大型发电机励磁系统碳化硅灭磁电阻特性试验研究08励磁会议.docx
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大型发电机励磁系统碳化硅灭磁电阻特性试验研究08励磁会议
大型发电机励磁系统碳化硅灭磁电阻特性试验研究
陈新琪1,竺士章1，吴跨宇1，符仲恩2，密君才3，陈福山4
（1.浙江省电力试验研究院,浙江杭州310014；2.中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031；3.浙江嘉华发电有限公司，浙江杭州310009；4.中水东北勘测设计研究有限责仼公司，吉林长春130021）
摘要：
本文根据某600MW发电机碳化硅灭磁电阻备品进行试验获得的均流特性、均能特性、伏安特性和温度特性，得到了碳化硅灭磁电阻温度与冲击能量的关系，对负温度特性的影响、极限能量冲击的影响、碳化硅灭磁电阻的薄弱环节提出了看法，对控制碳化硅灭磁电阻制造质量和安全使用提出了建议。
关键词：
碳化硅灭磁电阻试验温度特性
ExperimentalResearchonSiCDe-excitationResistanceofLargeGeneratorExcitationSystem
ChenXinqi1，ZhuShizhang1，WuKuayu1，FuZhongen2，MiJunchai3，ChenFushan4
（1.ZhejiangElectricPowerTestandResearchInstitute，Hangzhou310014，China;2．InstituteofPlasmaPhysicsofChineseAcademyofSciences，Hefei230031，China;3.ZhejiangJiahuaElectricPowerPlantHangzhou310009，China；4.ChinaWaterNortheasternInvestigationDesign&ResearchCo.,Ltd.,Changchun130021，China）
Abstract:
Thecurrent、energyandV-AcharacteristicsofSiCde-excitationresistanceof600MWgeneratorareprovidedinthepaper.TherelationbetweenthemaximumsurfacetemperatureandconsumedenergyofSiCresistanceispresentedbasedonthesecharacteristicsthatgotfromalotofexperiments.Opinionsabouttheeffectofthenegativetemperaturecharacteristicandmaximumenergytestarealsopresented.Attheend,itgivessuggestionsforthequalitycontrolandapplicationsecurityofSiCresistance.
Keywords:
SiCde-excitationresistance;Experiment;Temperaturecharacteristic
1前言
随着我国电力系统的快速发展，大型发电机已经成为电力系统主力机组，目前国内大多数大型发电机励磁系统采用6298型碳化硅灭磁电阻，在现场调试中作者发现相同的600MW发电机励磁系统配置的碳化硅灭磁电阻组件数不同，运行中碳化硅灭磁电阻出现过一些故障[1]。
由于制造厂提供的技术资料不够完整[2]，也没有出厂数据，也没有现场检测方法，因而很难判断碳化硅灭磁电阻配置的合理性，很难确定故障的原因，提不出反事故措施，使得发电机最严重灭磁情况下能否可靠、安全地灭磁成为疑问。
本文根据某600MW发电机碳化硅灭磁电阻备品进行试验获得的碳化硅灭磁电阻的均流特性、均能特性、伏安特性和温度特性[3]，得到了温度与冲击能量的关系，对负温度特性的影响、极限能量冲击的影响、碳化硅灭磁电阻的薄弱环节提出了看法。
2试验
制造厂提出6298型碳化硅灭磁电阻一个组件的可重复使用能容量是680kJ、温升是80K，在多组件使用时一次或极少次灭磁的极限容量为1MJ、单组件使用时为1.1MJ，碳化硅灭磁电阻设计平均最高温度为160℃。
被试样品由5个组件构成，每个组件由16个元件并联组成。
调整大电感线圈的电感量和电流，使其储能符合灭磁电阻耗能需要；向灭磁电阻释放磁场能量；测量灭磁电阻电流和电压；在碳化硅灭磁电阻表面达到最高温度时用热成像仪拍摄表面温度分布的热像图。
进行灭磁电阻组件间和元件间的均流均能试验、小能量和极限能量（组件1.1MJ）试验、小电流和极限电流（1/2组件3000A）试验，最后进行小能量性能复测试验。
对不少于四个组件进行了相同的试验，以便获得统计数据。
3试验数据分析
3.1均流和均能
1）极限电流下的元件均流特性
制造厂提供的6298型碳化硅灭磁电阻组件的最大电流是6000A。
对四个组件的一半组件（8个并联元件）进行最大电流为3000A的试验，初始电流的均流系数见表1，碳化硅灭磁电阻上电流和电压衰减过程见图1。
表1极限电流下的均流系数
Table1Currentcoefficientofmaximumcurrenttest
组件号
A
B
C
D
均流系数
0.936
0.911
0.945
0.930
U
8个支路电流
图11/2A组件极限电流下的灭磁过程
Fig1Thevoltageandcurrentcurveofthe1/2groupASiCresistanceofmaximumcurrenttest
2）极限能量下的元件间均能特性
进行碳化硅灭磁电阻组件的最大耗能1.1MJ试验。
灭磁结束时的均能系数见表2，碳化硅灭磁电阻上电流和电压衰减过程见图2和图3。
表2极限能量下的均流系数
Table2Currentcoefficientofmaximumenergytest
组件号
A
B
C
D
均能系数
0.906
0.919
0.931
0.902
8个支路电流
U
图2A组件极限能量试验（1100kJ）内部并联1～8号元件电流波形图
Fig2ThevoltageandcurrentcurveoftheNo.1～No.8componentsofgroupASiCresistanceofmaximumenergytest
8个支路电流
U
图3A组件极限能量试验（1100kJ）内部并联9～16号元件波形图
Fig3ThevoltageandcurrentcurveoftheNo.9～No.16componentsofgroupASiCresistanceofmaximumenergytest
3）5个组件间的均流和均能特性
5个组件均流均能试验获得的碳化硅灭磁电阻上电流和电压衰减过程见图4。
均流系数为0.956，均能系数为0.943。
U
5个组件电流
图45个组件并联的碳化硅灭磁电阻上电流和电压衰减过程
Fig4ThevoltageandcurrentcurveofgroupA～groupESiCresistanceinparallelconnection
从上述试验结果可得，被试SiC灭磁电阻样品的均流系数和均能系数满足制造厂提供的6298型碳化硅灭磁电阻的均流系数和均能系数都为0.87的要求。
3.2伏安特性
制造厂提供的6298型碳化硅灭磁电阻组件伏安特性范围为
～
。
相同初始温度下A组件的不同耗能下的伏安特性见图5，不同初始温度下A组件的伏安特性见图6，从图5和图6可知，试验取得的组件伏安特性接近制造厂提供的伏安特性范围的下限。
MAX
MIN
图5相同初始温度下A组件的伏安特性
Fig5V-AcharacteristicofgroupASiCresistancewithsameinitialtemperature
MAX
MIN
图6不同初始温度下A组件的伏安特性
Fig6V-AcharacteristicofgroupASiCresistancewithdifferentinitialtemperature
3.3负温度特性
碳化硅灭磁电阻随着温度的升高其阻值降低的特性称为负温度特性。
3.3.1负温度特性对伏安特性的影响程度有限
由图5可见，随着耗能的增加，灭磁电阻温度的增加，组件伏安特性曲线下移，即相同的电压下电流有所增加，但是从小能量到极限能量，伏安特性改变不显著。
3.3.2负温度特性在灭磁过程中的表现
SiC电阻组件内各并联元件伏安特性不一致，元件电流不同，流经较大电流的元件有较高的温度。
因SiC元件的电阻值具有负温度特性，较高温度元件的电阻值减少较大，其电流进一步增大，加剧了电流分布不均，导致均流系数下降。
灭磁过程均流系数下降的快慢可以反映负温度特性影响的程度。
负温度特性对元件间均流和均能的影响见图7和图8。
从图7图8可知，在极限能量冲击下均流系数从0.925下降到0.88，均能系数从0.913下降到0.902。
图7D组件极限能量试验过程的均流系数的变化
Fig7CurrentcoefficientcurveofgroupDSiCresistanceofmaximumenergytest
图8D组件极限能量试验过程均能系数的变化
Fig8EnergycoefficientcurveofgroupDSiCresistanceofmaximumenergytest
5组件并联灭磁均流、均能系数随时间分布情况见图9和图10。
从图9图10可知，均流系数由0.974下降到0.934，均能系数由0.955下降到0.944，两者变化均不大。
图95组件并联灭磁过程均流系数的变化
Fig9Currentcoefficientcurveofde-excitationtestwhilegroupA～groupESiCresistanceinparallelconnection
图105组件并联灭磁过程均能系数的变化
Fig10Energycoefficientcurveofde-excitationtestwhilegroupA～groupDSiCresistanceinparallelconnection
负温度特性对碳化硅灭磁电阻电流分布的影响有限，原因是样品具有较好的均流均能特性、有限的负温度特性、有限而短时间的电流衰减。
均流系数在灭磁过程后段略有下降，而此时电流却显著下降，因此负温度特性对灭磁电阻安全使用的影响是有限的。
3.4表面均温特性
灭磁试验电流衰减后1～2min灭磁电阻表面温度达到最高值。
图11为极限能量试验温升最大的D组件的热像图。
从拍摄的热像图得到元件的表面平均温升和最大温升。
表面均温系数等于表面平均温升除以表面最大温升。
D组件的表面均温系数为0.696，表面最大温升温升为140.9K，发生在第5号元件。
图12为现场发电机空载额定灭磁试验获得的热象图，表面均温系数为0.50。
图11极限能量试验D组件热像图
Fig11SurfacetemperaturedistributionofthegroupDSiCresistanceaftermaximumenergytest
图12发电机空载额定灭磁试验获得的热像图
Fig12SurfacetemperaturedistributionofthetopgroupSiCresistanceaftergeneratornoloadde-excitationtestatpowerplant
表面平均温升与环境散热条件有关，用温升系数来表示。
温升系数等于表面平均温升除以计算温升。
计算温升等于耗能乘以80K/680kJ。
图13表示不同耗能与表面平均温升的试验值，可见耗能与表面平均温升基本成线性关系，即相同散热条件下温升系数与耗能基本无关。
统计耗能与表面最大温升的关系可以看到他们基本成线性关系，见图14。
图13不同耗能与表面平均温升的关系
Fig13RelationbetweenthemaximumsurfacetemperatureandenergyconsumedofSiCresistance.
图14D组件耗能与表面最大温升的关系
Fig14RelationbetweenthemaximumsurfacetemperatureandenergyconsumedofgroupDSiCresistance.
由耗能与表面平均温升、与表面最大温升基本成线性关系，可知耗能与表面均温系数基本无关，大、小耗能情况下其表面均温系数基本相同。
从试验来看，碳化硅灭磁电阻的热量有一个从内传递到外表的长过程。
从表面温度分布情况看来，均能系数达到0.9，表面均温系数却低达0.5，说明各个组件的表面平均温度差异小，但是表面温度差异明显；有的同一个元件不同部位的温度差异很大。
这表明，碳化硅灭磁电阻各部分的材质和/或制造工艺差异大。
元件有可能从材质缺陷处直接损坏，或者引起该处温度剧增，在负温度特性的作用下最后导致材质损坏。
制造厂提出的6298型碳化硅灭磁电阻组件可重复使用的容量是680kJ、温升是80K，一次或极少次灭磁的容量为1MJ，一次或极少次灭磁的容量下的最高温度160℃。
按照680kJ下温升80K的比例可以得到1MJ下温升117.6K，接近120K，加上环境温度40℃，最高温度为157.6℃,接近上限160℃。
这里的温升即为平均温升。
说明只有均温系数接近1的碳化硅灭磁电阻才能用到其极限容量1MJ。
按照励磁标准规定的发电机最严重灭磁情况是发电机端三相短路或发电机空载误強励，这符合“一次或极少次”情况，理应按照组件1MJ考虑，由于均温系数远小于1，组件极限容量只能降低使用。
3.5极限能量冲击后的碳化硅灭磁电阻状况
极限能量试验冷却后小能量的伏安特性复测表明，整套灭磁性能正常，相同电流下的电压略有增加，变化率小于10%。
按照制造厂规定进行直流5000V耐压试验表明被试样品的绝缘情况正常。
4结论
1）6298型碳化硅灭磁电阻组件间和元件间的均流系数和均能系数符合制造厂规定，伏安特性在制造厂规定的范围内，不同的耗能对伏安特性影响不大。
2）碳化硅灭磁电阻负温度特性对灭磁过程无明显影响。
3）灭磁电阻表面温升与耗散能量基本成正比。
4）经过一次极限能量冲击后通过了直流耐压试验，但是小能量下的伏安特性曲线略有上升。
5）由于温度分布不匀，均温系数远小于1，碳化硅灭磁电阻须降低其能容量使用。
5建议
1）应有防止碳化硅灭磁电阻长期带电的措施。
2）在招标和合同文件中将均流系数、均能系数和负温度特性作为性能保证值。
3）碳化硅灭磁电阻制造厂分析温度差异的原因，改进工艺和检测方法，控制温升、比热和密度的不均匀现象。
出厂进行大能量和大电流试验以暴露材质缺陷，淘汰劣质元件。
制造厂向用户提供产品规范和配套设计导则，提供碳化硅灭磁电阻大能量和大电流试验报告，提供实际的伏安特性和组件内均流均能系数。
制造厂提供判断碳化硅灭磁电阻不能继续使用的电气性能参数变化值。
4）对配置较少组件数量的大型发电机励磁系统碳化硅灭磁电阻进行试验检查。
参考文献：
[1]赵万明，陈福山。
进口SiC灭磁电阻存在问题及控制和检验措施。
电网与水力发电进展，2008（5）：
43-46。
ZhaoWan-ming,CHENFu-shan.ProblemswithImportedSiCDe-excitationResistanceandApproachestoDetectandControlSuchProblems,AdvancesofPowerSystem&HydroelectricEngineering,Vol.24,No.5,2008.
[2]Jeff.Robertson,。
METROSIL@SiC非线性电阻在灭磁系统中的应用。
第二届水力发电技术国际会议论文集，2009.4.22,832-838。
Jeff.Robertson,UseofMetrosilSiliconCarbideVaristorsforthePurposesofOvervoltageProtectioninSynchronousGeneratorExciterDischargeSystems,The2ndInternationalConferenceonHydropowerTechnology&Equipment2009,2009.4.22：
832-838。
.
[3]大型发电机励磁系统SiC灭磁电阻试验研究课题组，大型发电机SiC灭磁电阻实验室试验与性能分析[R].杭州:
浙江省电力试验研究院，2008.
WorkgroupofTestingResearchofSiCDe-excitationResistanceforLargeGeneratorExcitationSystem，ReportofTesting&AnalysisofSiCDe-excitationResistanceforLargeGeneratorsExcitationSystem[R]，Hangzhou：
ZhejiangElectricPowerTesting&ResearchInstitute，2008。
作者简介：
陈新琪（1964-），男，浙江义乌人，高级工程师，从事发电机励磁控制和电力系统分析工作。
E-mail:
chen_xinqi@
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