200MW發電機轉子回路的改進方案探討

云 華 余亞林

（1.石獅清源印染發展有限公司，福建 泉州 362700；2.南海發電一廠有限公司，廣東 佛山 528200）

1 引言

發電機轉子回路采用何種滅磁方式和過電壓保護，關系到發電機定子和轉子的安全[1]。某發電廠200MW發電機轉子回路采用傳統的放電間隙＋過電壓擊穿保險作為轉子過電壓保護，在實際運行中缺陷明顯[2]。本文分析了現有的轉子回路過電壓保護的缺點，并提出了解決方法作進一步的探討。

2 系統概況

2.1 設備參數

某發電廠裝機容量為2×200MW，發電機型號為QFSN-200-2，主要參數：有功功率200MW、額定電壓15750V、額定電流8625A、功率因素0.85、額定勵磁電流1768A、額定勵磁電壓452V、空載勵磁電流668A（#2機600A）、空載勵磁電壓137V，發電機轉子繞組以及鐵心均采用“B”級絕緣材料。

自動滅磁開關型號為DM 2-2500/60、額定電壓500V、額定電流2500A；滅磁電阻組由7個型號為ZX 9-2/4的電阻器組成，單個電阻器的額定電壓660V、額定功率4.6kW、電阻值0.14?；過電壓擊穿保險的型號為RN2-10/5。

2.2 勵磁系統運行方式

發電機正常運行時，由永磁付勵磁機作電源，經自動勵磁調節裝置供給主勵磁機磁場電流，主勵磁機定子電流經整流裝置整流后供給發電機轉子磁場電流。

2.3 現接線圖（見圖1）

圖1 現有的發電機勵磁回路接線圖

3 存在的問題

（1）DM 2型滅磁開關（MK）在操作分合閘時，由于功能限制，不能可靠的切斷＜600A的轉子勵磁電流且滅磁時間長，給正常的停機操作帶來了不便。

（2）自兩臺機組投運以來，多次發生轉子回路過電壓擊穿保險熔斷的現象，發電機轉子回路過電壓已經直接威脅到轉子的絕緣，表1統計了轉子過電壓回路擊穿保險在過去的3年中熔斷的情況。

（3）轉子過電壓保護采用放電間隙＋過電壓擊穿保險，當過電壓擊穿保險熔斷后，不能目測到其熔斷情況，有可能因為檢查疏漏而導致轉子無過壓保護運行。

（4）從接線圖1中可以看出，發電機轉子過電壓保護僅是對發電機轉子保護，當滅磁開關（MK）跳閘后硅整流回路的保護就沒有了。

（5）采用放電間隙＋過電壓擊穿保險有一致命的問題，就是這種間隙長期帶有電壓，極易老化而引起自燃，這在某廠6kV的高電壓開關上發生過多起自燃事故[3]。

表1 近幾年發電機轉子回路過電壓擊穿保險熔斷器統計

4 原因分析

（1）滅磁開關（MK）DM 2-2500/60型。由于設計不盡合理，對小電流滅弧能力比較差，在轉子電流＜600A時該滅磁開關不能可靠滅弧，滅磁時間長是由于線性電阻不能象非線性電阻那樣呈指數形式快速吸收電場能的原因。

（2）通過圖1和表1分析發現，擊穿保險熔斷的現象都發生在解列滅磁保護（包括全停，下同）動作的情況下，保護動作于解列滅磁時，為了保證發電機的安全，在發電機主開關動作用于跳閘的同時，為了第一時間切斷勵磁電流，滅磁開關必須同時動作于跳閘，由于發電機轉子回路儲存電埸能量以及電感回路電流不能突變的原因，必然在轉子回路上產生過電壓。

（3）在圖1中，勵磁回路是采用線性電阻來滅磁的。實際生產過程中，解列滅磁和全停時，轉子都貯存了很大的磁場能量，而線性電阻不能在足夠短的時間內吸收這些能量，因此，這些能量在短時間的轉換過程中易產生高電壓而直接威脅轉子絕緣。

（4）另外，過電壓擊穿保險管是密封的，熔絲熔斷與否是不能在外觀上分辨的，必須取下保險管用儀表測量才可以確定。因此在沒有即時發現時，易造成發電機在沒有勵磁保護狀態下運行，從而造成嚴重的轉子絕緣擊穿事故隱患。

（5）從圖1中可以看出，放電間隙是與滅磁電阻串聯后與發電機轉子并聯的，在機組運行過程中長期帶有電壓，且這種間隙是密封性間隙，外有厚實的絕緣材料包裹，散熱效果不理想，因此容易因散熱不及時而自燃。

5 改進方案

（1）采用自20世紀90年代以來在電力系統各大發電廠使用比較穩定的產品DM 4-2500/2型滅磁開關（MK）代替原DM 2-2500/60型滅磁開關（MK）。這種DM 4型滅磁開關（MK）經電力系統各大電廠使用，性能比較穩定，且在小電流（＜600A）情況下的滅弧效果較好。這種滅磁開關具有以下優點：①機械性能穩方面，定可靠，維護量小、檢修方便；②電氣性能方面，由于采用了雙斷口滅弧，滅弧能力強，在轉子電流小于600A時也能可靠滅??；③開關合閘性能方面，由于采用了雙合閘線圈，合閘力矩大，分、合閘動作可靠。

（2）使用非線性氧化鋅電阻ZnO(FR1)代替原線性電阻，見圖2。在正常運行時，由于FR1回路串有反相二極管，回路中只有很小的漏電流。當滅磁開關跳閘時，勵磁線圈產生的磁場能量將通過二極管和FR1回路，在有良好的非線性特性電阻FR1迅速消耗，達到迅速滅磁的目的。從而使發電機轉子電壓被牢牢地限制在安全范圍內，有效地保護了發電機轉子勵磁線圈的絕緣安全。

（3）用高性能氧化鋅電阻ZnO(FR2)代替原間隙過電壓保護器，正常運行時，接入回路中的FR2，FR3共同對勵磁回路過電壓起保護作用。且U勵磁＜500V，電阻FR2，FR3只有很小的漏電流，并不影響機組的正常運行。當高電壓侵入勵磁回路時，由于FR2，FR3良好的非線性特性，很快地將高電壓電場能吸收，從而避免了轉子過電壓的侵害。同時也克服了間隙因長期帶電和散熱不良引起自燃的潛在危險。

（4）通過增加FR3，也有了勵磁回路電源側過電壓保護。FR3接在勵磁回路中，在滅磁開關跳閘時，電源側線路電感貯存的埸能將迅速消耗在FR3上，從而保護了勵磁回路電源側設備免受過電壓損害，克服了原回路勵磁回路電源側沒有保護的弊端。

圖2 改進方案的發電機勵磁回路接線圖

6 技術分析

（1）高能ZnO電阻的伏-安特性如圖3所示。

圖3 高能ZnO電阻伏-安特性圖

由伏-安特性曲線可見，非線性ZnO電阻，在截止區：只有很小的漏電流I漏；在導通區：電流隨電壓的上升迅速呈指數增加，具有很顯著的非線性特性；由此可見高能ZnO電阻電壓的恒穩定性很好。在發電機轉子滅磁時，FR1能將勵磁回路中的電場能迅速被吸收，從而使回路兩端電壓保持在設定的電壓范圍內。

（2）同樣由伏-安特性曲線可知，在任何情況下有高電壓侵入勵磁回路時，FR2，FR3中通過的電流必將隨勵磁回路兩端的電壓升高而增大，但是，由于高能ZnO電阻具有優良的非線性特性，勵磁回路兩端電壓將很快被限制在設定的電壓范圍內而恢復正常運行，避免了高電壓的影響。

（3）高能ZnO電阻FR1應有足夠的能量裕度，以保證發電機轉子不會因為部分ZnO閥片損壞而致整個高能ZnO電阻損壞。為防止ZnO閥片擊穿或損壞時造成發電機勵磁回路短路，每一ZnO電阻支路均串有一只快熔保險。在ZnO電阻閥片擊穿或損壞時，該保險迅速熔斷，使該支路退出運行；另外，發電機事故滅磁及轉子過電壓時，該保險也可能熔斷。如高能ZnO電阻FR1沒有足夠的能量裕度，且上述保險損壞沒有及時發現，則不能保證可靠滅磁。因此這種高能ZnO電阻的能量裕度一般都選擇很大，即使在小于50%支路退出運行的情況下仍不會影響裝置的正常工作。另外還有一組導通電壓較其他組高的ZnO電阻不加熔斷器，這樣就可以確保整個裝置無開路現象。

高能ZnO電阻接線圖如圖4所示。

圖4 高能ZnO電阻接線圖

（4）高能ZnO電阻作為滅磁能量的吸收元件，其主要的技術參數如表2所示。

表2 ZnO電阻的主要技術參數

從以上數據可以看出，ZnO電阻的能容量大，通流性能好，脈沖響應時間短，可以起到快速滅磁的作用。

7 結論

通過原有的設計回路和設備選型與改進方案的設計回路和設備選型的對比，我們可以發現在發電機原有勵磁回路加裝高能ZnO電阻過電壓保護裝置以及更換DM 4型滅磁開關優點是：①勵磁回路切斷勵磁電流的適應范圍擴大了，不再受不能直接切斷小于600A勵磁電流的限制；②勵磁回路滅磁的穩定性提高了，高能ZnO非線性電阻能有效地吸收各種工況下轉子繞組能量，能有效地實現理想快速滅磁；③勵磁回路過電壓保護的可靠性提高了，對提高發電機轉子絕緣的安全可靠性有實質性的幫助。目前電力行業內已有許多機組采用高性能ZnO電阻作為轉子滅磁電阻和過電壓保護，實用效果顯著，國內已有數家廠家生產ZnO快速滅磁及過電壓保護裝置，在技術上已經趨于成熟，在實際應用上也積累了相當的經驗，我廠應根據機組具體情況和要求進行選擇。

[1] 黃其勵主編. 電力工程師手冊(第一版)[M]. 北京:中國電力出版社,2002.

[2] 安徽凱立科技集團主編. 同步發電機轉子滅磁及過電壓其保護裝置(第三版)[M].合肥,2001.

[3] 云華.真空斷路器阻容吸收器自然原因分析與處理[J].東北電力技術,(總第263期).