水轮发电机ZnO-SiC混合阀片灭磁电阻研究

盛明珺,胡思宇,刘守豹,陈小明,钟 建

(大唐水电科学技术研究院有限公司,南宁 530007)

0 引言

随着水轮发电机装机容量的不断提高,电磁感应所需的励磁电流也不断加大,发电机组发生故障时的灭磁电流也大大增加,这对建立安全且快速的灭磁系统提出了新的挑战[1-6]。发电机灭磁[7]就是在发电机组的内部发生故障或误操作出现故障时,在转子绝缘允许的情况下,尽快地将发电机转子绕组中励磁电流所产生的磁场减弱到尽可能小的程度。为实现发电机组故障情况下励磁电流的快速降低,现目前常利用灭磁开关的分断特性,采用灭磁电阻进行转子励磁电流的消耗[8-10]。灭磁电阻通常有碳化硅线性电阻、碳化硅非线性电阻、氧化锌非线性电阻3种类型,其中非线性电阻如氧化锌ZnO、碳化硅SiC都是应用比较广泛的灭磁材料[11-15]。

从兼顾缩短灭磁时间、保护主设备两个方面来看,对拥有不同特性的电阻片在设备上的工作状态进行仿真分析是有必要的[16]。现有的对于水轮发电机灭磁电阻选型研究的仿真计算多基于经验公式[17-21],而基于转子铁芯饱和及电阻片差异导致能量吸收不一致等问题的灭磁电阻选型研究相对较少。

为了对水轮发电机灭磁过程中电阻片的状态进行动态分析,考虑转子铁芯饱和对灭磁时间影响,对不同类型灭磁电阻的灭磁性能进行比较,笔者采用电磁暂态分析软件ATP-EMTP[22-23]建立了水轮发电机灭磁仿真模型并开展了灭磁电阻特性及选型研究,对发电机灭磁电阻设计、制造和故障分析具有重要参考价值。

1 水轮发电机及灭磁电阻参数

1.1 水轮发电机参数

本研究试验所涉及到的水轮发电机的参数见表1。

表1 水轮发电机参数表Table 1 Hydrogenerator parameter

此水轮发电机转子单个磁极挂装后的试验数据(平均值)分别为:直流电阻1.73 mΩ,电感4.199 mH(空载励磁电流情况下),电容5 000 pF。

此水轮发电机转子单个磁极挂装后,不同励磁电流下绕组计及铁芯饱和特性的励磁特性曲线见图1。

图1 单个磁极励磁特性曲线Fig.1 Single magnetic pole excitation characteristic curve

1.2 电阻片参数及其伏安特性

为保证发电机组的安全可靠运行,在发生故障时,要尽快减小转子励磁绕组产生的磁场能量,这一过程便是“灭磁”[24]。有文献表明[25-27],非线性电阻的“压敏特性”可以保证在灭磁过程中电阻两端持续存在较高的端电压,以保持电流的快速衰减,从而到达快速灭磁的目的。

发电机组中常采用两种非线性灭磁电阻,分别是非线性碳化硅(以下简称为SiC)、非线性氧化锌(以下简称为ZnO)。这两种电阻片特性如下所述。

φ90 mm的SiC电阻的单片标称能容为15 kJ,单片极限能容大于45 kJ,其伏安特性曲线见图2。

图2 非线性碳化硅电阻片的伏安特性曲线Fig.2 Volt-ampere characteristic curve of non-linear SiC resistor

φ90 mm的ZnO电阻的单片标称能容为20 kJ,单片极限能容大于40 kJ,其伏安特性曲线见图3。

图3 非线性氧化锌电阻片的伏安特性曲线Fig.3 Volt-ampere characteristic curve of non-linear ZnO resistor

由图2与图3中可以得知,ZnO电阻片具有更好的“压敏特性”,随着电流的增大,SiC的电压变化很大,而ZnO的电压变化则很小。因此在相同条件的灭磁过程中,ZnO的电流衰减速度将保持在稳定较快的水平上,而SiC的电流衰减速度则会随着电流的减小而明显变小。

1.3 灭磁电阻单元及仿真电路

水轮发电机中的灭磁单元组常常是由多个灭磁电阻片构成的。灭磁单元组装方式见图4,每个电阻堆均由14个电阻片并联组成。在实际使用中,用多个灭磁单元通过串并联方式实现灭磁的目的。

图4 灭磁电阻堆组装示意图Fig.4 Schematic diagram of demagnetization resistor assembly assembly

发电机灭磁过程仿真模型见图5,其中励磁系统用电流源等效,电流源幅值设置为顶值励磁电流,用电感、电容、电阻等效单个磁极,多个磁极串联形成转子电路。

图5 发电机灭磁过程仿真模型Fig.5 Simulation model of generator de-excitation process

2 非线性氧化锌灭磁电阻特性分析

在ZnO灭磁电阻堆中设置一个异常电阻片,使其电阻或伏安特性比其他电阻片低5%,以考察异常电阻片能量吸收情况。

采用2个ZnO灭磁电阻堆并联结构,分别对空载励磁电流、2.1倍额定励磁电流下的灭磁特性进行分析,并对异常电阻片与正常电阻片在空载励磁电流、2.1倍额定励磁电流下的能量吸收情况进行比较。

空载励磁电流情况下,对应的特性曲线见图6,其灭磁时间为0.67 s,异常电阻片与正常电阻片通过电流差别和能量吸收差异较大。

图6 空载励磁电流下ZnO电阻工作过程变量波形Fig.6 Variable waveforms of ZnO demagnetization resistance under no-load excitation current

2.1倍励磁电流情况下,对应的相关特性曲线见图7,其灭磁时间为0.64 s,异常电阻片与正常电阻片通过电流差别较大,能量吸收差异大。

图7 2.1倍励磁电流下氧化锌灭磁电阻工作过程变量波形Fig.7 Variable waveforms in the working process of ZnO demagnetization resistance at 2.1 times the excitation current

由图6、图7可知,两种电流情况的灭磁过程中ZnO的端电压都不会随着电流大范围变化而变化(图6(b)、图7(b)),它一直是“恒压”的状态,这可以保证励磁电流的消耗速度不会受到电流大小的影响,从而达到快速灭磁的作用。但是ZnO电阻片中异常电阻片与正常电阻片的电流、能量吸收差异较大(图6(c)(d),图7(c)(d)),5%的伏安特性差异会导致数倍的能量吸收差异,当异常电阻片吸收了过多的能量时,极有可能导致由于电阻片过热而导致的系统热崩溃等问题,无法保证发电机组的安全可靠灭磁。由于各ZnO阀片能量的吸收不均,导致电阻片间存在温升差异,这将使部分阀片迅速老化甚至失效[28-29]。因此需要对ZnO电阻片的均流方式进行特殊考虑。

3 一种碳化硅与氧化锌混合的新型灭磁电阻

为了解决单独使用ZnO作为灭磁电阻时,由于电阻片之间的微小差异而导致的某一电阻片能量吸收过多,从而导致的系统热崩溃问题,本研究提出了一种ZnO和SiC电阻片串联组合的混合灭磁电阻。

3.1 混合灭磁电阻的结构参数

ZnO与SiC混合灭磁电阻的结构示意图见图8。

图8 混合电阻片灭磁电阻堆结构示意图Fig.8 Schematic diagram of the structure of the hybrid resistor demagnetization resistor stack

非线性SiC电阻片的伏安特性关系表达式见式(1)[30-31]:

V=KIβ

(1)

式中,V为非线性电阻两端的电压,I为流过非线性电阻的电流,K为非线性电阻位形系数,β为电阻非线性系数。K和β与非线性电阻的体积形状,电阻片的串、并联组合以及材质有关,其典型K和β值见表2。

表2 SiC非线性电阻片典型K和 β值Table 2 Typical K and β values of SiC non-linear resistors

对于20 mm厚阀片,根据生产工艺及组成要求的不同,可使K和β值不同,从而满足不同灭磁情况要求。本研究采用厚度为20 mm,φ90 mm,K为75,β为0.4的SiC电阻片,单片标称能容仍为15 kJ,其伏安特性曲线见图9。

图9 碳化硅电阻片的伏安特性曲线Fig.9 Volt-ampere characteristic curveof SiC resistor

依据图8所示的混合电阻片灭磁电阻堆组合方式,将ZnO电阻片与图9所示特性的SiC电阻片串联,形成的新的单个混合单元的伏安特性曲线,见图10。

图10 单个混合单元的伏安特性曲线Fig.10 The volt-ampere characteristic curve of a single mixing unit

3.2 混合灭磁电阻的电气特性

将3组混合灭磁电阻堆并联,分别在单个混合单元中设置ZnO异常电阻片和SiC异常电阻片,异常电阻片的伏安特性均比正常电阻片低5%。在2.1倍额定励磁电流下,此混合电阻的电气特性见图11,其灭磁时间为0.53 s。

图11 2.1倍额定励磁电流下混合灭磁电阻电量波形Fig.11 Electricity waveform of mixed demagnetization resistance at 2.1 times rated excitation current.

由上文可知,采用ZnO电阻片与SiC电阻片混合串联工作时,即便存在异常电阻片(伏安特性均比正常情况下低5%),由于异常支路电流增加引起的碳化硅电压的升高能够有效防止异常支路电流的持续走高,从而起到均流的作用,最终减小了的异常氧化锌电阻片与正常氧化锌电阻片在能量吸收上的差异。

因此,由氧化锌和碳化硅混合组成的灭磁电阻,在保持快速灭磁性能的同时,能够有效防止因电阻片参数差异导致的能量吸收不均衡而引起的电阻片热崩溃。

4 结论

利用电磁暂态分析软件ATP-EMTP建立了水轮发电机灭磁仿真模型,分析比较了不同类型灭磁电阻的灭磁性能,并针对现有灭磁电阻的优劣势,提出了兼顾灭磁系统安全性与快速性的一种混合灭磁电阻。本研究得到的结论如下:

1)非线性氧化锌电阻灭磁电压比较稳定,因此其电流衰减速度较快,灭磁速度快。但氧化锌电阻片个体参数微小差异将会导致的较大能量吸收差异,这极有可能导致系统的热崩溃等问题。因此,在实际设计制造过程中应在考虑能量吸收限值同时,充分计算因参数不均衡带来的能量吸收问题,并考虑采用熔断隔离装置等保护措施,避免热崩溃等问题的出现。

2)针对单独使用氧化锌电阻片可能会导致的系统热崩溃问题,本研究提出了氧化锌与碳化硅两种灭磁电阻片的结合使用混合灭磁电阻。混合灭磁电阻中碳化硅电阻片在电流增大的情况下的电压快速提升,使得单个混合电阻单元之间的电流自动均流,保证在5%的参数差异情况下确保电阻片能量吸收差异在可承受范围,从而在保证快速灭磁的前提下,实现灭磁的安全可靠。