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(fā)電有限責任公司，浙江 天臺317200）

1 引言

發(fā)電機內(nèi)部故障時（如定子短路），在繼電保護跳開發(fā)電機出口開關(guān)的同時，還應由發(fā)電機滅磁系統(tǒng)把勵磁電流盡快降到零，使得發(fā)電機電動勢和短路電流也最快的衰減到零，以實現(xiàn)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(fā)電機來說，轉(zhuǎn)子中儲存的能量較大，且裝設的滅磁開關(guān)大多數(shù)是移能型而非耗能型開關(guān)。因此發(fā)電機滅磁通常采用在勵磁回路并聯(lián)滅磁電阻的方法，將轉(zhuǎn)子中的能量轉(zhuǎn)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，F(xiàn)CB1/2為滅磁開關(guān)的常開觸頭，F(xiàn)CB3為滅磁開關(guān)的兩副常閉觸頭（并聯(lián)連接）。正常運行時，F(xiàn)CB1/2閉合，F(xiàn)CB3斷開，勵磁電流加在轉(zhuǎn)子上；故障滅磁時，F(xiàn)CB3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(zhuǎn)子繞組，使得轉(zhuǎn)子繞組中的能量在非線性電阻中得到消耗。

在滅磁狀態(tài)下，其勵磁繞組回路的電壓方程如式（1）所示：

式（1）中，L為轉(zhuǎn)子電感，H；If為勵磁電流，A；r為轉(zhuǎn)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(chǎn)的碳化硅滅磁電阻，其型號為600 A/US14/P，共有4組并聯(lián)，每組14個閥片并聯(lián)。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(shù)，與碳化硅電阻的體積、形狀、串并聯(lián)方式及材質(zhì)有關(guān)；β為非線性系數(shù)。

當N片閥片并聯(lián)時，其伏安特性表達式為：

結(jié)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(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 抽蓄機組相關(guān)參數(shù)

4.1 空載額定勵磁電流工況下的滅磁時間特性

由于現(xiàn)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(jīng)歷的滅磁時間是3.741 s。

根據(jù)現(xiàn)場實際試驗，發(fā)電機在空載額定電壓狀態(tài)下，由繼電保護動作跳滅磁開關(guān)時的滅磁波形如圖4所示。

圖4 空載勵磁電流滅磁現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)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(jīng)歷的滅磁時間為4.678 s。

根據(jù)現(xiàn)場實際試驗，發(fā)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(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(jù)《大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》（DL/T583-2006）中4.4.4 b）規(guī)定：線性電阻滅磁，電阻值按75℃時轉(zhuǎn)子電阻的2～3倍選取。因此，本文選取轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)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(jié)語

根據(jù)仿真計算和現(xiàn)場試驗波形數(shù)據(jù)，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(nèi)滅磁時間的要求。