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三峡励磁系统交直流灭磁原理分析

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三峡励磁系统交直流灭磁原理分析
陈小明，胡先洪
（三峡水力发电厂，湖北宜昌市三峡坝区，443113）
【摘要】本文在介绍直流灭磁和交流灭磁的原理基础上，分析了整流器触发脉冲在交流灭磁过程中作用以及三峡电厂的西门子励磁系统交直流灭磁原理，在讨论交直流灭磁系统可靠性等问题中，给出了使用交流灭磁开关的几点建议。
【关键词】三峡电厂，西门子励磁，磁场断路器，真空断路器，交流灭磁。

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1 引言
为了实现同步发电机快速安全灭磁，目前国内外广泛采用磁场断路器配合灭磁电阻的放电灭磁方式（也称并联灭磁），三峡电厂也是如此。磁场断路器迅速切断发电机励磁绕组与励磁电源的通路，同时将发电机的励磁电流转移到灭磁电阻中，灭磁电阻消耗磁场能量。
过去和目前，磁场断路器大都串联在励磁直流回路中，采用的是直流灭磁开关及其直流灭磁技术。随着励磁容量的不断增大，现有直流灭磁开关的选择也越来越困难。现在，磁场断路器也已经开始串联在励磁整流电源的交流侧，采用交流开关以及交流灭磁技术。
为了保证特大型机组的灭磁安全，三峡电厂的西门子THYRIPOL励磁装置采用交直流灭磁开关双重灭磁方式。分析三峡电厂交直流灭磁原理，有利于我们学习和借鉴西门子励磁装置之灭磁技术。
2 直流灭磁原理分析
直流灭磁是指跳开励磁整流器直流侧灭磁开关的灭磁。对于采用放电灭磁方式的励磁系统来说，灭磁的首要任务是将灭磁电阻并联在转子两端，然后跳开灭磁开关进行换流，即将发电机的励磁电流转移到灭磁电阻中。换流成功就意味着灭磁基本成功。如果换流失败，放电灭磁就变成单纯的开关灭磁(也称串联灭磁)，此时的灭磁开关不仅要承担断流的任务，还要承担消耗磁场能量的任务。
在发电机励磁回路中，灭磁时由三个电压量组成了一个灭磁回路：励磁整流器LP的整流电压Ud、灭磁开关MK的灭磁弧压Uk、灭磁电阻Rm的灭磁电压Um，如图1所示。
If
MK
-1
-1
+1

F

Uk

Um
Ud
Rm

A
Ik
Im
+1
B
C
LP

图1 发电机灭磁回路原理图

Um是Rm流过灭磁电流Im时的电压降，对于非线性电阻来说就是其残压。所谓换流成功，是指Im=If，Ik=0。只有当磁场断路器的开断弧压Uk与励磁整流电源电压Ud之和大于或等于灭磁电阻电压Um时，励磁电流才能保证换流成功，即成功换流条件是公式（1）。
Uk ± Ud ≥ Um （1）
灭磁过程中，Uk和Um的电压极性是是固定不变的，如图1所示，而三相全控桥的输出电压Ud的极性是可以变化的，整流为正，逆变为负。
当励磁整流装置在灭磁时处于整流状态，比如处于强励状态时，图1中Ud的极性正，成功换流条件简化为公式（2），此时，需要Uk值很高。一旦Uk值达不到要求且灭磁开关的灭弧能力又不够时，就会发生换流失败，造成灭磁开关损坏等事故。
Uk － Ud ≥ Um （2）
当励磁整流装置在灭磁时处于逆变状态，比如跳灭磁开关前先逆变灭磁，图1中Ud的极性是负，成功换流条件简化为公式（3），此时，需要Uk值不高，换流条件很容易满足，灭磁安全可靠。
Uk ＋ Ud ≥ Um （3）
当励磁整流装置在灭磁时处于颠覆状态，此时整流器输出交流电压，图1中Ud的极性是交变的，成功换流条件如公式（1）。交流正半波不利于换流，而负半波有利于换流，交流灭磁正是利用负半波有利于换流的原理来灭磁的。
3 交流灭磁原理分析
交流灭磁是指跳开励磁整流器交流侧灭磁开关的灭磁，如同直流灭磁一样，交流灭磁的主要任务也是换流。为了满足成功换流条件公式（1），灭磁时励磁整流装置应处于颠覆状态，而使整流器颠覆的主要措施就是切除脉冲。因此分析交流灭磁原理，要同灭磁时触发脉冲的状态结合起来分析。
3．1 交流灭磁时脉冲正常
在发电机交流励磁回路中，三相灭磁开关MK串联在励磁变的低压侧回路中，MKa、MKb、MKc是MK的三个断口，如图2所示。
MK
+C
+A
+B
If

MKa
MKb
Ia

MKc
Ic
Ib
Rm

LB
-C
-B
-A
Im

励磁变

图2 发电机交流灭磁回路原理图
由于三相全控桥的可控硅是按照正负组轮流导通的，每一时刻只有两个可控硅导通，这样，流过MK三相断口的电流除了在可控硅换向期间外，任何时刻只有两相通流，图3是三峡电厂某机组励磁变低压侧电流的实测波形。

图3 励磁变低压侧电流波形图
假如在＋A和－C可控硅导通时进行交流灭磁，即此时跳开MK，因Ib＝0，灭磁开关断口MKb轻松开断。由于在脉冲正常情况下跳MK，触发脉冲每隔3.3ms按照如下顺序施加于6只可控硅：＋A、－C、＋B、－A、＋C、－B。现在＋A和－C两管已经触发导通，在转子电感的续流作用下，励磁电流If继续通过这两个可控硅以及励磁变AC两相，使得开关断口MKa和MKc不能关断熄弧，Ia＝－Ic。接下来＋B可控硅被触发，但是此时B相阳极电源已经断开，故+B可控硅不能导通，电流仍经＋A和－C流通；再过3.3ms－A被触发，这时－A的阳极电压已转为正向，故－A导通，－C截止；励磁电流If经－A及＋A短路续流，Ia＝Ic＝0， MKa和MKc熄弧开断。由于－A和＋A可控硅导通压降很小，与之并联的灭磁电阻无法投入灭磁，Im＝0。因转子回路时间常数很大，故If衰减缓慢，灭磁时间很长，起不到快速灭磁的保护作用。
综上所述，在不影响脉冲正常的条件下进行交流灭磁，会造成励磁电流经同相可控硅短路，尽管交流灭磁开关也可以轻松分断，但灭磁电阻无法投入工作，放电灭磁变为续流灭磁，达不到快速灭磁的目的。
3．2 交流灭磁时脉冲切除
励磁整流装置在运行中不跳灭磁开关只切除其脉冲，会因整流器颠覆而引起续流灭磁。比如在图2中，假如在＋A和－C可控硅导通时切除其触发脉冲，原来截止的其它四只可控硅不再导通，已经导通的＋A和－C在转子电感的作用下继续导通，此时可以将MKa、MKc、＋A、－C视为短接，励磁变Uac电压直接进入发电机励磁绕组，励磁电压Uf变为交流波，If衰减缓慢，如图4所示。整个发电机交流灭磁回路可以等效为一个交流电压源和一个直流电流源串联。

MKa
＋A
Uf
If

t

Rm
Uac

Um
MKc
Im

-C

图4 发电机交流灭磁等效回路原理图
如果在可控硅触发脉冲切除的情况下灭磁，即先切除脉冲再跳灭磁开关，无论是跳交流灭磁开关还是直流灭磁开关，其灭磁等效灭磁回路基本同图4，只是灭磁开关的位置和状态发生了变化。当灭磁开关分断且灭磁电阻投入时，如图4中虚线所示。一旦Uf的负电压大于Rm残压，满足换流条件公式（1），Im＝If，Ia＝Ic＝0，换流成功，灭磁开关就会关断熄弧，励磁电流快速衰减，交流灭磁任务完成。
如果先跳灭磁开关再切除脉冲，在脉冲没有切除前，交流灭磁原理同直流灭磁原理一样，其换流的条件也是公式（1）。如果能够成功换流，灭磁开关也就能分断熄弧；如果不能成功换流，则灭磁开关就不能分断熄弧。这种条件下就需要附加切除脉冲的方法来满足换流条件。在灭磁开关的电弧没有熄灭的条件下，切除可控硅的脉冲就可以将励磁变的二次电压通过电弧引入励磁绕组，成功实现交流灭磁。
综上所述，在交流灭磁过程中，如果能够切除脉冲，励磁变二次侧交流电压的负半波就会引导励磁电流进入灭磁电阻，使得交流灭磁开关安全分断，快速灭磁任务完成。
4 三峡电厂灭磁原理分析
三峡电厂采用交直流双重灭磁方案，不仅在励磁直流侧设置有大型直流灭磁开关，而且在励磁交流侧设置有交流灭磁开关，整个灭磁系统及转子过电压保护原理如图5所示。三峡电厂正常停机采用逆变灭磁方式，逆变结束后仅跳开交流灭磁开关S102。事故停机采用投灭磁电阻跳灭磁开关的放电灭磁方式，先跳直流灭磁开关S101，后跳交流灭磁开关S102，即直流灭磁为主，交流灭磁为辅。S107是S102分断前投灭磁电阻的开关。S102和S107的关系是：合S107后再分S102；合S102后再分S107。当转子出现过电压时，A1或A2被触发，投入SiC非线性电阻R101，抑制转子过电压。
If
S101

F

S102
R101

A2
A1

Ik
S107

图5 三峡电厂灭磁系统原理图
直流灭磁系统由S101和R101组成。跳S101时，首先闭合其放电断口即图中常闭接点，将R101接入转子回路，然后分断主断口，最后分断弧断口。S101采用法国CEX98 5000 4.2大型直流灭磁开关（图6），主断口不设置灭弧罩，放电断口和弧断口设置灭弧罩。弧断口灭弧罩总共8个，每个有26片灭弧栅，使得灭磁弧压Uk很高，能满足三峡电厂各种工况的换流要求。
Uk＝8×27×(25~30)＝5400~6480(V)
主断口
弧断口
常闭断口

图6 CEX98-5000-4.2直流灭磁开关
交流灭磁系统由S102、S107和R101组成。分断S102前，首先闭合S107开关，将灭磁电阻接入转子回路。S102和S107采用德国西门子3AH3真空断路器（图7）。

图7 3AH3真空断路器
真空断路器的灭弧原理是在真空泡内触头拉开时，产生电弧，电弧内携带了蒸发的金属气体，这些气体是从触头表面产生的，最后还会冷却在触头表面和封闭罩的内表面。当电流过零点时，原始的真空状态迅速恢复，间隙处的介电强度迅速增加，电路被切断。
真空泡
真空断路器采用电流过零点来分断电弧，主要用于交流回路。由于励磁电流没有过零点，故真空断路器作为交流灭磁开关使用，就必须采取措施使真空断路器的弧电流为零，即让励磁电流迅速换流。
总结前面交直流灭磁原理的分析，这些换流措施归纳为：
a. 整流器逆变，反向的Uf促使If通过灭磁电阻而换流，灭磁成功；
b. 保持正常脉冲，促使If通过同相可控硅短路续流而换流；灭磁电阻无法投入，灭磁时间很长；
c. 切断正常脉冲，励磁变二次负半波电压促使If通过灭磁电阻而换流，灭磁成功。
三峡电厂西门子励磁系统采用上述a和c两种方法保证交流灭磁换流成功。在励磁装置正常情况下，采取a方法：即在跳S102前，调节器首先逆变，当S107合上时，If经SiC电阻换流，随后轻松断开S102开关。当励磁装置出现不能逆变的故障情况时，采取c方法：调节器的同步电压取自S102二次侧，当合上S107再断开S102时，调节器因同步电压故障而闭锁脉冲，If经SiC电阻换流， S102开关分断熄弧。
三峡左岸电厂14台励磁装置至投运以来，灭磁系统运行正常，交直流灭磁开关经历了很多次跳闸灭磁考验。其中有两次是S102单独跳闸灭磁：一次是S102采用a方法单独灭磁，另一次是S102采用c方法灭磁，两次灭磁均成功换流。
5 结论
分析三峡电厂交直流灭磁原理，总结其运行情况，特别是运行中两次单独跳交流灭磁开关的记录，可以得出以下结论：
1、将励磁电流迅速转移到电阻、电压和容量合适的灭磁电阻上，是放电式灭磁方式首要和主要任务，公式（1）是最基本的成功换流条件。
2、直流灭磁换流主要依赖于开关的灭磁弧压，采取逆变或切除脉冲有利于换流。换流失败可能会出现直流灭磁开关烧毁事故。
3、交流灭磁换流主要依赖于逆变或切除脉冲，逆变或切除脉冲失败只会造成灭磁失败，使快速灭磁变为慢速续流灭磁，不会因此造成交流灭磁开关烧毁事故。
4、在发电机机端短路状态下，因励磁阳极电压和整流电压极低，直流灭磁的安全性优于交流灭磁；在励磁装置强励状态下，则交流灭磁优于直流灭磁。
5、三峡电厂交流灭磁开关在分断过程中可以自动封闭触发脉冲，无需采取其它技术措施，这是西门子交流灭磁最主要特点。
6、真空断路器结构比较简单，整体部件少，重量轻，真空泡免维护，可靠性很高，是交流灭磁开关比较好的选择之一。
7、由于交流灭磁开关没有放电常闭断口，另外设置投灭磁电阻的交流开关是必要和可行的，西门子励磁S102和S107开关的选择和配合可以借鉴。
8、设计交直流双重灭磁系统，建议以交流灭磁为主（先跳），按照励磁误强励条件选择开关；以直流灭磁为辅（后跳），按照发电机机端短路条件下选择开关，这样可以减小交直流灭磁开关的容量和体积。

参考文献
[1]李自淳等，大型同步发电机交流和直流灭磁分析研究报告[R].合肥：科大创新股份有限公司科聚分公司，2005.
[2]王川等，交流灭磁装置作为同步发电机灭磁及过电压保护的探讨 [R].合肥：凯立科技股份有限公司，2003.
[3]邹先明等，交流电压灭磁的现场试验与应用 [J]. 大电机技术，2003（1）.
[4]陈小明等，国内外大型灭磁开关结构评价[J].大电机技术，2004（4）.
[5]陈小明等，三峡左岸电厂励磁装置灭磁时序分析[J].水电自动化与大坝监测，2005（2）.

作者简介
陈小明（1959-），男，湖北公安人，1981年毕业于西安电力学校，长期从事发电厂励磁设备检修与维护工作，高级工程师。
胡先洪(1965-)，男，湖北潜江人，1986年毕业于东北水电学校，主任，工程师，长期从事发电厂励磁系统检修和维护工作。

An Analysis of excitation system de-excitation principle
Chen xiao-ming， Hu xian-hong
（Three gorges hydropower plant，Three gorges dam district，Yichang，Hubei，443113）
Abstract: Base on the introduction about the principle of AC and DC de-excitation，an analysis about the function of the rectifier trigger pulse in the process of AC de-excitation and about the principle of excitation system AC and DC de-excitation in three gorges hydropower plant (TGHP) is done in this article. Some advices about the usage of magnetic blow-out switch are given when discussing the reliability of AC and DC de-excitation system.

Key Words: TGHP, Siemens THYRIPOL，field breaker，vacuum breaker， AC de-excitation