK常開主觸頭短接，常閉放電觸頭投滅磁電阻，真空開關(guān)QF分?jǐn)嚓枠O回路。分?jǐn)鄷r(shí)先跳MK開關(guān)，MK的常閉輔助接點(diǎn)接通QF的跳閘回路，故QF比MK延遲約40 ms跳閘。直流滅磁開關(guān)MK型號(hào)DMX2－1600－2/1。真空開關(guān) QF型號(hào) ZN63A(VS1)－12/630－20。

直流側(cè)滅磁模擬試驗(yàn)，用MK開關(guān)分?jǐn)鄤?lì)磁回路，其常閉放電觸頭投滅磁電阻。分閘時(shí)該觸頭比常開主觸頭分?jǐn)嗵崆?～4 ms閉合。MK型號(hào)DMX2－1600－2/1。

3.7 試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果分析

因?yàn)楸驹囼?yàn)?zāi)康牟豢己四芰?，而研究滅磁工作過程。為了避免在試驗(yàn)中意外損壞設(shè)備或試品，采用較小的負(fù)載電感L=0.3 H(空氣芯)，及較大的負(fù)載電阻 R1=0.5 Ω。

3.7.1 “逆變”產(chǎn)生的反壓峰值大于滅磁電阻全部導(dǎo)通的殘壓

3.7.1.1 交流側(cè)滅磁

試驗(yàn)回路用圖5，合MK和QF，調(diào)節(jié)IL≈450 A，先實(shí)施勵(lì)磁整流器晶閘管的逆變，然后跳MK和QF。錄波圖見圖7(a)和(b)，各錄波量及關(guān)鍵時(shí)刻均標(biāo)注在圖上。

時(shí)刻t1前為正常勵(lì)磁。t1開始實(shí)施逆變，勵(lì)磁電壓 UL反向，而且平均值恒定(因?yàn)閯?lì)磁電源他勵(lì)，取自電網(wǎng)恒定電壓)。本次試驗(yàn)?zāi)孀冸妷浩骄?值 ULav=1.35 Uabcosα =1.35 ×857 ×cos150°=1002 V，逆變電壓峰值，與圖7a標(biāo)示相符。故此勵(lì)磁電流 IL及 IKA、IKB、IUKC均線性下降。經(jīng)過約40 ms，到t2時(shí)刻MK開關(guān)常閉放電觸頭接通，而且此時(shí)轉(zhuǎn)子電壓 UL已經(jīng)高于RV的殘壓，故轉(zhuǎn)子電流 IL立即全部轉(zhuǎn)入RV內(nèi)流通，開關(guān)電流IKA、IKB、IKC均降到零。但此時(shí)QF的主觸頭尚未斷開，靠逆變反壓換流不徹底(反壓不夠高且大小波動(dòng))，故QF多次無弧重燃，經(jīng)過二十多毫秒，到t3才基本斷流。由于操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械延時(shí)，t2時(shí)刻后再經(jīng)過約40 ms，到t4時(shí)刻QF的主觸頭才斷開，此時(shí)斷口電流已降到零，開關(guān)無電弧開斷，斷口電壓 UKA、UKB、UKC分壓上升。勵(lì)磁電流最后在RV內(nèi)流通衰減，到t5時(shí)刻衰減到零。QF在整個(gè)開斷過程中沒有燃弧。

3.7.1.2 直流側(cè)滅磁

試驗(yàn)回路用圖6，合MK，調(diào)節(jié) IK≈600 A，先逆變后跳MK，錄波圖見圖8，各錄波量及關(guān)鍵時(shí)刻均標(biāo)注在圖上。

時(shí)刻t1前為正常勵(lì)磁。t1時(shí)刻逆變，轉(zhuǎn)子電流IL下降。到t2時(shí)刻MK開關(guān)常閉放電觸頭接通，轉(zhuǎn)子電流IL立即轉(zhuǎn)入RV內(nèi)流通，開關(guān)電流IK下降到接近零。但此時(shí)MK的主觸頭尚未斷開，靠逆變反壓換流不徹底(反壓不夠高且大小波動(dòng))，故MK多次無弧重燃，滅磁電阻RV部分換流耗能。t3時(shí)刻MK常開觸頭斷開，t4時(shí)刻換流成功，MK熄弧。t5時(shí)刻滅磁結(jié)束。t4后因MK熄弧，控制角α又在逆變區(qū)，使整流橋晶閘管全部截止，隔離了陽極電壓，故UZ=0。

圖8 直流側(cè)滅磁逆變試驗(yàn)錄波圖

3.7.2 “逆變”產(chǎn)生的反壓峰值小于滅磁電阻全部導(dǎo)通的殘壓

3.7.2.1 交流側(cè)滅磁

試驗(yàn)同 3.7.1.1，但電流增大到 IL≈1040 A，錄波圖見圖9(a)，(b)，(c)。各錄波量及關(guān)鍵時(shí)刻均標(biāo)注在相應(yīng)的圖上。

時(shí)刻t1以前為正常勵(lì)磁。t1時(shí)刻開始逆變，UL電壓反向，IL開始下降。ta時(shí)刻由于試驗(yàn)設(shè)備(晶閘管整流器)的觸發(fā)脈沖在逆變時(shí)移相過快，造成短時(shí)觸發(fā)脈沖紊亂，使A相正負(fù)極橋臂晶閘管同時(shí)導(dǎo)通續(xù)流，UL降到近于零(2只晶閘管的導(dǎo)通壓降，僅幾伏)。IL自然衰減。但到 tb時(shí)刻又恢復(fù)正常逆變，以后都正常。

ta～tb時(shí)段整流裝置工作不正常，其詳細(xì)工況已經(jīng)研究清楚。但這一段的工況與本試驗(yàn)無關(guān)，也不影響試驗(yàn)的結(jié)果。由于重新調(diào)整試驗(yàn)設(shè)備會(huì)耽誤很多時(shí)間，而且也不太必要，故決定保留本次試驗(yàn)結(jié)果，不再重做相同的試驗(yàn)。ta～tb時(shí)刻的工況分析與本試驗(yàn)無關(guān)，故不在此贅述。著重分析后面的滅磁工況。

t2時(shí)刻MK常閉觸頭接通，IRV開始出現(xiàn)，并根據(jù)RV的伏安特性隨其兩端電壓UL的變化作相應(yīng)變化。從圖9b上看到，由于 IRV的分流，從t2開始，交流開關(guān)的三相電流 IKA、IKB和 IKC均有相應(yīng)下降。但由于IL較大，UL產(chǎn)生的 IRV不夠大(相當(dāng)電廠事故中陽極電壓 Ua降低)，故 IKA、IKB和 IKC降不到零，不能完成徹底換流。

到t3時(shí)刻交流開關(guān)QF三相斷口同時(shí)分?jǐn)啵?A、－B兩相續(xù)流。經(jīng)過3.33 ～6.66 ms，到t4時(shí)刻整流橋同相正負(fù)橋臂晶閘管導(dǎo)通續(xù)流，UL和IRV下降到近于零，IKA=IKB=IKC=0，QF斷口熄弧。t4后發(fā)電機(jī)“續(xù)流”滅磁，IL按電感回路自身時(shí)間常數(shù)自然衰減，緩慢下降。這個(gè)過程類似圖4。

3.7.2.2 直流側(cè)滅磁

同3.7.1.2，但調(diào)節(jié) IK≈800 A，先逆變后跳 MK，錄波圖見圖10，各錄波量及關(guān)鍵時(shí)刻均標(biāo)注在圖上。

各關(guān)鍵時(shí)刻同圖8，相關(guān)說明同3.7.1.2。因電流大，換流困難，開關(guān)燃弧時(shí)間t3～t4從16 ms增加到26 ms。

圖10 直流側(cè)強(qiáng)勵(lì)滅磁逆變試驗(yàn)錄波圖

4 結(jié)語

4.1 逆變的作用在直流側(cè)滅磁可以和“切脈沖”等效，“逆變”和“切脈沖”一樣也能產(chǎn)生反向電壓，該電壓和磁場斷路器的開斷弧壓同向疊加，幫助換流，降低對磁場斷路器弧壓的要求;在磁場斷路器弧壓相同時(shí)，可以縮短換流時(shí)間，減少斷路器弧室和觸頭的燒損。但如逆變時(shí)控制角α＜150°，反壓峰值就達(dá)不到陽極電壓的峰值，效果不如“切脈沖”。在磁場斷路器分?jǐn)嗲?，逆變造成單向反壓，使?lì)磁電流下降;切脈沖造成正負(fù)交變電壓，使勵(lì)磁電流波動(dòng)，平均值不變，在這一點(diǎn)上逆變更有利于換流成功。

4.2 逆變在交流側(cè)滅磁一般不能和“切脈沖”等效，會(huì)在交流側(cè)滅磁開關(guān)斷口斷開后 3.33～6.66 ms形成整流橋同相正負(fù)橋臂晶閘管同時(shí)導(dǎo)通續(xù)流，使快速滅磁失敗。

4.3 如果勵(lì)磁整流陽極電壓特別高(如三峽左岸電站)，單靠“逆變”產(chǎn)生的反壓就能使滅磁電阻全部導(dǎo)通，完成徹底換流，滅磁開關(guān)無電流開斷。這時(shí)對交直流側(cè)滅磁開關(guān)的開斷能力及弧壓無任何要求，為一種特例。

4.4 逆變幫助滅磁開關(guān)換流的作用，依賴于勵(lì)磁整流電源的交流陽極電壓。此電壓越高，則幫助作用越明顯;如在故障狀態(tài)或設(shè)計(jì)取值不同，使陽極電壓相對較低，則幫助作用就小。