基于MATLAB的滅磁時間仿真計算

陳靈峰，劉玉玉，李雪強

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺317200）

1 引言

發電機內部故障時（如定子短路），在繼電保護跳開發電機出口開關的同時，還應由發電機滅磁系統把勵磁電流盡快降到零，使得發電機電動勢和短路電流也最快的衰減到零，以實現故障點熄弧，避免事故擴大，減小故障損失。

對于當前的大型同步發電機來說，轉子中儲存的能量較大，且裝設的滅磁開關大多數是移能型而非耗能型開關。因此發電機滅磁通常采用在勵磁回路并聯滅磁電阻的方法，將轉子中的能量轉移到滅磁電阻中得以消耗。其中，滅磁電阻的選擇既有線性電阻又有非線性電阻。

2 滅磁回路動作原理及電壓方程

以某大型抽水蓄能電站機組為例，其滅磁回路如圖1所示。

圖1中，FCB1/2為滅磁開關的常開觸頭，FCB3為滅磁開關的兩副常閉觸頭（并聯連接）。正常運行時，FCB1/2閉合，FCB3斷開，勵磁電流加在轉子上；故障滅磁時，FCB3閉合（它的閉合時間早于FCB1/2的斷開時間），將非線性電阻接入轉子繞組，使得轉子繞組中的能量在非線性電阻中得到消耗。

在滅磁狀態下，其勵磁繞組回路的電壓方程如式（1）所示：

式（1）中，L為轉子電感，H；If為勵磁電流，A；r為轉子電阻，Ω；UR為非線性電阻兩端的電壓，V。

圖1 滅磁回路

3 滅磁電阻的伏安特性

該抽蓄機組的非線性電阻采用英國M&I公司生產的碳化硅滅磁電阻，其型號為600 A/US14/P，共有4組并聯，每組14個閥片并聯。它的單閥片伏安特性表達式如式（2）所示：

式（2）中：V為碳化硅電阻兩端的電壓；I為流過碳化硅電阻的電流；k為碳化硅電阻的位形系數，與碳化硅電阻的體積、形狀、串并聯方式及材質有關；β為非線性系數。

當N片閥片并聯時，其伏安特性表達式為：

結合該抽蓄電站使用的碳化硅滅磁電阻，k=65，β=0.37，N=14×4=56，則

由此，可得到碳化硅非線性電阻的伏安特性，如圖2所示。

圖2 碳化硅非線性電阻伏安特性

4 3種工況下碳化硅非線性電阻滅磁時間特性的仿真計算

該抽蓄機組相關參數如表1所示：

表1 抽蓄機組相關參數

4.1 空載額定勵磁電流工況下的滅磁時間特性

由于現場實際空載額定勵磁電流滅磁試驗時測得的勵磁電流為899.17 A，因此在仿真時亦采用此電流值。

在MATLAB中編寫使用碳化硅滅磁電阻時的勵磁繞組回路電壓方程式的detime1.m文件：

運行該M文件，然后在MATLAB命令行窗口輸入：

得到如圖3所示的空載勵磁電流滅磁時間圖形。

圖3 空載勵磁電流滅磁時間仿真圖

由圖3可知，勵磁電流從899.17 A減小到8.71 A時，經歷的滅磁時間是3.741 s。

根據現場實際試驗，發電機在空載額定電壓狀態下，由繼電保護動作跳滅磁開關時的滅磁波形如圖4所示。

圖4 空載勵磁電流滅磁現場實際錄波

由圖4可知，勵磁電流從899.17 A減小到8.73 A時，經歷的滅磁時間為3.79 s。

由此可見，實際試驗錄波的滅磁時間（3.79 s）與仿真出的滅磁時間（3.741 s）基本吻合。

4.2 額定勵磁電流工況下的滅磁時間特性

由于現場實際額定勵磁電流滅磁試驗時測得的勵磁電流為1 346.1 A，因此在仿真時亦采用此電流值。

方法與上文相同，得到如圖5所示的額定勵磁電流的滅磁時間圖形。

由圖5可知，勵磁電流從1 346.1 A減小到5.785 A，經歷的滅磁時間為4.678 s。

根據現場實際試驗，發電機在100%甩負荷時的滅磁波形如圖6所示。

圖5 額定勵磁電流滅磁時間仿真圖

圖6 額定勵磁電流滅磁現場實際錄波

由圖6可知，勵磁電流從1 346.1 A減小到5.169 A，經歷的滅磁時間為4.716 s。

由此可見，實際試驗錄波的滅磁時間（4.716 s）與仿真出的滅磁時間（4.678 s）基本吻合。

4.3 3種勵磁電流工況下滅磁時間特性仿真比較

如果采用表1中的勵磁電流值，同樣的方法，可以利用MATLAB仿真計算出3種不同勵磁電流時的滅磁時間。

在MATLAB命令行窗口輸入：

于是，得到如圖7所示的滅磁時間圖形。

從圖7可見，滅磁初始時的勵磁電流越大，滅磁所經歷的時間越長。

圖7 3種勵磁電流下的滅磁時間仿真圖

5 線性滅磁電阻與碳化硅滅磁電阻滅磁時間的比較

當滅磁電阻采用線性電阻時，根據《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件》（DL/T583-2006）中4.4.4 b）規定：線性電阻滅磁，電阻值按75℃時轉子電阻的2～3倍選取。因此，本文選取轉子電阻的阻值為0.372 Ω。

編寫使用線性電阻時的勵磁繞組回路電壓方程式的detime4.m文件：

繪制出空載勵磁電流時的滅磁時間如圖8所示。

圖8 不同滅磁電阻的滅磁時間仿真圖

從圖8可知，采用線性電阻時，勵磁電流從899.17 A減小到6.788 A，經歷的滅磁時間為8.604 s；采用碳化硅滅磁電阻時，勵磁電流從899.17 A減小到6.656 A，經歷的滅磁時間為3.783 s。采用碳化硅非線性電阻滅磁明顯比采用線性電阻滅磁的時間要短。

6 結語

根據仿真計算和現場試驗波形數據，滅磁電阻采用碳化硅非線性電阻時，滅磁初始時的勵磁電流越大，滅磁所需的時間越長；在相同初始勵磁電流的情況下，當滅磁電阻采用線性電阻時，其滅磁所需的時間明顯比采用非線性電阻時所需的滅磁時間要長。且如果勵磁電流為額定或2倍額定勵磁電流時，線性電阻滅磁就很可能達不到10 s內滅磁時間的要求。