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1、我国水轮发电机灭磁技术的进展庞秀兰 1 ，杨云峰2，陈福山2（1.黄河上游水电开发有限责任公司 西宁 810008 ；2. 黄河上游水电开发有限责任公司拉西瓦建没分公司 贵德 811700 ）关键词： 灭磁技术； 磁场断路器；灭磁电阻； 安全裕度；水轮发电机摘要 ： 在总结我国大中型水轮发电机灭磁技术进展状况及存在问题的基础上，提出灭磁选型计算中：发电机励磁的最严重事故工况,磁场断路器断流弧压安全裕度选择,事故灭磁初瞬SiC灭磁电阻电压值选择等应讨论的议题，可供参考。Adance in Magnetic-extinguishing Technology of Hydro-generator i
2、n ChinaPang Xiulan1, Yang Yunfeng2,Chen Fushan2(1. Yellow River Upstream Hydropower Development Co., Ltd., Xining Qinghai 811700；(2. 2.Laxiwa Construction Branch of Yellow River Upstream Hydropower Development Co., Ltd., Xining Qinghai 811700)Key Words：magnetic-extinguishing technology；magnetic brea
3、ker；magnetic reasistance ；safety allowance；hydro-generatorAbstract：On the basis of summing up the advance in the magnetic-extinguishing technology of large-and medium-siged hydro-generators in China and its existed problems, this paper puts forward following topics for discussion in the selection an
4、d calculation of magnetic-extinguishing：the maximum severe failure condition of generators excitation,the selection of safety allowance of cut-off arc voltage of magnetic breaker, the maximum vortage from commutating device in the extinguishment of magnetic during falure,the selection of SiC magneti
5、c-extinguishing resistance and voltage value,witch can be used for reference.中图分类号：TV734.4 文献标识码：B1 我国大中型水轮发电机灭磁技术的进展 1.1 A2059磁场断路器和线性灭磁电阻在20世纪50年代,我国大中型水轮发电机组灭磁多采用引进和自制的A2059型磁场断路器和线性灭磁电阻。由于A2059的断流弧压不够高，1955年和1972年丰满水电站85MW机组曾两次发生内部短路事故灭磁时A2059的烧毁事故,引起全国同行的关注，使大家认识到磁场断路器断流弧压要足够高,灭磁时间要短；也认识到线性灭磁电阻
6、阻值过高的问题。1.2 DM2灭磁开关20世纪70年代采用短弧灭弧栅的灭磁开关，通过选择灭弧栅间隙数来控制调节断流弧压：一方面从前苏联引进A-1型灭磁开关，另一方面开发研制生产了DM2型灭磁开关，并在全国推广应用，较好地提高了全国发电机灭磁的安全水平。但从20世纪八十年代初开始，随着100MW300MW大型水轮发电机组和采用静止整流励磁新技术机组先后大批投运，国产DM2型灭磁开关技术的缺陷逐渐暴露，大型发电机如葛洲坝、云峰、红石曾多次发生电气事故灭磁时，DM2灭磁开关由于自身结构、材质、工艺缺陷而拒动或烧毁，导致事故的扩大；从而发现DM2在原理上不适用于静止可控硅整流励磁系统,灭磁装置的改进成
7、为当时励磁系统技术界关注的重点。1.3 新型磁场断路器和ZnO非线性灭磁电阻20世纪80年代，我国一方面引进先进灭磁装置；另一方面组织有关单位研制非线性较好的ZnO非线性灭磁电阻和DM4、DDL、DMX新型磁场断路器等灭磁装置，先后在潘家口、白山、葛洲坝、红石、莲花等水电站投入运行,并在全国推广应用,大幅度提高了大型水轮发电机组事故灭磁的安全性。1.3.1 ZnO非线性灭磁电阻经长期研究,我国一方面采用电脑程序对ZnO非线性灭磁电阻选片，提高其串并联均能系数；另一方面采用特制快速熔断器,自动退出个别灭磁通流中损坏的片子，以防止片子过热爆炸,并在300MW及其以下机组推广应用，结果大部分运行良好
8、。其中存在问题简介如下：（1）工作寿命：用于发电机灭磁的8810mmZnO片子标称能量20kJ，鉴定确认是承受能量冲击500次，DL583-1995大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件规定非线性灭磁电阻使用寿命不少于10a,一般不应限制灭磁次数。(白山、潘家口水电站和秦山核电机组采用ZnO灭磁电阻其寿命记录都大于10a)。2002年我国化学法制备高能氧化锌压敏电阻,8810mm标称能量35kJ片子己安全通过实际能量冲击10 000次试验。日本也己成功研制出吸能20kJ冲击10 000次的ZnO阀片。这说明采用新型ZnO灭磁电阻，工作寿命将远大于10a。(2) 运行爆炸：用于转子过电压
9、保护的ZnO在白山、龙羊峡300MW发电机组上应用中曾发生过爆炸，原因是过电压保护参数和接线设计不合理，经改进后己经解决投运，两电站机组目前运行正常。(3)由于电气主回路和保护监控回路故障，使发电机组发生异步运行，灭磁电阻长时间带电过载而烧毁。引进的SiC在八盘峡和潘家口水电站都发生过这类故障,国产ZnO则在莲花水电站发生过故障。这种故障应从改进电气主回路和保护监控回路设备及接线方面加以解决，不应要求灭磁电阻本身来解决。(4)8810mmZnO片和快熔组成的灭磁电阻占用空间较大，是用于700MW组的主要障碍之一。2007年研制的155mm13mm额定能容量为100kJ的ZnO片子,18个组件并
10、接, 额定能容量为18.9MJ,占用空间很小(只占用半个柜体),经宜兴做了1000-4000A的断流灭磁工业试验，性能良好；接着又在合肥科聚高技术有限责任公司1:1模拟灭磁试验室做了3个单片分别加注100kJ能量冲击90次的试验，单组件和整套组件的大电流大能量冲击试验。抽取的2个组件在小电流小能量条件下用录取V-A波形，均能系数是0.984和0.973。结论是：均满足三峡水电站ABB机组最严厉工况的灭磁要求。(5)ZnO的电压温度系数试验值，合肥科聚高技术有限责任公司20世纪90年代中期生产的ZnO是-0.63%，90年代后期生产的ZnO是0.019%和0.033%。(6)2006年以来有3台
11、600MW汽轮发电机组投运,均采用了国产ZnO灭磁电阻。1.3.2 DM4、DDL、DMX等新型磁场断路器 该新型磁场断路器大多数运行良好，个别问题分述于下： (1)1999年和2000年，在葛洲坝6号机组发生的3次发电机励磁调节器失控误强励事故跳闸灭磁中，DM4磁场断路器烧毁。其原因是断流弧压不够高。葛洲坝水电站经过多年努力,提出了“无源零开断的自动灭磁装置及方法”，经工业试验后在1台发电机组上运行了1.5a，并己申报专利，2007年在苏州召开的第四届中国国际专利博览会莸双金。 (2)以DDL型可控硅磁场断路器为主组成的双冗余断流灭磁系统，在1992年经水利水电规划设计总院鉴定后已先后在红石
12、、莲花、丰满三期、小山、尼尔基等水电站13台机组上投入运行。据2005年的统计，己有连续运行70多台年的安全记录。目前采用该灭磁系统的最大机组容量是140MW。1.4 进口灭磁装置20世纪90年代开始,我国投运的水轮发电机单机容量己经增加大到550MW,21世纪开始己加大到700MW，全部采用国外引进的磁场断路器和SiC非线性灭磁电阻。1.4.1 三峡灭磁装置2003年三峡水电站700MW发电机组开始投入运行，设计选用进口的发电机灭磁装置，直流侧用可以独立断流灭磁的磁场断路器，分断能力是：4000V时21Ka；5600V时15kA。交流侧原设计设置可以独立断流灭磁的断路器，但实际供货是真空断路
13、器。2006年经工业试验证实：这种“交流灭磁开关因其弧压极低，不能独立承担快速灭磁任务，必须依赖逆变或切脉冲才能完成换流移能灭磁。”灭磁电阻选用英国M&I公司生产的SiC非线性电阻组件。对SiC串并联的均能、均流系数和电压、电流温度系数没有作出规定。2006年三峡水电站把2个SiC组件拿到合肥科聚高技术有限责住公司进行试验，当2个组件拆开,录波测得的均流及均能系数为0.83及0.79；当1个组件不拆开，点温计测录的均能系数是0.76。 （2）进口灭磁装置运行情况大、巨型发电机进口的磁场断路器和SiC非线性灭磁电阻，大多数运行是安全的，但有一些在试验室试验、正常发电运行、投产前的安装调试和现场检
14、修后的试验中，励磁装置先后几次发生严重故障烧毁，有的被迫重新订购性能更安全更好的灭磁装置予以更换。例如：1) 李家峡2001年5月6日，李家峡4号机（400MW）进口灭磁装置在发电机并列拉入同步过程中，因磁场断路器常闭触头的断开位置间隙太小（只有2毫米）、SiC非线性差特性“软”，发生触头间隙被转子过电压击穿燃弧，在并网发电时不能断流，2串3并共6个SiC灭磁电阻组件在长期带电中己有3个表面烧黑。同一类型事故己经在沙岭子、张家口、襄樊等4台300 MW汽轮发电机组上发生过。2) 二滩 2001年5月28日二滩（单机550MW）进口的1台磁场断路器和1个SiC灭磁电阻组件（每台机组配置6个组件并
15、联接线）拿到合肥科聚公司试验室试验。试验暴露出两大隐患。断路器弧触头在不带电切合操作中就断裂掉头。这种断路器在1999年2月13日在4号发电机灭磁试验时发生过烧毁。原因是2个并联引弧触头头部都已断裂脱落，导致电弧进不了灭弧栅，断流弧压低，励磁电流转移不到SiC灭磁电阻中去，导致烧毁断路器。SiC灭磁电阻组件（SiC片2串12并接线共24片）在试验初瞬注入正常强励顶值电流1025A（每台机组正常强励顶值电流5800A，非限定强励顶值电流8209A），组件电压为2919.7V。经过83毫秒，当电流下降到780A，电压下降到2000V，注入能量仅196kJ（为组件标称放电能容量36%）时，组件出现局
16、部（组件的一个端部的2串2并共4片）边缘飞弧放电短路烧损事故；根据录波图和组件温度分布分析，结论是灭磁过程中SiC组件中呈现严重不均能，局部片子承受过多能量，导致局部片子过热，大幅度降低SiC片子边缘飞弧的门坎电压，产生飞弧击穿短路。3) 天生桥二级2002年4月4日，天生桥二级6号机（225MW）进口励磁系统在正常发电运行时，因输电线路跳闸发电机空载带电运行半小时，发生励磁调节器完全失控误强励保护启动跳闸灭磁，灭磁电阻SiC（2串168并）局部飞弧短路烧毁，磁场断路器常闭触头被电弧焊死。事故原因是SiC不均能不均流造成的。事故误强励顶值电流达3倍额定值4701A时，每片平均分配电流为27.9
17、A，远低于供货商给出的单片最大允许通过电流100A，同时事故能容量值也不可能高于供货商给出的允许吃能容量2900 kJ，显然SiC组件在事故灭磁时发生飞弧短路与上述二滩试验原因相同。4) 隔河岩隔河岩一台300MW机组进口的SiC灭磁电阻在现场作发电机空载磁试验时发生并接3个组件中有1个组件飞弧烧毁。5) 一台600MW汽轮发电机2006年1月1日一台600MW汽轮发电机在并网发电500MW，准备作PSS试验时出现进口灭磁装置完全失控误强励灭磁时(据事故录波数据，继电保护启动磁场断路器断流瞬间，励磁电流已升到3倍额定励磁电流，发电机机端电压已升到1.5倍额定值)，因磁场断路器断流弧压不够高，在
18、600毫秒内不能使转子绕组电压反向，不能把励磁电流快速转移到SiC灭磁电阻中去，最终导致烧损整套励磁盘严重事故。（3）国内灭磁技术界的新动态中国水电站建设从三峡开始己经步入高峰，近一时期，上百台700MW巨型水轮发电机组将随着一系列巨型水电站的建设，将陆续投运。因此，大型、巨型水轮发电机组严重事故灭磁时灭磁装置的安全及灭磁性能问题，再次成为我国发电机励磁系统技术界关注重点和讨论的新高潮。在“解放思想、与时俱进、自主创新、掌握核心技术”一系列方针指引下，从2005年6月到现在短短两年时间中，国内众多单位先后进行了五次大型灭磁试验。（1）2005年6月1日到12月31日，上海电气电站集团与科聚公司
19、在合肥进行百万千瓦级汽轮发电机灭磁及转子过电压保护的试验研究，分析研究报告于2005年12月提出，鉴定会于2006年4月在上海召开。（2）2005年11月30日到2006年6月，三峡水力发电厂与科聚公司在合肥就“156米水位三峡发电机灭磁系统性能分析与灭磁安全性试验研究”作了大量试验，试验研究验收报告于2006年6月提出，下半年已经通过三峡水力发电厂领导的审查正式出版。（3）2007年4月5日7日，中国水力发电工程学会励磁专委会主持，能达电气公司主办，并邀请有关专家，针对三峡工程700MW机组灭磁的需要，在宜兴做断流灭磁工业试验。试验对象是上海鑫日公司研制提供的ZnO和PTC组合成换流器及灭磁
20、电阻器联合成的1套灭磁装置和合肥科聚公司研制提供的大规格(单片ZnO最大能容量达100kJ)ZnO非线性灭磁电阻器组成另1套灭磁装置。在试验过程中，分别对两个试验对象进行了断流10004000A的灭磁工业试验。2个试验报告已经提出并于8月由有关部门审定。（4）2007年4月6月，科大创新科聚公司针对研制生产出来的新型高能ZnO阀片(单片ZnO最大能容量达100kJ)及其单组件和成套组件，作了电气参数测试及能量冲击试验， 6月科聚公司在合肥己经提出试验报告。（5）2007年10月17日到25日，由浙江电力试验研究院、嘉华公司和科聚公司在合肥作灭磁试验。目标是查明为600MW汽轮发电机配套的5个S
21、iC灭磁电阻组件是否满足标准规定的最严重事故安全灭磁的需要，并对它们承受励磁电流和能量冲击的灭磁性能进行比较全面检测。试验报告正在编写中。2. 标准要求和有待讨论议题DL/T 583-2005和DL/T 583-1995“大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件”对灭磁装置的安全可靠性和灭磁时间要求是基本相同的：即“在任何需要灭磁的工况下灭磁装置必须保证可靠灭磁，灭磁时间要短。”根据国内大量长时间实践的经验教训，作者认为要达到上述标准要求需要讨论以下四个相互关联的题目：(1) 检验水轮发电机灭磁安全可靠性的严重事故工况究竟是什么？这个问题历来是励磁技术界争论的焦点。现以上述2006年1月
22、1日600MW汽轮发电机引进励磁装置失控误强励事故录波数据作为讨论依据，作者认为应该是：在发电机空载励磁调节器失控误强励 (包括发电机并网带负载运行时励磁调节器失控误强励，出口断路器跳闸形成空载误强励)，励磁电流达到3倍额定励磁电流，机端电压升到1.5倍额定电压的条件下，磁场断路器跳闸移能灭磁。(2) 静止整流励磁系统的灭磁装置参数选择计算中磁场断路器断流弧压安全裕度系数应该取多少？国际公认的灭磁初瞬计算公式是：磁场断路器断流弧压Uarc 整流装置输出电压最大值Umax +保证灭磁动作初瞬励磁电流能够立即全部转移到灭磁电中去的电压值(通常叫作最大灭磁电压)Ufde 即 Uarc Umax +
23、Ufde 或者 Uarc =Umax + Ue + K1安全裕度值)或者 Uarc (Umax + Ufde )=K2(安全裕度系数)K1和K2怎样确定在励磁标准上没有规定，(DL583中灭磁电阻安全裕度系数有规定是：1.2)，目前基本是由业主和供货制造厂共同商定。（3）整流装置输出电压最大值Umax计算原则，国内通常取峰值，即系数为1.414，有的供货商取直流平均值。作者认为：参照国际公认标准ANSI/IEEE C37.18(2003 R)的精神，为灭磁的安全可靠，应取峰值。（4）最大灭磁电压Ufde的选择：对于SiC非线性电阻来说，由于它存在较大的负的电压温度系数，SiC的伏安特性计算式
24、U =C I0.4中（C值供货商给出：典型、最大、最小三个值）。有的供货商主张用最小值，有的国内制造厂主张用最大值。作者根据手头掌握的实测资料，和考虑到灭磁初瞬SiC刚开始承受能量温度还没有上升，还是取最大值较合理较安全。3、结语综上所述，为保证灭磁安全，为巨型机组选择进口SiC组件时必须采取必要的技术措施，确保组件的SiC片子之间的均能系数达到0.9以上，选择磁场断路器的断流弧压时必须具有足够的安全裕度。目前，ZnO灭磁电阻在继续补充做一些型式试验和必要的工业试验后，且经过必要的鉴定手续后，可在巨型机组中推广应用。作者简介：庞秀兰（1966-），女，甘肃定西人，硕士，高级工程师，主要主持电站
25、试验调试和工程项目管理工作。 杨云峰（1972-），男，浙江浦江人，工程师，主要主持电站试验调试和从事工程项目管理工作。陈福山（1933-），男，浙江杭州人，东北勘测设计研究院教授级高级工程师，从事水电站电工二次设计研究。待添加的隐藏文字内容3Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow
26、him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle
27、 take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive
28、still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edg
29、e of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positio
30、ned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeli
31、ng of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that w
32、ould take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the
33、 current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting
34、at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than t
35、he tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drif
36、t to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that h
37、e wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (
38、1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to
39、 slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that
40、will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, b
41、ut Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
