CN1084536C - 大型发电机自动灭磁和滑差过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

一种大型发电机自动灭磁和滑差过电压保护装置，由发电机自动灭磁电路、主励磁机灭磁电路及滑差过电压保护电路构成，其主要特点是，由FMK₁、FMK₂组成双重开断分级灭磁式灭磁开关；将发电机与主励磁机的灭磁开关合并于同一开关，实现二者同步灭磁；设置发电机转子绕组滑差感应过电压保护环节。本发明具有灭磁速度快，可靠性高，保护功能完善，且经济性实用性强的显著优点，是设置和改造大型发电机灭磁系统的一个理想方案。

Description

大型发电机自动灭磁和滑差过电压保护装置

本发明涉及电力系统大型发电机发生故障时的自动灭磁和滑差过电压保护装置。

发电机的自动灭磁是保护发电机免受事故冲击危害的重要保护措施之一。当发电机发生内部故障时，为了减轻短路电流和负序电流对发电机的破坏，自动灭磁装置快速可靠切断励磁电源，并将过电压水平限制在安全范围以内，是非常关键的技术问题。

从七十年代起，在我国电力工业高速发展的形势下，国产200MW发电机组做为电网主力逐步投入运行。自动灭磁装置选用DM₂型磁吹式灭磁开关(沈阳低压开关厂制造)。该型开关为磁吹熄弧方式，其存在的主要缺陷是：1)灭磁动作不可靠，灭磁成功率低。遮断容量不足，在切断励磁电流时经常发生主触头严重灼伤和金属熔连问题。2)过电压倍数超过国家标准规定。由于该装置过电压保护配合不合理，过电压抑制性能差，既使在发电机空载状态下切断励磁电流，过电压倍数亦非常高，其实测值为13.6倍，远远超过国家标准规定不大于3倍的要求。

参见图8现有技术DM₂自动灭磁装置结线图。发电机及系统发生故障时，需要灭磁开关FMK快速切断励磁使发电机快速灭磁，以使故障不再扩大，避免更大的经济损失。FMK切断后MKB闭合，此时转子能量通过RM释放，完成发电机自动灭磁过程。MKB为电磁机构，当FMK掉闸后经闭接点启动MKB到MKB闭合约有1秒延时，这样不但延长了转子灭磁时间，而且也造成了转子过电压倍数大幅度升高。

系统发生故障时，主开关跳闸，发电机主开关联动自动灭磁装置的自动程序为：主开关掉→FMK掉→LMK掉，从FMK跳闸到LMK切断产生的延时约为100毫秒以上。这样在FMK开关燃弧期间，主励磁机将继续向发电机转子输送电能，大大加重了FMK的断弧负担，极易导致FMK开关烧坏。

发电机灭磁开关FMK与主励磁机灭磁开关LMK是经开关闭接点和继电器转换实现联动的。当中间继电器和闭接点发生问题时，联动即会失败。如果FMK和LMK有一侧开关拒动，灭磁即会失败而影响灭磁时间。

以上可以明显看出现有技术灭磁装置在自动灭磁方面存在的问题。

现有技术灭磁装置存在的另一缺陷是保护功能不完善，即未设置滑差过电压抑制保护环节。发电机在正常运行工况下，发生失磁故障时，由于汽轮机的加速，发电机进入异步运行状态，若运行对策不当，其滑差S值则将迅速加大，发电机转子绕组的滑差感应电压亦将随之升高，甚至可达极高幅值。这种感应过电压以滑差S为周期，频率很低。对应于整流桥，负半周经整流桥闭路，而正半波却被整流桥反向阻断，使发电机转子绕组呈开路状态，从而产生正半周滑差过电压ULm。

对这种滑差感应过电压必须加以限制，否则将对转子绝缘及整个励磁系统的绝缘构成危害，甚至可能酿成发电机损坏的事故。

实际案例：马头发电总厂#7发电机(QFQS-200-2)历史上曾经发生过两次失磁事故，由于挽救措施不当，造成发电机高滑差运行，半峰值感应过电压高达8UfN，烧毁了主保护装置部分二次线和元器件。故障录波见图3。

本发明的目的是提供一种具有灭磁迅速、可靠且具有滑差过电压保护的大型发电机自动灭磁和过电压保护装置。

本发明的目的是这样实现的：

主电路由发电机自动灭磁电路、主励磁机灭磁电路和滑差过电压保护电路构成，其中：

发电机自动灭磁电路由灭磁开关A、灭磁开关B、灭磁电阻A、灭磁电阻B，整流二极管A、整流二极管B和接触器组成，灭磁开关A、灭磁开关B串连于发电机转子激磁绕组主回路中，灭磁电阻B与整流二极管A串连后一端接灭磁开关A与灭磁开关B的结点，另一端接整流桥负极，灭磁电阻A与整流二极管B串连后并联于发电机转子激磁绕组两端，接触器触点开关并接于整流二极管B的两端；当系统发生事故时，灭磁开关A、灭磁开关B快速地切断回路电流，此时瞬间转子正端急速变负，整流二极管A、整流二极管B导通将转子所储存的电磁能量经灭磁电阻A和灭磁电阻B释放，发电机正常运行时整流二极管A、整流二极管B处于阻断状态，灭磁开关A、灭磁开关B分断后接触器触点闭合，转子能量继续经接触器、灭磁电阻A回路释放，直至灭磁过程结束；

主励磁机灭磁电路：发电机灭磁开关A、灭磁开关B剩余断口灭磁开关A′、灭磁开关B′串连后串接在主励磁机转子激磁绕组回路，灭磁电阻C与二极管C串连后并联在主励磁机转子激磁绕组的两端；

滑差感应过电压保护电路结构：该电路由直流电压继电器、电流继电器和阻抗继电器组成，其工作讯号为：主励转子电压、主励定子负荷电流、系统无功反向三个讯号形成与门闭锁条件。

本发明的目的还可以下述方式实现：灭磁开关A、灭磁开关B选用ME1605。

本发明研究实验工作历时三年时间，通过运行证实具有如下显著优点和积极的社会效果。1)采用双重开断分级灭磁的技术构思，保证了灭磁开关动作的可靠性，提高了灭磁成功率，降低了过电压水平，证实了用普通开关替代专用开关的可靠性和经济性，解决了现有技术灭磁开关动作不可靠的关键技术难题。2)将发电机与主励灭磁开关合并于同一开关(利用FMK的剩余断口)，实现了发电机与主励磁机同步灭磁，解决了原灭磁装置的一侧开关拒分而可能导致的全面灭磁失败的技术问题，去掉原装置中FMK与LMK之间的继电器动作延迟时间，缩短灭磁衰减过程时间，提高了发电机灭磁的可靠性。3)本发明增设了发电机转子滑差感应过电压保护环节，使发电机在发生灭磁失步故障状态下，发电机转子产生的滑差过电压得到可靠抑制，保护发电机转子绝缘免受滑差过电压的危害。

总之，本发明的实施对我国大型发电机灭磁系统存在问题的解决提供了一个改造费用低、工作量小并能大大提高灭磁可靠性，相对灭磁时间常数与灭磁过电压倍数均较理想的实用方案，为提高大型发电机组安全运行水平起到了促进作用。

下面结合附图作详细说明：

图1本发明主电路结线图；

图2滑差过电压保护部分电路结线图；

图3发电机滑差感应过电压实际录波图；

图4发电机、主励灭磁特性及过电压分析曲线；

图5本发明发电机灭磁衰减特性曲线；

图6本发明主励定子电压衰减特性曲线；

图7本发明合成衰减特性曲线；

图8现有技术灭磁装置主励定子电压衰减特性曲线；

图9现有技术灭磁装置结线图；

本发明的技术方案的关键内容包括：

一、双重开断分级灭磁：2×ME1605组成双重开断分级灭磁式灭磁开关，用于提高灭磁开关的可靠性和灭磁成功率，抑制转子绕组过电压倍数。二、发电机与主励同步灭磁：将发电机灭磁开关FMK和主励磁机灭磁LMK合并于同一开关，同步切断主励电源，使发电机与主励灭磁过程同步进行。减轻FMK断弧负担，提高灭磁开关断弧能力，加快灭磁速度。三、设置发电机转子绕组 滑差感 应过电压保护环节，完善整体促护功能，保护发电机免受滑差感应过电压冲击危害。

参见图1、图2，图中：FMK₁、FMK₂为发电机灭磁开关A、灭磁开关B，2×ME1605；FMK′₁、FMK′₂为主励灭磁开关A′、主励灭磁开关B′，2×ME1605剩余相；RM、RHM为发电机线性灭磁电阻A和线性灭磁电阻B，RLM为主励线性灭磁电阻C，SK为发电机转子绕组滑差感应过电压保护短路接触器，CT电流互感器，HWJ为灭磁合闸继电器；DK为主励电流刀闸辅助接点，LJ主励定子电流继电器，YJ主励转子电压继电器，-QJ阻抗继电器。

发电机自动灭磁电路由灭磁开关A FMK₁、灭磁开关B FMK₂、灭磁电阻A RM、灭磁电阻B RHM，整流二极管A D₁、整流二极管B D₂和接触器SK组成，灭磁开关A FMK₁、灭磁开关B FMK₂串连于发电机转子激磁绕组主回路中，灭磁电阻B RHM与整流二极管A D₁串连后一端接灭磁开关A FMK₁与灭磁开关B FMK₂的结点，另一端接整流桥负极，灭磁电阻A RM与整流二极管B D₂串连后并联于发电机转子激磁绕组两端，接触器SK触点开关并接于整流二极管B D₂的两端；当系统发生事故时，灭磁开关A FMK₁、灭磁开关B FMK₂快速地切断回路电流，此时瞬间转子正端急速变负，整流二极管A D₁、整流二极管B D₂导通将转子所储存的电磁能量经灭磁电阻A RM和灭磁电阻B RHM释放，发电机正常运行时整流二极管A D₁、整流二极管B D₂处于阻断状态，灭磁开关A FMK₁、灭磁开关B FMK₂分断后接触器SK触点闭合，转子能量继续经接触器SK、灭磁电阻A RM回路释放，直至灭磁过程结束；

主励磁机灭磁电路：发电机灭磁开关A FMK₁、灭磁开关B FMK₂剩余断口灭磁开关A′FMK₁′、灭磁开关B′FMK₂′串连后串接在主励磁机转子激磁绕组回路，灭磁电阻C RLM与二极管C D₃串连后并联在主励磁机转子激磁绕组的两端；

滑差感应过电压保护电路结构：将主励磁机转子电压V_fz、定子负荷电流I_fz、系统电压V_A、电流I_A引入，取这些讯号做为保护动作的判断依据，当发电机发生灭磁故障时，发电机进入异步运行状态，V_fz、I_fz消失，系统无功反向(-Q)这三个条件同时具备时，滑差保护动作启动，SK闭合，发电机转子绕组经-SK、RM回路短路，滑差过电压得到抑制并控制在规程范围之内，该电路由直流电压继电器YJ、电流继电器LJ和阻抗继电器QJ组成，其工作讯号为：主励转子电压V_fz、主励定子负荷电流I_fz、系统无功反向-Q三个讯号形成与门闭锁条件。

灭磁动作程序设置：当系统发生事故时，FMK、FMK′₁首先同时开断，延时10-60ms(最佳值为10-30ms)后FMK₂、FMK′₂再同时开断；当FMK₁、FMK′₁开断后，发电机转子电磁能量PL的释放回路电阻RM//RHM≈1/2RM。当FMK₂、FMK′₂开断后能量释放回路电阻变为RM，直至全部衰减过程。

发电机、主励磁机灭磁特性及过压分析：参见图4，图中A为发电机灭磁前励磁电压U_f，B为主励电压衰减曲线，C为FMK燃弧时段，D为发电机转子能量衰减曲线。分级灭磁回路的过电压倍数： $\mathrm{Ugk}\≈\mathrm{VLm}\×\frac{B_M//R_{\mathrm{HM}}}{R_M}\≈1/2U_{\mathrm{Lm}}$

双重开断分级灭磁过渡过程分析：参见图5、图6、图7、图8，图中C为FMK燃弧时段，E为现有技术灭磁装置电压延时情况。

分级灭磁：要求FMK₁、FMK₁首先开断，FMK₂、FMK′₂延时10-60mg之后再断开，FMK₁、FMK′₁断开后发电机转子电磁能量PL的释放回路电阻RM//RHM≈1/2RM。当FMK₂、FMK′₂开断后能量释放回路电阻变为RM，直至全部衰减过程。控制回路执行上述灭磁程序，再配合发电机、主励同步灭磁措施，发电机的灭磁将加快，过电压倍数亦将得到理想抑制。

发电机在强励状态下，灭磁开关的电弧能量，主要部分由主励供给，另一部分则由发电机转子励磁能量供给，以TBB-200-2型发电机强励试验数据为例，其电压分别为845V与355V，在灭磁开关燃弧时段，主励电源供给的能量约占电弧能量的70％。发电机灭磁过程开始后，发电机转子能量将迅速衰减。使用现有技术灭磁装置的情况是，主励电源由于中间继电器的固有延时作用，主励的灭磁则需要经过约100ms之后方开始。显然，这对开关的灭弧及整个灭磁过程是个不利因素。本发明由于采用了发电机与主励同步灭磁措施，这一矛盾不但全被彻底解决，而且亦使发电机的灭磁过程变得十分可靠。

本发明所用灭磁开关选用ME-1605交流万能开关，其额定技术数据如下：额定工作电：1900A/35℃，额定分断能力(有效值)：50KA/COSΦ＝0.25，最大熄弧距离95mm，全分断时间：约30ms。

Claims (2)

1、一种大型发电机自动灭磁和滑差过电压保护装置，其特征在于：主电路由发电机自动灭磁电路、主励磁机灭磁电路和滑差过电压保护电路构成，其中：

发电机自动灭磁电路由灭磁开关A(FMK₁)、灭磁开关B(FMK₂)、灭磁电阻A(RM)、灭磁电阻B(RHM)，整流二极管A(D₁)、整流二极管B(D₂)和接触器(SK)组成，灭磁开关A(FMK₁)、灭磁开关B(FMK₂)串连于发电机转子激磁绕组主回路中，灭磁电阻B(RHM)与整流二极管A(D₁)串连后一端接灭磁开关A(FMK₁)与灭磁开关B(FMK₂)的结点，另一端接整流桥负极，灭磁电阻A(RM)与整流二极管B(D₂)串连后并联于发电机转子激磁绕组两端，接触器(SK)触点开关并接于整流二极管B(D₂)的两端；当系统发生事故时，灭磁开关A(FMK₁)、灭磁开关B(FMK₂)快速地切断回路电流，此时瞬间转子正端急速变负，整流二极管A(D₁)、整流二极管B(D₂)导通将转子所储存的电磁能量经灭磁电阻A(RM)和灭磁电阻B(RHM)释放，发电机正常运行时整流二极管A(D₁)、整流二极管B(D₂)处于阻断状态，灭磁开关A(FMK₁)、灭磁开关B(FMK₂)分断后接触器(SK)触点闭合，转子能量继续经接触器(SK)、灭磁电阻A(RM)回路释放，直至灭磁过程结束；

主励磁机灭磁电路：发电机灭磁开关A(FMK₁)、灭磁开关B(FMK₂)剩余断口灭磁开关A′(FMK₁′)、灭磁开关B′(FMK₂′)串连后串接在主励磁机转子激磁绕组回路，灭磁电阻C(RLM)与二极管C(D₃)串连后并联在主励磁机转子激磁绕组的两端；

滑差感应过电压保护电路结构：该电路由直流电压继电器(YJ)、电流继电器(LJ)和阻抗继电器(QJ)组成，其工作讯号为：主励转子电压(V_fZ)、主励定子负荷电流(I_fZ)、系统无功反向(-Q)三个讯号形成与门闭锁条件。

2、根据权利要求1所述的大型发电机自动灭磁和滑差过电压保护装置，其特征在于：灭磁开关A(FMK₁)、灭磁开关B(FMK₂)选用ME1605。

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