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)項目，以及可在實驗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)計方案。重點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)分析處理進行研究，并設(shè)計了相應(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

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)標準，也沒有適用于實驗室的檢測方法和評判標準。

滅磁電阻工作的特點是在短時間內(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，來對滅磁電阻進行試驗[1]。雖然這種方式模擬了發(fā)電機滅磁時的真實電流衰減過程，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高昂，而且維護要求也非常高，只適用于滅磁電阻的型式試驗和批量出廠檢測。對已投運的滅磁電阻，在檢修時沒有科學(xué)、便利和有效的方法來進行檢測，運行和檢修人員無法掌握其性能狀態(tài)，給發(fā)電機和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行埋下了隱患。因此，開發(fā)一套能在常規(guī)實驗室進行滅磁電阻各項性能和參數(shù)測試的系統(tǒng)，為投運電阻提供常規(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)標準[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，可以計算出整組滅磁電阻的均流及均能水平，間接計算出實際可用能容量。

1.3 滅磁電阻能容量

在發(fā)電機滅磁過程中，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，甚至事故擴大。因此，檢查滅磁電阻的實際能容量和標稱能容量是否一致，計算整套滅磁電阻能容量的實際冗余度，進而判斷其是否滿足標準規(guī)定嚴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)計和工程匹配過程是否合理，計算成套滅磁電阻實際可用能容量。

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)計電壓值附近出現(xiàn)明顯拐點，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

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的非線性電阻和已投運滅磁電阻的特性及其歷史數(shù)據(jù)，對滅磁電阻進行參數(shù)計算和狀態(tài)評價，得出其是否可以投運或繼續(xù)運行的結(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)測試項目與參數(shù)的要求進行控制。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進行測試時，具有單組件電壓不高但電流較大的特點。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[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。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)計電壓，但由于三相全控整流橋運行時，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，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

2.2.1 測試系統(tǒng)電功率

進行能容量測試項目時，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)計值一般為800~1 200 V?？紤]到機組的大型化發(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算完成。

2.2.3 測試系統(tǒng)的安全性設(shè)計

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)標準規(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)計值計算，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，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，當溫度超過允許值時可以根據(jù)不同的定值動作于報警和跳閘，實現(xiàn)自我保護。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的作用。

2.3 測試系統(tǒng)主要設(shè)計難點

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?？焖俸途珳实目刂颇芰Σ拍苓_到規(guī)定工況點的測試要求。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，不同于實際滅磁時發(fā)電機轉(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時，需要嚴格控制注入能量不大于額定值，因此，準確的電壓、電流檢測，功率、能量計算，以及相應(yīng)的限制保護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。

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，綜合考慮普通實驗室供電電源的限制，通過主回路參數(shù)計算驗證的方法，設(shè)計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。

[1]龐秀嵐，楊云峰，陳福山.我國水輪發(fā)電機滅磁技術(shù)的進展[J].水力發(fā)電，2007，33（11）∶82－84.

[2]符仲恩.磁場斷路器移能換流滅磁過程分析[J].大電機技術(shù)，2007（2）∶54－56.

[3]DL/T 650－1998大型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件[S].北京：中國電力出版社，1999.

[4]吳跨宇，楊濤.滅磁仿真計算與滅磁回路性能參數(shù)校核分析[J].浙江電力，2010（5）∶1－5.

[5]陳賢明，朱曉東，王偉.水輪發(fā)電機空載滅磁仿真研究[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2005，29（3）∶40－44.

[6]吳跨宇，竺士章，陳新琪.發(fā)電機嚴重故障工況滅磁仿真分析[J].大電機技術(shù)，2009（5）∶49－52.

（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)電機勵磁和電力系統(tǒng)分析工作。