CN102684156A - 大型发电机转子灭磁及过压保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明为大型发电机转子灭磁及过压保护装置，是一种用于大型发电机励磁系统中的灭磁及过压保护装置的新的方案，本发明根据大型发电机组转子电压高、灭磁能容量大的特点，结合国外广泛应用的碳化硅（SiC）非线性电阻和国内广泛应用的氧化锌（ZnO）非线性电阻7的各自特性，创新地把两种非线性电阻同时应用到一个系统中,分别用于灭磁和正向过压保护，替代了传统灭磁及过压保护装置只选用一种电阻为灭磁和过压保护所共用形式，该新型灭磁及过压保护装置，既具有碳化硅电阻在灭磁时安全可靠、快速稳定的特点，又具有氧化锌电阻7在过压保护动作后可快速自动关断的特点，从而解决了大型发电机转子过压保护动作后必须停机的问题。

Description

大型发电机转子灭磁及过压保护装置

技术领域

本发明涉及一种大型发电机转子灭磁及过压保护装置。

背景技术

目前大型发电机组的容量不断增加，转子励磁电流也越来越大，转子绕组所储存的磁场能量也随之增大，因此发电机转子灭磁及过压保护装置的性能和可靠性已对大型发电机组的安全稳定运行起着决定性作用，目前常规发电机转子灭磁及过压保护装置的核心部件灭磁电阻都选用线性电阻或非线性电阻，此电阻为转子灭磁过程及过电压保护过程所共用，线性灭磁电阻稳定可靠造价低，但灭磁时间长，不利于事故停机时迅速灭磁，非线性灭磁电阻可以大幅缩短灭磁时间，一般选用氧化锌（ZnO）或碳化硅（SiC）材质非线性电阻，氧化锌电阻具有开关特性，漏电流小，可直接并联于转子绕组两端，采用氧化锌电阻的灭磁及过压保护装置，灭磁迅速有效，在过电压消失后电压低于阀值时回路可自关断，但氧化锌电阻的特性随时间的延长变化很大，其损坏后为短路状态也对发电机的安全运行造成了威胁，而且随着发电机容量的增大已经很难选到与之相配的高电压阀值的氧化锌电阻，碳化硅电阻的伏安特性介于线性电阻和氧化锌电阻之间，其灭磁时间也在二者之间，具备二者的长处，特性稳定，碳化硅电阻无明显阀值电压，大型机组越来越多地选碳化硅灭磁电阻，但碳化硅电阻的漏电流较大，用作过压保护的电阻时，在正向过电压消失后回路无法实现自关断，发电机只能停机，这是国内发电厂用户所无法接受的。

这样在现有国内外普遍采用的发电机灭磁和过压保护装置中，其灭磁电阻的选择就面临着既要快速灭磁、保证过压恢复后回路能自关断，同时又需要灭磁电阻特性稳定可靠，能保证发电机安全运行的矛盾。

发明内容

本发明的目的是实现既能迅速灭磁，又能保证稳定可靠，同时可实现正向过电压动作后不停机的大型发电机转子灭磁及过压保护装置。本发明的技术方案为：励磁系统可控硅整流桥输出直流的正极接灭磁开关，灭磁开关选用直流单断口开关HPB45，灭磁开关断口的另一端接发电机转子绕组的正极，发电机转子绕组负极接到可控硅整流桥的负极，在发电机转子绕组正负极并联以碳化硅（SiC）非线性电阻为主的灭磁及反向过压保护回路和以氧化锌（ZnO）非线性电阻为主的正向过压保护回路，灭磁及反向过压保护回路的结构为，反向跨接器（CROWBAR）的一端接转子绕组的正极，另一端接碳化硅非线性电阻，电阻另一端经过导通检测器接到转子绕组的负极；正向过压保护回路的结构为，正向跨接器（CROWBAR）的一端接发电机转子绕组的正极，另一端接氧化锌（ZnO）非线性电阻，电阻另一端经过导通检测器接到转子绕组的负极，反向跨接器的控制电路由开关的状态控制并联在反向可控硅两端并输出控制脉冲给可控硅，可控硅的阴极接到转子绕组的正极，阳极接到碳化硅电阻；正向跨接器的控制电路并联在正向可控硅两端输出控制脉冲给可控硅，可控硅的阳极接转子绕组正极，阴极接氧化锌电阻。

结合不同灭磁电阻的特点，本发明选取碳化硅电阻用作灭磁及反向过压保护用泄流电阻，选取氧化锌电阻用作正向过压保护用泄流电阻，创造性地选用两组不同材质的非线性电阻，组合在一起共同完成发电机灭磁及过压保护功能，这就是本发明的核心设计思想。

在发电机紧急停机时，灭磁开关跳开，转子绕组等效为大电感，在发电机正常运行时，转子绕组中通直流励磁电流，电流方向向下，电压为上正下负，当灭磁开关跳开后，三相全控桥整流电源与转子绕组已不构成回路，但转子绕组的电感特性试图维持电流恒定不变，这样转子绕组上的电压极性发生变化，变为下正上负，此时必须要存在一个电气回路为电感中的电流进行续流，否则在转子绕组上会形成很高的反向电压与整流桥的电压叠加后将在灭磁开关的断口处燃弧烧毁灭磁开关，在本发明中灭磁开关在断开同时发信号给反向跨接器的控制电路，由控制电路产生控制脉冲使反向可控硅导通，从而接入碳化硅非线性电阻，这里由可控硅和碳化硅电阻构成了灭磁时转子绕组的续流回路，电阻为灭磁电阻，选用碳化硅（SiC）材质，可以做到快速灭磁又稳定可靠。

当发电机在运行时由于异常工况而产生转子反向过电压时，或灭磁开关的断开信号没有正确传递到控制电路而导致转子绕组产生反向高压时，可由控制电路进行电压检测，如果电压高于过压设定值，控制电路将发出控制脉冲使可控硅导通接入碳化硅电阻泄流，从而限制过电压幅值，如果灭磁开关跳开引起的反向过压是灭磁过程，灭磁结束后回路中电流为零，可控硅截止，系统按要求停机，如果是发电机运行中的反向过压，在过压消失后，将由整流电源恢复系统的正向电压，此时可控硅则由于电压反向而截止，系统恢复正常运行，灭磁回路和反向过压保护回路，共用碳化硅电阻。

当发电机在运行时发生转子正向过电压，则由控制电路进行检测，如电压超过过压设定值，控制电路会发出控制脉冲导通正向可控硅，接入氧化锌电阻泄流从而限制过电压幅值，保护发电机转子，电阻选用氧化锌（ZnO）材质，这样在过电压消失后，正向电压低于氧化锌非线性电阻的阀值时在电阻上通过的漏电流很小，在低于可控硅的维持电流时，可控硅将关断，切除回路，从而使系统恢复正常运行，避免了由于过压保护引起的停机，此回路是由正向可控硅和氧化锌非线性电阻串联组成，由可控硅实现开关功能，由氧化锌电阻实现限压功能，这样可以避免日常运行时氧化锌电阻上长期加电压造成的特性变化，也能避免氧化锌电阻直接跨接于转子绕组两端而产生的安全运行隐患。

本发明创新地把两种非线性电阻同时应用到一个系统中，成功解决了灭磁及过压保护装置中电阻选择的难题，避免了目前大型机组普遍存在的正向过压保护动作后必须停机困扰，适应了国内电厂的普遍要求，由于正向过压保护电阻所需的能容量很小，虽然本发明使用两组非线性电阻替代常规灭磁及过压保护装置的一组电阻，但实际的成本增加并不明显。

附图说明

图1为本发明电路原理图

具体实施方式

如图1所示的本发明为一种大型发电机转子灭磁及过压保护装置，励磁系统可控硅整流桥10输出直流的正极接灭磁开关1，灭磁开关1选用直流单断口开关HPB45，灭磁开关1断口的另一端接发电机转子绕组6的正极，发电机转子绕组负极接到可控硅整流桥10的负极，在发电机转子绕组正负极并联以碳化硅非线性电阻9为主的灭磁及反向过压保护回路和以氧化锌非线性电阻7为主的正向过压保护回路，灭磁及反向过压保护回路的结构为，反向跨接器的一端接转子绕组6的正极，另一端接碳化硅非线性电阻9，电阻9另一端经过导通检测器8接到转子绕组6的负极；正向过压保护回路的结构为，正向跨接器的一端接发电机转子绕组6的正极，另一端接氧化锌非线性电阻7，电阻7另一端经过导通检测器8接到转子绕组6的负极，反向跨接器的控制电路2由开关1的状态控制并联在反向可控硅3两端并输出控制脉冲给可控硅3，可控硅3的阴极接到转子绕组6的正极，阳极接到碳化硅电阻9；正向跨接器的控制电路5并联在正向可控硅4两端输出控制脉冲给可控硅4，可控硅4的阳极接转子绕组正极，阴极接氧化锌电阻7。

发电机组正常运行时灭磁开关1闭合，由整流桥10把交流输入电源整流成直流后为发电机转子绕组6提供励磁电源，当发电机紧急停机时灭磁开关1分断同时发信号给控制电路2，由控制电路2发控制脉冲使可控硅3导通接入碳化硅电阻9进行灭磁，当转子绕组6中储存的电磁能量全部转化为在碳化硅电阻9上产生的热量后，灭磁过程结束，碳化硅电阻9的能容量选择要考虑发电机在各种工况时转子绕组6的最大储能，如果灭磁开关1的分断信号无法准确传递到控制电路2，那么在灭磁开关1分断后会在转子绕组6的两端形成很高的反向电压，当控制电路2检测到这个反向电压高于其内部设定值后，也会发出控制脉冲使可控硅3导通接入碳化硅电阻9，从而进入灭磁过程。

当发电机正常运行时，如果由于特殊原因产生反向过电压（一般时间都很短），则控制电路2检测到电压高于设定值就会发出脉冲使可控硅3导通接入碳化硅电阻9，利用其非线性的伏安特性进行泄流，限制过电压幅值从而保护转子绕组的绝缘，当过电压消失后，由整流桥10提供电源使系统恢复正向电压，这将使可控硅3关断切除碳化硅电阻9，系统恢复正常工作，控制电路2中设定值的确定要高于整流桥10的交流侧峰值电压，同时要低于转子绕组最高耐压值的60%。

在发电机正常运行时，如果出现正向过电压（一般时间很短，能量较小），则由控制电路5检测到电压高于设定值就会发出脉冲使可控硅4导通接入氧化锌电阻7，利用其非线性的伏安特性进行泄流，限制过电压幅值从而保护转子绕组的绝缘，当过电压消失后，利用电阻7氧化锌材质的开关特性，当电压低于电阻7的阀值，电阻7的电阻值变得非常大，使流经此回路的电流值非常小，电流小于可控硅4的维持电流后可控硅4将关断切除此回路，从而恢复系统正常运行，解决了正向过压保护动作后发电机必须停机的问题，避免了经济损失，控制电路5中过压定值的确定要高于整流桥10交流侧电压峰值的1.5倍，并低于转子绕组最高耐压值的60%，一般取4~6倍额定转子电压，氧化锌电阻7的电压阀值应高于整流桥10交流侧电压峰值，并低于控制电路5的设定值。

本发明灭磁和反向过压保护共用一组碳化硅非线性电阻9，正向过压保护独立使用一组氧化锌非线性电阻7，导通检测器8分别检测两个支路是否导通，并把信号反馈给控制系统，从而使控制系统能监视并判断灭磁及过压保护装置的工作是否正常。

本发明大型发电机的新型转子灭磁及过压保护装置与目前现有的其它发电机转子灭磁及过压保护装置，都是用于发电机在跳灭磁开关停机时进行转子能量释放和抑制转子过电压保护转子绝缘，原理都是通过线性或非线性电阻对转子回路进行续流或泄流，从而达到灭磁或限压的目的。

根据大型发电机组转子电压高、灭磁能容量大的特点，结合碳化硅非线性电阻和氧化锌非线性电阻的各自特性，选取两组不同材质的非线性电阻同时应用到一个系统中，替代了传统方案只选用一组电阻为灭磁和过压保护所共用形式。大型发电机的新型转子灭磁及过压保护装置中，碳化硅非线性电阻用于转子灭磁和反向过电压保护，氧化锌非线性电阻用于转子正向过电压保护。

Claims (3)

1.一种大型发电机转子灭磁及过压保护装置，其特征是：励磁系统可控硅整流桥（10）输出直流的正极接灭磁开关（1），灭磁开关（1）选用直流单断口开关HPB45，灭磁开关（1）断口的另一端接发电机转子绕组（6）的正极，发电机转子绕组负极接到可控硅整流桥（10）的负极，在发电机转子绕组正负极并联以碳化硅（SiC）非线性电阻（9）为主的灭磁及反向过压保护回路和以氧化锌（ZnO）非线性电阻（7）为主的正向过压保护回路。

2.根据权利要求1所述的一种大型发电机转子灭磁及过压保护装置，其特征是：以碳化硅（SiC）非线性电阻（9）为主的灭磁及反向过压保护回路的结构为：反向跨接器（CROWBAR）的一端接转子绕组（6）的正极，另一端接碳化硅非线性电阻(9)碳化硅（SiC）非线性电阻(9)另一端经过导通检测器(8)接到转子绕组(6)的负极；以氧化锌（ZnO）非线性电阻7为主的正向过压保护回路的结构为，正向跨接器（CROWBAR）的一端接发电机转子绕组(6)的正极，另一端接氧化锌（ZnO）非线性电阻(7)，电阻(7)另一端经过导通检测器(8)接到转子绕组(6)的负极。

3.根据权利要求1或2所述的一种大型发电机转子灭磁及过压保护装置，其特征是：反向跨接器的控制电路(2)由开关(1)的状态控制并联在反向可控硅(3)两端并输出控制脉冲给可控硅(3)，可控硅(3)的阴极接到转子绕组(6)的正极，阳极接到碳化硅电阻(9)；正向跨接器的控制电路(5)并联在正向可控硅(4)两端输出控制脉冲给可控硅(4)，可控硅(4)的阳极接转子绕组正极，阴极接氧化锌电阻(7)。

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