非線性滅磁電阻測試系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

吳跨宇，陳新琪，盧嘉華，熊鴻韜

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

非線性滅磁電阻測試系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

吳跨宇，陳新琪，盧嘉華，熊鴻韜

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

在介紹非線性滅磁電阻的應(yīng)用及其性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析并提出了需要測試的非線性滅磁電阻特性和參數(shù)項(xiàng)目，以及可在實(shí)驗(yàn)室對滅磁電阻性能作常規(guī)測試和綜合評估的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)對非線性滅磁電阻主要參數(shù)的測試方法、后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)和主要參數(shù)。

非線性電阻；滅磁；測試系統(tǒng)；SiC；ZnO；設(shè)計(jì)

0 引言

非線性滅磁電阻具有快速滅磁性能，目前在采用自并勵勵磁的大型機(jī)組中普遍采用移能型直流滅磁開關(guān)加非線性滅磁電阻的配置方式。然而目前還缺乏統(tǒng)一的滅磁電阻性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有適用于實(shí)驗(yàn)室的檢測方法和評判標(biāo)準(zhǔn)。

滅磁電阻工作的特點(diǎn)是在短時間內(nèi)消耗大量能量，以往通常是通過超大型電感儲能換流的方式向滅磁電阻注入能量，來對滅磁電阻進(jìn)行試驗(yàn)[1]。雖然這種方式模擬了發(fā)電機(jī)滅磁時的真實(shí)電流衰減過程，但是對測試裝置的要求非常高，尤其是超大型電感不僅造價(jià)高昂，而且維護(hù)要求也非常高，只適用于滅磁電阻的型式試驗(yàn)和批量出廠檢測。對已投運(yùn)的滅磁電阻，在檢修時沒有科學(xué)、便利和有效的方法來進(jìn)行檢測，運(yùn)行和檢修人員無法掌握其性能狀態(tài)，給發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。因此，開發(fā)一套能在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行滅磁電阻各項(xiàng)性能和參數(shù)測試的系統(tǒng)，為投運(yùn)電阻提供常規(guī)檢測和性能評估顯得尤為必要。

1 滅磁電阻主要性能參數(shù)

1.1 滅磁電阻的接線方式

滅磁電阻可分為線性電阻與非線性電阻，而非線性電阻主要有碳化硅SiC和氧化鋅ZnO兩種[2]。

SiC和ZnO非線性電阻一般都采用單閥片電阻經(jīng)過串/并聯(lián)后組成滅磁電阻組件，然后再通過串/并聯(lián)將組件組成一整套滅磁電阻。具體的串/并聯(lián)方式主要取決于滅磁時滅磁電阻兩端的電壓、滅磁能量和最大滅磁電流。

1.2 滅磁電阻V-I特性

在600 MW級汽輪發(fā)電機(jī)上典型應(yīng)用的滅磁電阻有以下3類：

（1）采用線性電阻的，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]要求，取轉(zhuǎn)子繞組電阻的2~3倍，較常用的電阻值為0.1~0.3 Ω。

（2）碳化硅SiC滅磁電阻大多采用M&I公司產(chǎn)品。能容量1.1 MJ，5組并聯(lián)容量5 MJ，5組件并聯(lián)整組非線性V-I特性為[4]

當(dāng)滅磁電流為5 000 A和1 000 A時，折合電阻分別約為0.11 Ω和0.29 Ω。

（3）氧化鋅ZnO滅磁電阻多采用國產(chǎn)產(chǎn)品，典型單電阻閥片能容量100 kJ，整組額定容量5.4 MJ[4]，整組典型非線性V-I特性為

當(dāng)滅磁電流為5 000 A和1 000 A時，折合電阻分別約為0.21 Ω和0.999 Ω。

以上3種電阻的V-I特性和不同電流下的等效電阻值分別如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可見，線性電阻的伏安特性和電阻與電流的關(guān)系都是直線，電壓與電流成線性關(guān)系。SiC非線性電阻隨著電流的升高其電壓也逐漸升高，但是特性較軟。ZnO滅磁電阻特性較硬，電流變化對電壓的影響不大。正是由于非線性電阻可以用大電流提供較小的等效滅磁電阻，即限制最大滅磁電壓，從而防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在滅磁時過電壓，也非常有利于滅磁開關(guān)的成功換流，而在滅磁過程的后期能提供更高的滅磁電壓，即圖3中更大的等效滅磁電阻值，因此在保證安全可靠的前提下，其滅磁速度明顯快于線性電阻[5]。

圖1 線性電阻、SiC電阻和ZnO電阻伏安特性

圖2 線性電阻、SiC電阻和ZnO電阻等效電阻

圖3 測試系統(tǒng)硬件框架

非線性電阻的V-I特性能反應(yīng)出電阻組件的自身特性及其變化，通過檢查V－I特性，就可以判斷電阻模塊物理特性的變化，從而輔助判斷滅磁電阻的性能狀態(tài)。通過多組件V－I特性對比，可以計(jì)算出整組滅磁電阻的均流及均能水平，間接計(jì)算出實(shí)際可用能容量。

1.3 滅磁電阻能容量

在發(fā)電機(jī)滅磁過程中，滅磁電阻將消耗掉大部分儲存在轉(zhuǎn)子繞組中的磁場能量[5]，尤其在空載誤強(qiáng)勵和出口三相短路工況下滅磁時，滅磁電阻消耗的轉(zhuǎn)子儲能非常大，例如600 MW級機(jī)組通常將消耗約3 MJ[6]。滅磁過程中，一旦滅磁電阻消耗的能量超過其能容量，很容易引起滅磁電阻損毀，甚至事故擴(kuò)大。因此，檢查滅磁電阻的實(shí)際能容量和標(biāo)稱能容量是否一致，計(jì)算整套滅磁電阻能容量的實(shí)際冗余度，進(jìn)而判斷其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嚴(yán)重工況下的滅磁要求非常有意義。

1.4 滅磁電阻均流、均溫系數(shù)

滅磁電阻組件是由若干片電阻閥片通過串/并聯(lián)連接組裝而成，而整組的滅磁電阻又是由多個滅磁電阻組件串/并聯(lián)而成（一般采用并聯(lián)方式）。由于各電阻組件的V－I特性也有差異，在相同的端電壓下，并聯(lián)電阻組件以及組件內(nèi)的并聯(lián)閥片之間將流過不同的電流。為此對均流系數(shù)KI定義如下∶

式中：Iaverage為支路平均電流；Imax為最大支路電流。

當(dāng)并聯(lián)電阻組件之間流過的電流不同時，均流系數(shù)小于1。由于并聯(lián)組件間端電壓相同，流過不同電流并經(jīng)過時間積累后，導(dǎo)致各電阻組件消耗的能量出現(xiàn)差異，在基本相同的材料比熱系數(shù)下，將出現(xiàn)溫升的差別。而每一種滅磁電阻都有其最大允許溫度，若均流系數(shù)過小，將導(dǎo)致某幾個組件消耗過多的能量，出現(xiàn)因溫升過大突破允許最大溫度而導(dǎo)致電阻損壞等情況的發(fā)生。因此，常采用均能和均溫系數(shù)來描述其能量和溫升的不平衡程度。

均能系數(shù)KW定義為

式中：Waverage為支路平均能耗；Wmax為最大支路能耗。

均溫系數(shù)KT定義為

式中：Taverage為支路平均溫升；Tmax為最大支路溫升。

通過檢測成套滅磁電阻中的各并聯(lián)組件間的均流系數(shù)、均能系數(shù)和均溫系數(shù)，可以檢查滅磁電阻設(shè)計(jì)和工程匹配過程是否合理，計(jì)算成套滅磁電阻實(shí)際可用能容量。

由于滅磁電阻組件是多片滅磁電阻閥片串/并聯(lián)而成，其連接方式多為中間金屬薄片壓接，一般難以測量單片電流。因此，均流和均能系數(shù)多通過組件間的測量計(jì)算，而單組件內(nèi)部可直接采用紅外成像儀測溫來檢查組件內(nèi)的溫度分布，間接檢查其均能情況。

1.5 ZnO電阻壓敏電壓、殘壓比與泄漏電流

ZnO電阻的V－I特性較硬即非線性系數(shù)非常小，V－I特性會在設(shè)計(jì)電壓值附近出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，可以用壓敏電壓、殘壓比與泄漏電流3個參數(shù)來反應(yīng)ZnO電阻的特性。

壓敏電壓是指非線性電阻流過一定電流時（對于ZnO一般為10 mA），電阻兩端的電壓U10mA。一般來說，經(jīng)過能量沖擊或經(jīng)過長期運(yùn)行的ZnO電阻，其壓敏電壓變化率應(yīng)不大于10%。

殘壓比是指非線性電阻在通過規(guī)定大小電流時，其兩端的電壓和壓敏電壓的比值。對于ZnO則是指在100 A電流時的端電壓與U10mA的比值。一般來說，ZnO電阻的殘壓比應(yīng)小于1.4。

泄漏電流是指在非線性電阻兩端施加0.5U10mA電壓時流過電阻片的電流。ZnO電阻閥片的泄漏電流一般應(yīng)小于100 μA。

2 測試系統(tǒng)功能要求與設(shè)計(jì)

2.1 測試系統(tǒng)功能與硬件框架

非線性滅磁電阻測試系統(tǒng)的目的是通過檢查新投運(yùn)的非線性電阻和已投運(yùn)滅磁電阻的特性及其歷史數(shù)據(jù)，對滅磁電阻進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和狀態(tài)評價(jià)，得出其是否可以投運(yùn)或繼續(xù)運(yùn)行的結(jié)論，應(yīng)該包含所有上述特性參數(shù)的測試能力和數(shù)據(jù)分析功能。系統(tǒng)要測試非線性電阻的參數(shù)，首先要對單組或多組電阻施加電壓和電流，且施加的電壓與電流可以根據(jù)測試項(xiàng)目與參數(shù)的要求進(jìn)行控制。因此，測試系統(tǒng)必須采用三相全控整流橋作為被測電阻的電源。

由于SiC擊穿后一般成開路狀態(tài)，因此單組件SiC可以采用多閥片直接并聯(lián)，閥片數(shù)越多越節(jié)省安裝空間，但是單組件電流會大大增加。因此，在對SiC進(jìn)行測試時，具有單組件電壓不高但電流較大的特點(diǎn)。而ZnO電阻擊穿后一般成短路狀態(tài)，因此單組件需要有串聯(lián)快熔作保護(hù)[2]，同時，其單組件中的并聯(lián)閥片數(shù)量有限制，且ZnO特性較硬，因此對ZnO組件測試時有電壓較高、電流較小的特點(diǎn)。可見測試系統(tǒng)需要滿足2種不同性質(zhì)電阻的測試，如采用同一個整流橋交流電源，由于容量限制，將難以同時滿足最大電壓、電流和控制、測試精度的要求。因此整流橋高壓側(cè)采用三繞組變壓器提供電源，變壓器一次側(cè)繞組接三相380 V普通工業(yè)電源，二次側(cè)分為高壓線圈和低壓線圈，可分別滿足SiC和ZnO的測試電壓要求。采用三繞組升壓變壓器可以根據(jù)測試需要分別輸出設(shè)計(jì)電壓，但由于三相全控整流橋運(yùn)行時，尤其是輸出電壓較小時會產(chǎn)生大量諧波，將對電源側(cè)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，采用隔離變壓器可以在一定程度上削弱諧波對電網(wǎng)的影響。而整流橋和測試回路一旦發(fā)生短路，由于隔離變壓器具有一定的短路阻抗，可以起到限制短路電流的作用，有利于斷路器切斷短路電流、隔離短路點(diǎn)，從而大大提高測試系統(tǒng)的安全性。測試系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

2.2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 測試系統(tǒng)電功率

進(jìn)行能容量測試項(xiàng)目時，測試系統(tǒng)將輸出最大功率。受三相供電電源容量限制，測試系統(tǒng)最大輸出功率限定為300 kVA。

SiC滅磁電阻的典型單組V-I特性為

取直流側(cè)最大輸出電壓為500 V，則對應(yīng)單組電流約為750 A。

綜合考慮滅磁速度、滅磁開關(guān)弧壓水平和機(jī)組滅磁電流等參數(shù)，目前ZnO滅磁電阻廣泛采用的滅磁電壓設(shè)計(jì)值一般為800~1 200 V。考慮到機(jī)組的大型化發(fā)展趨勢，測試系統(tǒng)取最大直流輸出電壓1 600 V，最大測試電流200 A。

由于大容量的隔離變壓器和可控硅全控整流橋成本較高，且能量測試時需模擬發(fā)電機(jī)滅磁過程，因此，測試系統(tǒng)多采用短時間能量注入方式。取測試系統(tǒng)在最大輸出功率下的持續(xù)工作時間為10 s，對應(yīng)的SiC和ZnO能量測試最大值均為約3 MJ，可有效降低對隔離變壓器容量和整流橋散熱能力的要求。

三繞組變壓器一次側(cè)接入三相380 V供電電壓，二次側(cè)繞組1的額定電壓為460 V，輸出電流能力較大，用于SiC測試。以最小觸發(fā)角15°考慮，整流橋在電阻性負(fù)載下，最大空載輸出平均電壓

考慮整流橋換向壓降后，其最大直流電壓輸出能力可以滿足前述最大輸出電壓500 V的設(shè)計(jì)要求。

二次側(cè)繞組2的額定電壓為1 380 V，輸出電流能力受一次繞組容量限制而較小，用于ZnO測試。以最小觸發(fā)角15°考慮，最大空載輸出平均電壓為

考慮整流橋換向壓降后，其最大直流電壓輸出能力可以滿足前述最大輸出電壓1 600 V的設(shè)計(jì)要求。

對ZnO電阻的壓敏電壓、殘壓比與泄漏電流測試，由于其測試功率非常小，且測試電流為毫安和微安級，因此從測量精度和測試安全性考慮，采用普通220 V民用電源供電的獨(dú)立儀器。

2.2.2 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量

為滿足均流、均能和均溫測試要求，整流橋輸出后分為5個測試支路，可以同時接入5組滅磁電阻進(jìn)行測試。測試系統(tǒng)測量輸出直流電壓和整流橋輸出電流作為測試工況控制的反饋量。通過測試各分支電流和直流電壓，來提供均流、均能等參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在均溫測試過程中，考慮到熱電偶等傳統(tǒng)傳感器對接線、安裝要求非常高，在常規(guī)的測試過程中易產(chǎn)生較大誤差，宜采用紅外成像儀對被測電阻進(jìn)行全方位紅外成像測溫。因此，均溫系數(shù)通過紅外成像儀配套軟件以手動計(jì)算完成。

2.2.3 測試系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)峰值功率大于300 kW，最高輸出電壓可以超過1 600 V，最高輸出電流為750 A。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測試系統(tǒng)歸類于高壓設(shè)備，因此測試系統(tǒng)的安全性尤其是其本身的電氣安全性非常重要。

設(shè)變壓器阻抗為4%，變壓器繞組額定電流以相應(yīng)的直流側(cè)設(shè)計(jì)值計(jì)算，變壓器二次側(cè)低壓繞組直接短路時的短路電流為

變壓器二次側(cè)高壓繞組直接短路時的短路電流為

變壓器一次側(cè)采用三相交流斷路器，其最大電流開斷能力為35 kA，帶過流脫扣功能，完全滿足切斷變壓器任意二次側(cè)或整流橋三相短路時的短路電流要求，可保證測試系統(tǒng)、被試品和工作人員的安全。

整流橋交流側(cè)配置二極管整流阻斷式阻容保護(hù)，用于抑制可控硅的換向過電壓。同時，并聯(lián)接線的壓敏電阻可以起到防止交流側(cè)操作過電壓的作用。

在充分考慮冷卻要求的基礎(chǔ)上，整流橋配置了溫度監(jiān)視功能，可控硅配備測溫元件，當(dāng)溫度超過允許值時可以根據(jù)不同的定值動作于報(bào)警和跳閘，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。同時，每個可控硅元件均串聯(lián)快速溶斷器，用于短路過電流時保護(hù)可控硅和故障時隔離已受損可控硅。

輸出直流回路的平波電抗器對輸出電流進(jìn)行平滑，配置過電壓抑制系統(tǒng)，配備過流監(jiān)視，起到過電壓和過電流保護(hù)的作用。

2.3 測試系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.3.1 電流/電壓控制

根據(jù)ZnO電阻的V－I特性，在正常工作電流段的曲線非常平直，即在V－I特性拐點(diǎn)以上部分，電流對電壓的變化非常敏感。因此，測試系統(tǒng)需要具備非常快速和精準(zhǔn)的控制能力才能達(dá)到規(guī)定工況點(diǎn)的測試要求。如果電流反饋控制速度過慢，控制過程中不可避免有超調(diào)電壓，將導(dǎo)致電流快速增加，直至突破電阻和裝置的允許電流限制值。

2.3.2 精確的能量估算

在V－I特性等項(xiàng)目的測試過程中，由于測試裝置是由電力電子整流橋構(gòu)成的，不同于實(shí)際滅磁時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大電感的衰減特性，其輸出電壓和電流為含300 Hz交變鋸齒波分量的直流量。在采樣率確定的情況下，需通過增加測試時間來獲得更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。而單組件尤其是ZnO組件的額定能容量很小，一旦測試過程注入能量超過允許值，易導(dǎo)致電阻組件損壞。由于測試采用電壓電流衰減方式，能量預(yù)估基于制造廠提供的電阻典型非線性參數(shù)，因此控制預(yù)設(shè)誤差的難度較大。同時，在額定能量沖擊試驗(yàn)時，需要嚴(yán)格控制注入能量不大于額定值，因此，準(zhǔn)確的電壓、電流檢測，功率、能量計(jì)算，以及相應(yīng)的限制保護(hù)功能之間的合理配合非常重要。

3 結(jié)語

在研究分析SiC和ZnO這2種非線性滅磁電阻的性能特點(diǎn)和主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了滅磁電阻測試系統(tǒng)應(yīng)該具備的測試功能和對滅磁電阻的測試方法及其安全性設(shè)計(jì)。

根據(jù)數(shù)據(jù)測試和后續(xù)數(shù)據(jù)分析與性能評估的需要，綜合考慮普通實(shí)驗(yàn)室供電電源的限制，通過主回路參數(shù)計(jì)算驗(yàn)證的方法，設(shè)計(jì)了非線性滅磁電阻測試系統(tǒng)的主要架構(gòu)，提出了測試系統(tǒng)的關(guān)鍵電氣參數(shù)。本文提出的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)和滅磁電阻測試方法，可供從事發(fā)電廠勵磁專業(yè)、滅磁電阻制造商和研究測試人員參考。

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（本文編輯：龔皓）

Research on Development and Application of Non-linear De-excitation Resistors Test Equipment

WU Kua-yu，CHEN Xin-qi，LU Jia-hua，XIONG Hong-tao
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

On the basis of introducing application of non-linear de-excitation resistor and its performance parameters，the paper analyzes and proposes characteristics and parameters of non-linear de-excitation resistor that need to be tested as well as design scheme of test equipment for general test and comprehensive evaluation on de-excitation resistor performance that can be conducted in laboratory.The paper particularly investigates test method，data analysis and processing of main parameters of non-linear de-excitation resistor，and it devises hardware framework and main parameters of the test equipment.

non-linear resistor；de-excitation；test equipment；SiC；ZnO；design

TM542

：A

：1007-1881（2013）08-0009-05

2102-12-06

吳跨宇（1979－），男，浙江蕭山人，高級工程師，碩士，從事發(fā)電機(jī)勵磁和電力系統(tǒng)分析工作。