对发电机灭磁和程序跳闸方式改进的探讨

王国仁，苏波，宋述勇

（1.河津发电分公司，山西河津043300；2.山西漳泽电力股份有限公司电力技术研究中心，山西太原030006；3.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

对发电机灭磁和程序跳闸方式改进的探讨

王国仁1，苏波2，宋述勇3

（1.河津发电分公司，山西河津043300；2.山西漳泽电力股份有限公司电力技术研究中心，山西太原030006；3.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

在介绍直流灭磁原理的基础上，分析了影响发电机灭磁成功的条件和因素，结合华泽电厂改进实例，提出了事故停机、正常停机和异常保护动作后灭磁方式的改进建议。

直流灭磁；逆变灭磁；封脉冲；程序跳闸

0 引言

汽轮发电机组的停机主要分为事故停机和正常停机。无论是事故停机还是正常停机都需要发电机快速安全灭磁，因为发电机虽然与系统断开，但发电机的惯性使转子转速不能突变，储存在励磁绕组中的磁能也不能迅速消失，励磁电流突变势必在转子绕组两端引起相当大的暂态过电压，这将造成电机内部绝缘损坏等问题。因此发电机停机时必须把转子励磁绕组的磁能尽快地减弱到尽可能小的程度。

目前发电机的灭磁方式有直流灭磁、交流灭磁以及交直流灭磁方式配合使用等多种形式。在采用直流灭磁方式时，有的机组无论事故停机还是正常停机都是通过继电保护装置跳开灭磁开关来进行灭磁；有的机组则无论事故停机还是正常停机都是采用逆变灭磁，然后再跳开灭磁开关的方式进行灭磁，两种方式都有优缺点，本文通过对直流灭磁原理分析，在两种灭磁方式的基础上提出了改进建议。

1 直流灭磁

1.1 直流灭磁原理

直流灭磁是指跳开励磁整流器直流侧灭磁开关的灭磁。图1是灭磁电阻为非线性电阻的灭磁主回路原理图，最左侧的模块表示的是励磁直流电源即整流装置，灭磁开关断口A-B设在负极侧，D为二极管，FR为非线性灭磁电阻，当发电机正常运行时，二极管承受反向电压，灭磁电阻中无电流，灭磁电阻是非线性电阻，在低电压下呈现高阻特性，当承受的电压超过压敏电压时，其电阻急剧下降。当跳灭磁开关灭磁时，灭磁的首要任务是将灭磁电阻导通并联在转子两端，发电机的励磁电流转移到灭磁电阻中进行消耗，换流成功就意味着灭磁基本成功。如果换流失败，即灭磁电阻没有导通，发电机的灭磁任务就全部落在灭磁开关上，此时灭磁开关就要承担全部的消耗磁场能量的任务，灭磁开关多次分断大电流就会不同程度的消耗、损伤灭弧罩内的灭弧栅，严重影响灭磁开关的使用寿命。

在发电机励磁回路中，灭磁开关跳开后断口A-B上出现很高的电压即弧压，A端为正，B端为负，把这一电压用UFMK表示，直流电源电压用US表示，灭磁电阻的导通电压用UFR表示。若要成功灭磁则如下关系必须成立。

公式（1）中：UFMK是由灭磁开关的型号决定的，但是有些因素会使该电压降低，这些因素包括：灭磁开关灭弧罩损坏、灭弧罩内不清洁，特别是有金属物或碎屑；灭磁开关多次分断大电流也可能会消耗、损伤灭弧罩内的灭弧栅；US是由整流器阳极电压和触发角度决定的；UFR和设计时选型有关。

图1 灭磁主回路原理图

1.2 直流灭磁过程

第一阶段：灭磁开关分闸、拉弧、建立转子反电势。在这个阶段的初始时刻，灭磁开关主触头分断，在触头之间产生直流电弧，并由电弧电流在吹弧线圈中产生吹弧磁力，从而使直流电弧拉长并进入灭磁开关的灭弧栅。由于直流电弧被拉长后其弧电阻增加，促使灭磁开关主触头两端的电压升高，直至达到非线性电阻的动作值。由于灭磁开关分断，发电机励磁电流发生突变，此时发电机转子将因电流突变而产生反电势，其反电势的大小由转子电感和励磁电流的变化率所决定。当达到非线性电阻动作值时，由非线性电阻决定转子两端的电压。

第二阶段：非线性电阻换流、移能，转子灭磁。在这个阶段的开始时刻，由于灭磁开关触头断开引起的转子反向过电压使非线性电阻由阻断变成导通，从而使原经过灭磁开关构成的励磁电流通路转换为由非线性电阻与转子之间构成通路，进而使灭磁开关断口熄弧，完成励磁电流由灭磁开关向非线性电阻的换流。完成换流以后，由于转子能量并没有消耗，故非线性电阻将维持导通状态，直至将转子的几乎全部能量都转移到非线性电阻之中，磁能变成热能。

2 逆变灭磁原理

利用三相全控桥的逆变工作状态，控制角由小于90°的整流运行状态，突然后退到大于90°的某一适当角度，此时励磁电源改变极性，以反电势形式加于励磁绕组，使转子电流迅速衰减到零的灭磁过程称为逆变灭磁。

这种灭磁方式将转子储能迅速地反馈到三相全控桥的交流侧电源中去，不需要灭磁电阻导通或灭弧栅，是一种简便实用的灭磁方法。由于无触点、不燃弧、不产生大量热量，因而灭磁可靠。反电势愈大，灭磁速度愈快。三相全控桥逆变时产生的反电势与其交流侧电源电势成正比，因此反电势的数值受到一定限制，同时为防止“逆变颠覆”而设的最大控制角max（或最小逆变角min）的限制，也在一定程度上降低了反电势。所以单独逆变灭磁，受交流电源电压的限制，逆变灭磁时，励磁电流虽直线下降，但逆变时所施加的反电势数值比灭弧栅灭磁方式要小，因此电流衰减较小，灭磁时间相对较长，但过电压倍数也很低。另外，对于自并励励磁系统而言，逆变灭磁过程中机端电压的下降使施加于转子绕组的逆变反电势也降低，因而造成逆变灭磁过程的延缓。

3 两种灭磁方式的比较

通过对以上灭磁原理的分析，可以发现逆变灭磁不燃弧、不产生大量热量，灭磁可靠，是理想的发电机灭磁方式，但逆变灭磁时间较长，因此若条件允许，尽可能采用逆变灭磁方式。

直流开关灭磁特点：优点是灭磁时无需外部逻辑配合，操作简单。缺点是对直流开关断口弧压要求较高，多次分断大电流就会不同程度地消耗、损伤灭弧罩内的灭弧栅，严重影响灭磁开关的使用寿命。

4 对发电机灭磁方式改进的设想

4.1 在发电机事故停机直接跳灭磁开关的同时对AVR装置进行封脉冲

在发电机事故停机时为减小设备损坏和对电网的影响，需要最快速度地对发电机进行灭磁，此时不考虑对灭磁开关的消耗，采用直接跳开灭磁开关进行灭磁，并在跳开灭磁开关的同时进行整流回路封脉冲，以便公式（1）UFMK－US≥UFR中的US尽量减小，提高灭磁开关断口弧压和灭磁成功的概率。

4.2 对于正常的停机和发电机异常保护动作后的停机采用逆变灭磁方式

4.2.1 改进的必要性

在电厂以前的正常停机操作中，都是先将机组负荷减到0，然后关闭汽轮机调门和主汽门，待发电机程跳逆功率保护动作后直接跳开灭磁开关。这种停机方式虽然是把机组负荷降到0，但灭磁开关至少要切除发电机空载励磁电流；发电机定子过负荷、负序电流过负荷、定子铁芯过励磁、励磁电流下降或消失等异常运行方式对设备安全不是十分危害的保护动作时灭磁开关则要开断当时的励磁负荷电流。灭磁开关多次开断大电流对开关的使用寿命影响很大。因此，对于正常停机和发电机异常保护动作后的停机采用逆变灭磁方式的改进很有必要。

4.2.2 改进的可行性

按照GB14285—2006“程序跳闸”的定义，对汽轮发电机首先关闭主汽门，待逆功率继电器动作后，再跳发电机断路器并灭磁。

按GB14285—2006规定，建议采用“程序跳闸”方式的有300MW及以上汽轮发电机定子过负荷、负序电流过负荷、定子铁芯过励磁、励磁电流下降或消失等异常运行方式。

由于汽轮发电机定子过负荷、负序电流过负荷、定子铁芯过励磁、励磁电流下降或消失等异常运行工况，并不会立即危及设备安全，因此可以改进为：动作于程序跳闸的保护动作后先跳开主开关、厂用开关、同时逆变灭磁，延时跳开灭磁开关。

采用逆变灭磁方式的最大缺点是灭磁时间比直接跳灭磁开关的灭磁时间长，在逆变灭磁过程中如果逆变失败，则此时发电机电压有可能升高，发电机转速下降，发电机过压保护和U/F保护有可能动作，此种情况下保护动作后会立即跳开灭磁开关，不会对设备造成损害。因此，对于正常停机和发电机异常保护动作后的停机采用逆变灭磁方式的改进完全可行。

5 华泽电厂4号机灭磁回路改进

5.1 对AVR装置进行封脉冲

将整流器封脉冲由原来的使用开关辅助接点改为使用跳闸继电器辅助接点，在发电机事故停机直接跳灭磁开关的同时对AVR装置进行封脉冲。

在发电机灭磁开关跳闸的同时，利用跳闸继电器的两副接点提供给AVR装置进行封脉冲。

5.2 对程跳逆功率保护出口进行改进

由于汽轮发电机定子过负荷、负序电流过负荷、定子铁芯过励磁、励磁电流下降或消失等异常保护的动作结果都是关闭主汽门，主汽门关闭后由程跳逆功率保护动作于停机，因此在发变组保护里将程跳逆功率保护和其他保护的出口分开，分开的结果是程跳逆功率保护单独使用一个出口继电器，程跳逆功率保护动作后先逆变灭磁，跳主变高压侧开关，延时跳开灭磁开关，SJ的延时设定5 s，以保证逆变灭磁可以成功完成。其他保护出口可以随时跳开灭磁开关。

6 结论

通过分析直流灭磁的原理，可以得出以下结论。

a）将励磁电流迅速转移到灭磁电阻上，是灭磁成功的基本条件。

b）直流灭磁电流转移主要依赖于灭磁开关的灭弧弧压，采取跳灭磁开关灭磁时先封脉冲有利于灭磁电阻回路的电流转移。

c）在发电机事故停机情况下应用跳灭磁开关灭磁有利于故障的迅速消除。

d）正常停机和异常保护动作后的程序跳闸采用逆变灭磁，在逆变不成功造成除异常保护外的其他保护动作时随时可以跳开灭磁开关，有利于延长灭磁开关的使用寿命。

e）该改进方案可行、实用，有利于机组励磁设备的安全运行，值得在同类型机组上推广应用。

M odes Improvement of Generator De-excitation and Sequential Trip

WANG Guo-ren1，SU Bo2，SONG Shu-yong3
（1.Hejin Power Generation Com pany，Hejin，Shanxi 043300，China；2.Shanxi Zhangze Electric Power Co.，Ltd.，Electric Power Technology Research Center，Taiyuan，Shanxi 030006，China；3.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Based on the theory of DC de-excitation,the condition and factors influencing the generator de-exciation are analysed. Combiningwith the reformation example of Huaze Power Plant，the de-excitationmodes after accident shutdown，normal shutdown and abnormality protection action are proposed to be improved.

directcurrentde-excitation;inverting de-exciation；suppressor impulse；sequential trip

TM761+.11

A

1671-0320（2014）04-0056-03

2014-04-11，

2014-05-15

王国仁（1967-），男，山西万荣人，1989年毕业于太原工业大学电力分校发配电专业，工程师，从事电器检修工作；

苏波（1971-），男，山西永济人，1993年毕业于太原电力高等专科学校发配电专业，工程师，从事发电厂技术管理和研究工作；

宋述勇（1971-），男，山西交城人，1995年毕业于武汉大学电力系统自动化专业，硕士研究生，从事电力系统试验与研究工作。