“逆变”对交流侧灭磁与直流侧灭磁的影响

孟利军，李自淳，宣自平，朱 敏，万 力，郑 玉，徐 睿

(1.哈尔滨电机厂有限责任公司控制设备事业部，黑龙江 哈尔滨 150040;2.中国科学院等离子体物理研究所科聚公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

关于同步发电机交流侧灭磁与直流侧灭磁的探讨已经很多。其基本内容如下:

(1)为了尽量减小故障的损失，当发电机及其直联主变内部或相关部分发生故障时，在继电保护动作切断电网主电源的同时，还要求尽快熄灭发电机内部的磁场，以尽快降低发电机的感应电势，熄灭故障电流。这就是快速灭磁保护。

(2)为了实现快速灭磁，目前国内外广泛采用磁场断路器移能灭磁。其作用一是迅速切断发电机励磁绕组与励磁电源的通路;二是将发电机的励磁电流迅速转移到灭磁电阻中衰耗，磁场能量由灭磁电阻吸收。

(3)过去和目前磁场断路器大都串联在励磁直流回路中，以下称直流侧灭磁方式，如图1所示。

(4)交流开关应用面广，产品种类繁多，工艺成熟，性能稳定，销量大，价格低。近年来发电机广泛采用交流整流静止励磁系统，为交流灭磁创造了条件。如用交流开关在整流励磁电源交流侧开断，如图2所示，同样能达到快速灭磁的效果，称之交流侧灭磁方式。

(5)保证磁场断路器正确换流的必要条件是，磁场断路器保证能达到的最大开断弧压(遮断电压)必须大于电源电压最大(强励时)峰值与灭磁电阻两端最大压降(最大灭磁电流通过时)之和。

(6)由于磁场断路器的性能所限，其最大开断弧压往往难以满足上述条件，所以必须加辅助措施。其中最常用的就是“切脉冲”，即在磁场断路器开断前切除励磁功率整流器内晶闸管元件的触发脉冲。这样励磁电压从直流锯齿波变成交流正弦波，在负半周时容易满足换流条件而完成移能快速灭磁。

一般的励磁系统不设“切脉冲”环节。但目前广泛应用“逆变”环节，即在启动快速灭磁时，首先启动励磁调节器“逆变”，随后跳磁场断路器。笔者就想探讨“逆变”对交流侧灭磁与直流侧灭磁的影响。

1 “逆变”对交流侧灭磁的影响

1.1 “逆变”产生的反压峰值大于灭磁电阻全部导通的残压

有的电厂(如三峡左岸电站)励磁整流阳极电压特别高，“逆变”产生的反压峰值大于灭磁电阻全部导通(即可以通过全部励磁电流)的残压。这样单靠逆变就可以把全部励磁电流转入灭磁电阻来完成换流，随后磁场断路器无电流开断。这时对磁场断路器的开断能力及弧压无任何要求。

1.2 “逆变”产生的反压峰值小于灭磁电阻全部导通的残压

图3 MK断口电流波形图

这时灭磁电阻不能全部导通，励磁电流不能全部转入灭磁电阻，磁场断路器MK和功率整流器内还有电流。流过MK三相断口的电流波形如图3。任何瞬间只有二相通流，另一相电流为零。假定在t1瞬间MK开断，此时晶闸管KA+及KC－导通，其余均截止(见图2)。但晶闸管的触发脉冲仍正常发送，6只管子的触发脉冲按如下顺序不断轮流施加于各晶闸管:+A，－C，+B，－A，+C，－B。现在KA+及KC－2管已经触发导通。由于有电感LQ的续流作用，KA+及KC－的阳极电流大于维持电流，不能截止，开关断口MKA及MKC不能熄弧。B相此时无电流，故MKB轻松开断。接下来KB+被触发，但此时B相阳极电源已开断，故KB+不能导通，电流仍经KA+及KC－流通;再过3.33 ms KA－被触发，这时KA－的阳极电压已转为正向，故KA－立即导通，KC－截止;IL经KA－及KA+短路续流，MKA及MKC熄弧开断，见图4。这时励磁电流经2只晶闸管正向导通续流自然衰减。因晶闸管的正向导通压降很低(约几伏)，故灭磁时间很长，起不到快速灭磁的保护作用，但一般不会损坏设备。

图4 同相正负桥臂晶闸管导通续流灭磁等值电路

2 “逆变”对直流侧灭磁的影响

2.1 “逆变”产生的反压峰值大于灭磁电阻全部导通的残压

这时和上述1.1节相同，单靠逆变就可以把全部励磁电流转入灭磁电阻，完成换流，随后磁场断路器无电流开断。这时对磁场断路器的开断能力及弧压无任何要求。

2.2 “逆变”产生的反压峰值小于灭磁电阻全部导通的残压

这时灭磁电阻不能全部导通，励磁电流不能全部转入灭磁电阻，磁场断路器MK和功率整流器内还有电流。但“逆变”和“切脉冲”一样也能产生反向电压，该电压和磁场断路器的开断弧压同向叠加，帮助换流，降低对磁场断路器弧压的要求。在磁场断路器弧压相同时，可以缩短换流时间，减少断路器弧室和触头的烧损。这一点和“切脉冲”有共同之处，但如逆变时控制角α＜150°，反压峰值就达不到阳极电压的峰值，效果不如“切脉冲”。

3 模拟验证试验

3.1 试验目的

通过1∶1模拟试验，验证上述理论分析的正确性。

3.2 试验原理接线图

试验接线见图5和图6。

3.3 试验参数

额定电流灭磁试验:IL≤500 A，UL≤250 V，L=0.3 H，R1=0.5 Ω;

强励电流灭磁试验:IL≤1000 A，UL≤500 V，L=0.3 H，R1=0.5 Ω。

3.4 录波量

UL，UZ，UK，Uab，Ubc，Uca，UKA，UKB，UKC，UL，URV，UK，UKA，UKB，UKC，共15个量。

15个录波量的检测位置和正负极性见图5和图6，录波量的定义见表1。

表1 录波量定义表

(续表1)

以上各量不同时录取。交流侧灭磁和直流侧灭磁分别录取不同量(见图5和图6)，交流侧灭磁12个量，直流侧灭磁5个量。

3.5 灭磁电阻

灭磁电阻RV采用SiC非线性电阻，其组件型号为600A－US14－7P－2S(三峡 ABB机组用)。

600A－US14－7P－2S灭磁电阻单片参数:外径Φ1=152 mm，内径 Φ2=26 mm，厚度 δ=20 mm。额定容量75 KJ，温升105 K;一次性最大容量90 KJ，温升130 K(环境温度均为25℃)。最大脉冲电流250 A。

3.6 灭磁开关

交流侧灭磁模拟试验，采用直流侧灭磁开关MK常开主触头短接，常闭放电触头投灭磁电阻，真空开关QF分断阳极回路。分断时先跳MK开关，MK的常闭辅助接点接通QF的跳闸回路，故QF比MK延迟约40 ms跳闸。直流灭磁开关MK型号DMX2－1600－2/1。真空开关 QF型号 ZN63A(VS1)－12/630－20。

直流侧灭磁模拟试验，用MK开关分断励磁回路，其常闭放电触头投灭磁电阻。分闸时该触头比常开主触头分断提前2～4 ms闭合。MK型号DMX2－1600－2/1。

3.7 试验项目及结果分析

因为本试验目的不考核能量，而研究灭磁工作过程。为了避免在试验中意外损坏设备或试品，采用较小的负载电感L=0.3 H(空气芯)，及较大的负载电阻 R1=0.5 Ω。

3.7.1 “逆变”产生的反压峰值大于灭磁电阻全部导通的残压

3.7.1.1 交流侧灭磁

试验回路用图5，合MK和QF，调节IL≈450 A，先实施励磁整流器晶闸管的逆变，然后跳MK和QF。录波图见图7(a)和(b)，各录波量及关键时刻均标注在图上。

时刻t1前为正常励磁。t1开始实施逆变，励磁电压 UL反向，而且平均值恒定(因为励磁电源他励，取自电网恒定电压)。本次试验逆变电压平均 值 ULav=1.35 Uabcosα =1.35 ×857 ×cos150°=1002 V，逆变电压峰值，与图7a标示相符。故此励磁电流 IL及 IKA、IKB、IUKC均线性下降。经过约40 ms，到t2时刻MK开关常闭放电触头接通，而且此时转子电压 UL已经高于RV的残压，故转子电流 IL立即全部转入RV内流通，开关电流IKA、IKB、IKC均降到零。但此时QF的主触头尚未断开，靠逆变反压换流不彻底(反压不够高且大小波动)，故QF多次无弧重燃，经过二十多毫秒，到t3才基本断流。由于操作机构的机械延时，t2时刻后再经过约40 ms，到t4时刻QF的主触头才断开，此时断口电流已降到零，开关无电弧开断，断口电压 UKA、UKB、UKC分压上升。励磁电流最后在RV内流通衰减，到t5时刻衰减到零。QF在整个开断过程中没有燃弧。

3.7.1.2 直流侧灭磁

试验回路用图6，合MK，调节 IK≈600 A，先逆变后跳MK，录波图见图8，各录波量及关键时刻均标注在图上。

时刻t1前为正常励磁。t1时刻逆变，转子电流IL下降。到t2时刻MK开关常闭放电触头接通，转子电流IL立即转入RV内流通，开关电流IK下降到接近零。但此时MK的主触头尚未断开，靠逆变反压换流不彻底(反压不够高且大小波动)，故MK多次无弧重燃，灭磁电阻RV部分换流耗能。t3时刻MK常开触头断开，t4时刻换流成功，MK熄弧。t5时刻灭磁结束。t4后因MK熄弧，控制角α又在逆变区，使整流桥晶闸管全部截止，隔离了阳极电压，故UZ=0。

图8 直流侧灭磁逆变试验录波图

3.7.2 “逆变”产生的反压峰值小于灭磁电阻全部导通的残压

3.7.2.1 交流侧灭磁

试验同 3.7.1.1，但电流增大到 IL≈1040 A，录波图见图9(a)，(b)，(c)。各录波量及关键时刻均标注在相应的图上。

时刻t1以前为正常励磁。t1时刻开始逆变，UL电压反向，IL开始下降。ta时刻由于试验设备(晶闸管整流器)的触发脉冲在逆变时移相过快，造成短时触发脉冲紊乱，使A相正负极桥臂晶闸管同时导通续流，UL降到近于零(2只晶闸管的导通压降，仅几伏)。IL自然衰减。但到 tb时刻又恢复正常逆变，以后都正常。

ta～tb时段整流装置工作不正常，其详细工况已经研究清楚。但这一段的工况与本试验无关，也不影响试验的结果。由于重新调整试验设备会耽误很多时间，而且也不太必要，故决定保留本次试验结果，不再重做相同的试验。ta～tb时刻的工况分析与本试验无关，故不在此赘述。着重分析后面的灭磁工况。

t2时刻MK常闭触头接通，IRV开始出现，并根据RV的伏安特性随其两端电压UL的变化作相应变化。从图9b上看到，由于 IRV的分流，从t2开始，交流开关的三相电流 IKA、IKB和 IKC均有相应下降。但由于IL较大，UL产生的 IRV不够大(相当电厂事故中阳极电压 Ua降低)，故 IKA、IKB和 IKC降不到零，不能完成彻底换流。

到t3时刻交流开关QF三相断口同时分断，+A、－B两相续流。经过3.33 ～6.66 ms，到t4时刻整流桥同相正负桥臂晶闸管导通续流，UL和IRV下降到近于零，IKA=IKB=IKC=0，QF断口熄弧。t4后发电机“续流”灭磁，IL按电感回路自身时间常数自然衰减，缓慢下降。这个过程类似图4。

3.7.2.2 直流侧灭磁

同3.7.1.2，但调节 IK≈800 A，先逆变后跳 MK，录波图见图10，各录波量及关键时刻均标注在图上。

各关键时刻同图8，相关说明同3.7.1.2。因电流大，换流困难，开关燃弧时间t3～t4从16 ms增加到26 ms。

图10 直流侧强励灭磁逆变试验录波图

4 结语

4.1 逆变的作用在直流侧灭磁可以和“切脉冲”等效，“逆变”和“切脉冲”一样也能产生反向电压，该电压和磁场断路器的开断弧压同向叠加，帮助换流，降低对磁场断路器弧压的要求;在磁场断路器弧压相同时，可以缩短换流时间，减少断路器弧室和触头的烧损。但如逆变时控制角α＜150°，反压峰值就达不到阳极电压的峰值，效果不如“切脉冲”。在磁场断路器分断前，逆变造成单向反压，使励磁电流下降;切脉冲造成正负交变电压，使励磁电流波动，平均值不变，在这一点上逆变更有利于换流成功。

4.2 逆变在交流侧灭磁一般不能和“切脉冲”等效，会在交流侧灭磁开关断口断开后 3.33～6.66 ms形成整流桥同相正负桥臂晶闸管同时导通续流，使快速灭磁失败。

4.3 如果励磁整流阳极电压特别高(如三峡左岸电站)，单靠“逆变”产生的反压就能使灭磁电阻全部导通，完成彻底换流，灭磁开关无电流开断。这时对交直流侧灭磁开关的开断能力及弧压无任何要求，为一种特例。

4.4 逆变帮助灭磁开关换流的作用，依赖于励磁整流电源的交流阳极电压。此电压越高，则帮助作用越明显;如在故障状态或设计取值不同，使阳极电压相对较低，则帮助作用就小。