灭磁电阻选型技术经济比较的复核和建议Word格式文档下载.docx
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5.3.2三峡灭磁电阻试验14
⑴试品及试验方法14
⑵试验电路15
⑶试验方法15
⑷两个组件大电流小能量并联均流均能试验15
⑸两个组件14个支路大电流小能量并联均流均能试验16
⑹大电流大能量并联温升均流均能特性试验16
1）两个SiC组件并联大能量温升试验18
2）两个SiC组件从小到大分4次注入电流能量温升特性试验18
3）一个SiC组件大能量温升特性试验19
4）SiC单片温度特性试验22
5.3.3对三峡灭磁电阻总体性能评述摘录24
5.3.4总结论摘录27
5.4二滩SiC特性试验27
6.大型发电机组发电机组灭磁时间过长的危害28
6.1发电机组严重事故灭磁时间过长导致重大危害的实例28
6.1.1丰满72.5MW机组相间短路事故、90MVA主变压器匝间短路事故28
6.1.2云峰从前苏联引进4号机组（100MW）两相对地短路事故29
6.1.3葛洲坝二江主变压器内部短路事故29
6.1.4二滩550MW机组灭磁电阻选型的4次反复29
6.1.5岱海2号机600MW机组励磁失控误强励事故30
6.1.5700MW巨型机组发生内部电气事故不能快速灭磁危害更大30
7.ABB对三峡700MW机组采用SiC与ZnO灭磁仿真计算的解读31
7.1ABB灭磁仿真计算成果31
7.2表13SiC栏下最大、最小的含义32
7.3采用SiC与ZnO两种的灭磁参数性能对比33
8.我国研制、生产、试验、运行ZnO灭磁电阻的最新成果33
9.该发电机灭磁电阻选型复核结论和建议33
参考文献35
附图目录
[1]二滩9RV6A251型SiC组件通流击穿燃弧示波图
[2]二滩烧损的SiC电阻组件彩照
[3]二滩SiC阀片击穿部位图彩照
[4]天生桥二级6号机2002年4月4日灭磁事故烧毁部分P/DSiC组件在2005年10
月25日补充彩照
[5]ABB和M&
ISiC型式试验接线图
[6]ABB和M&
ISiC型式试验波形图之1
[7]ABB和M&
ISiC型式试验波形图之2
[8]白山3#SiC阀片16次冲击伏安特性示波图摘录
前言
在某700MW水轮发电机励磁系统及其附属设备的技术投标文件中，各投标单位分别选择采用碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）进行了比较。
本文就各单位在投标书中提出的对碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）两种非线性灭磁电阻的技术经济比较，及其推荐的灭磁电阻主要“性能保证值”进行复核，并综合对各电厂运行和各种试验情况，对灭磁电阻选型提出建议。
1.招标文件规定
招标文件6.2.7.1b）灭磁电阻5）中规定：
投标方应对单片、组件和整套灭磁电阻选用碳化硅和选用氧化锌这两种非线性电阻的设计方案的技术参数、性能，包括其容量、电流和电压的额定值、极限值、伏安特性，串并联组合后在严重事故大电流冲击通电流灭磁过程中的均能（包括均流）系数，个别电阻片在灭磁通流过程中击穿烧损的保护措施，和在相关工程投运经验教训等，投标方都要在投标文件中向招标方提供详细的说明；
并结合本工程提出在发电机额定空载灭磁、额定负载灭磁、强励顶值灭磁、空载误强励灭磁和机端三相突然短路事故灭磁等典型工况下的灭磁计算或仿真试验，提交其成果，并作出采用碳化硅和氧化锌两种方案的技术经济比较，提出推荐意见。
2.投标单位的推荐意见和性能保证值
各投标单位按招标文件要求，在投标书中对该发电机灭磁电阻采用SiC和ZnO两种方案都作了技术经济比较，并提出性能保证值。
现在先将各投标单位投标书中首推SiC的主要性能值归纳成下表1。
表中（XXX）内容是复核中，对各投标单位对招标文件要求响应情况的评述，或对填写数字错误的修正意见。
1南瑞
集团
②上海ABB
③东方
电机
④广科院
⑤维奥
机电
⑥哈电机
表1
投标1＃
投标2＃
投标3＃
投标4＃
投标5＃
投标6＃
推荐方案.制造厂.灭磁电阻材料.组件型号.
M&
ISiC，
600A系列（缺单片特性号Spec.）
I.SiC600AUS16/Spec.6298（单片）（组件型号与龙滩同）
ISiC，600AUS154/p
（缺单片特性号Spec.）
ISiC，Spec.6360
/6031（单片）（组件型号与三峡同）
整套并联电阻片支路数/每个并联支路串联片数
91/2
16/1
（误写为每1个组件16片并联，实际应是96/2）
16/1
（误写为每1个组件16片并联，实际应是96/2）
11/14
（误写为11个组件，每个组件14片，实际应是154/1）
70/2
整组（套）/每个组件/每个电阻片允许最大电流（A）
9894/761/108.73（这是厂家设计严重事故中通过的最大电流，没有按标书要求填写产品本身允许值）
36000/6000
/6000
8570（这是厂家设计严重事故中通过的最大电流）/没有按标书要求填写产品本身允许值）
7085/708/100（这是厂家设计严重事故中通过最大电流，没有按标书要求填写产品本身允许值）
整组（套）/每个组件/每个电阻片允许最大电压（V）
2100/（这是厂家选择的最大灭磁电压值,没有按标书要求填写产品本身允许值）
1882（这是厂家选择的最大灭磁电压值,没有按标书要求填写产品本身允许值）
1100（这是厂家选择的最大灭磁电压值,没有按标书要求填写产品本身允许值））
<
2100/<
2100/1050（机端三相短路）<
1700/1700/
850（空载误强励）（复核评述同左）
整组（套）典型/最大/最小伏安特性计算式
90..2I0.3132
/99..1I0.3132
/87..1I0.3173
34.19I0.4
/39..07I0.4
/28.32..1I0.4
34.19I0.4
V=KIβ
（具体参数订货时供）
110I0.41/119I0.41/
101I0.409（该计算式可能有误）
工作能容量整套/每个组件/每个电阻片（kJ注明温升值）
13650/1050/75（105K）
/90（130K）
12000（145K）/1100
/62.5
12000（145K）/
1100
10100/910
/65（没标明温升值）
12600/1050
/75（105K）
最大灭磁能量计算值（MJ）
8.71
8.017
8.4
8.22
三相短路/误强励If降到10%灭磁时间（s）
2.3～3.0
2.1～3.4
6
1.42～1.7
/2.3～3
灭磁时最大温升（注明环境温度和注入能量）
130（25K，8.71MJ）
93（25K，8.017MJ）
79（没有注明环境温度和注入能量）
89.6（40K，7.63MJ）
最严重事故灭磁时并联支路均能/均流系数
0.8/<
0.8
0.9（截止目前国内实测<
0.8）
近似1（明显错误）
<
0.8
单片外形尺寸外径/内径
/厚度（mm）
152/26/20
152/26/15.2
152//（没填写/）/20
SiC与ZnO技术经济比较意见（详见表2）
P.18首推SiC.ZnO完全可用于该灭磁
9.9.5）P.4对该SiC和ZnO均可满足
9.9.5.4ZnO和SiC都可满足该要求，可以采用
9.5）P.7对该SiC和ZnO均满足可用
文件二十.对灭磁SiC是最佳选择ZnO不合适
9.7.15对SiC.ZnO都有经验，可按业主要求选用
3.SiC与ZnO的技术经济比较表
现将各投标单位提出的SiC和ZnO非线性电阻技术性能比较内容归纳成下表2。
因为投标2＃、投标3＃与投标4＃的技术性能表内容相同,其它单位表内容不尽相同，所以将投标2＃9.9.5）中的P.3表1SiC和ZnO非线性电阻性能比较表等参数作为比较对象，同时把其它单位有不同意见的用（XXX）标明；
为节省表的篇幅，各单位名称用表1中的①～⑥代替，华中工学院王士良教授学术报告用代号⑦；
而复核发现明显问题和评述用⑧（XXX）标明。
表2
性能
SiC
ZnO
密度M（g/cm2）
2.4
5.4⑧（ZnO大于SiC）
比热C（J/cm3º
C）
1.7
2.8⑧（ZnO大于SiC）
单片能容量
较大②（Ф152δ15.2mm一次性极限62.5kJ.温升145K+环温40K=185K）⑧（M&
I答复三峡传真Ф152δ20.额定75kJ.温升105K+环温25K=130K，一次性极限90kJ.温升130K+环温25K=155K[1]）
较小①（科聚公司已能生产Ф158δ12的ZnO，单片能容量120kJ，可在特殊要求场合使用。
）⑧（ZnO120kJ大于SiC极限值90kJ）
非线性系数α
3～5（典型值2.8～3.5）（⑤2.8～3，软且稳定。
20～50（典型值30～40）⑤（30～40，硬且变化。
）①（国内实际运行经验证明稳定性可信赖。
）⑧（见寿命栏。
ZnO优于SiC）
电压温度系数αu（%，V/º
C）
-0.3～-0.85⑤正。
⑧（M&
I样本：
在0～100º
C之间为-0.12，没有说明实用时>
100º
C的数值；
三峡SiC实测是-0.472⑦-0.5；
“⑤正”显然是错了）
0.01～0.05⑤负。
⑧（科聚公司实测ZnO：
90年代中期为-0.063；
90年代后期己改进为0.015～0.033；
为正值了[2]。
ZnO明显优于SiC）
能量密度W（J/cm3）
120～260
300～700⑧（ZnO大于SiC）。
漏电流
亳安级/数十伏，（需通过可控硅跨接器或者灭磁开关常闭触头隔断）
毫（应改为微）安级/0.5U10mA（①<
50μA/0.5U10mA⑧（ZnO优于SiC）
允许温升（º
145（①（允许使用温度130。
）⑥（130）⑧（105环温25，见单片能容量拦）
145①150。
145,环境温度40º
C⑥150。
允许极限温度（º
⑤600。
⑥155。
①155，⑧（与M&
I给三峡传真[1]130+25=155一致，与9-7-4-3中160＋20（环境温度）自相矛盾；
后者可能有误）
①185。
⑤150。
⑥185。
限压特性
与注入电阻的电流直接相关；
过电压消失后不能自然关断，需专设“熄灭线”关断。
①差。
⑥差。
好；
过电压消失后可自然关断。
⑧（ZnO明显优于SiC）
灭磁时间
较长⑧（ABB为三峡灭磁作仿真计算：
在相近最大灭磁电压的条件下，强励顶值和额定空载的灭磁时间，SiC约为ZnO的2倍[3]）
短，有利于快速灭磁，减轻机组事故损害范围。
①（恒压灭磁时间最短）⑧（ZnO明显优于SiC）
响应速度（μs）
≦1
≦0.05⑤du/dt非常高会造成励磁绕组飞弧。
⑧（ZnO的限压特性和响应速度均明显优于SiC，避雷器早己完全用ZnO替代SiC,这是国际公认的，⑤的观点显然错误）
均能系数
90%①、⑥60%～80%，⑧（科聚实测：
白山P/D4片为88.6%[4]；
二滩9RV6A的12并2串片为68.28%[5]；
三峡66A/US14/7P/2S两组14并2串片为83%[6]）
90%①、⑥（90%以上）⑧（ZnO优于SiC）
寿命
长⑤（实际上无限，与放电次数无关。
）
较长①（长，>
90000h，老化试验证明：
60%荷电率下寿命110年）⑤（有限，取决于放电次数）⑧（科聚公司供军用产品在承受1万次冲击试验后性能仍稳定可靠[7]。
仅从某些使用条件下寿命长短讲SiC优于ZnO；
但从作为发电机灭磁、保护、安全和综合性能条件上讲，ZnO比SiC更能满足规程和用户要求）
失效模式和个别电阻片在通流过程击穿烧损的保护措施
失效为开路，不需要保护。
⑧（二滩SiC片在合肥试验证实存在边缘飞弧短路和直接击穿打孔短路两种故障状况[5]。
天生桥二级6号机运行中灭磁事故，SiC烧毁呈短路[8]。
I样本说SiC要防止飞弧短路。
这证明SiC局部损坏，存在不能自动开路退出，必须事故仃机处理缺陷。
“失效为开路，不需要保护”说法不准确。
失效为短路，每个并联支路设置快熔保护。
①个别损坏，有信号指示，并能自动退出工作，不需要事故仃机。
相关工程投运经验教训
国内≥400MW机都采用SiC。
⑧（二滩[5]、李家峡[9]、隔河岩[10]、天生桥二级[8]和潘家口[11]引进SiC在发电运行、事故灭磁、检修调试和试验室检验都发生过SiC击穿、边缘放电烧毁事故。
今年3月开始湛江奥里油先后己有2台600MW机组采用ZnO投运，东北元宝山1台600MW机组也即将采用ZnO投运。
在发电机组发生异步运行中，整套灭磁电阻因长时间带电通电流过热烧毁事故，在引进SiC和国产ZnO中都曾经发生过）
国内≦300MW机广泛采用ZnO
①（国内600MW汽轮发电机广泛应用）⑧（国内缺少全面调查统计。
但据手头资料：
从1995年ZnO投运以来，前期在专用作过电压保护中，由于电路设计上缺陷，曾发生过爆炸等故障，后来改进电路设计己解决。
在用作大型发电机灭磁，并在并联支路上串加快熔保护后，在严重事故灭磁中只发生过局部支路快熔熔断退出，没有发现整套ZnO灭磁电阻烧毁事故。
使用条件
①、⑥（有最大电流最大电压限制）⑤（免维护）⑧（二滩SiC组件在合肥试验中注入正常强励顶值电流84ms时局部SiC片边缘就放电短路，明显暴露组件‘12并2串’存在严重不均流不均能、负温度系数效应和有最大电流最大电压限制的缺陷[5]）
①、⑥（无最大电流最大电压限制）⑤（要定期检测维护）⑧（无最大电流最大电压限制上ZnO优于SiC；
要定期检测维护上SiC优于ZnO）
装置体积，布设条件
体积小
体积大⑧（SiC优于ZnO）
串并联配片条件
容易⑧（均能系数拦中已说明外商实际供货SiC均能系数小，他们在串并联配片中没有严格挑选。
SiC温度系数是负的，使串并联配片中要确保均能系数足够大是困难的）
复杂①串并联配片的困难，国内早已解决。
⑧（国内在ZnO串并联配片上己经编制出电脑选片程序并在组装检验测试上积累丰富经验，优于SiC）
对磁场断路器弧压要求
低⑧（二滩励磁招标文件规定机端三相短路灭磁时间要不大于1.1s。
在此同样条件下，最大灭磁电压值采用SiC的远大于采用ZnO的，所以对磁场断路器弧压要求SiC远高于ZnO[12]）
高⑧灭磁电流大小的变化，对ZnO灭磁电压变化影响非常小，基本不影响磁场断路器选型；
对SiC则反之。
价格
①引进价高，采购更换困难。
⑧（广科院一台套SiC12个组件投标价35万元，2.9万元/组件；
今年年中浙江嘉兴电厂购买同样型号组件5个作备品，化三十多万元，每个组件价格约为投标价2倍。
①（国产价低，采购更换容易。
⑧国产ZnO价格远低于引进SiC价格。
4.SiC灭磁电阻在运行中暴露的缺陷
4.1严重事故灭磁中局部SiC发生飞弧短路烧毁
4.1.1二滩550MW机组
2001年5月二滩将一台发电机的SiC灭磁电阻备品6个组件（运行接线是6个并联）中一个组件（型号为9RV6A251，片子Φ152mmδ10mm，接线2串12并，是从CGE随6台550机组成套引进。
合同规定：
机组正常强励顶值电流为5800A，强励顶值‘非限定’电流为8209A）拿到合肥科聚公司作试验，注入正常强励顶值电流六分之一录波:
开始为1026A、2926V，经84ms，下降到800A、2500V、注入能量才196kJ（为组件标称能容量的540kJ的36.4%）时，其中一个端部的2并2串4个SiC片的边缘防潮绝缘面突然发生击穿放电飞弧短路故障。
按M&
I样本，SiC片子厚度与发生飞弧电压关系是250V/mm，SiC两片串联后厚度20mm，组件出现≥250×
20=5000V时才会发生飞弧。
录波证明试验中没有发生如此高电压；
而且是在组件电压从2926V经84ms下降到2500V时才发生飞弧短路的。
显然不是单纯由于电压过高导致飞弧。
事后检查还发现发生边缘飞弧的端部片温很高与另一端部片温低，两端温度差异很大。
所以结论应是：
这种SiC组件在大电流冲击（正常强励顶值电流）过程中呈现明显不均能现象导致局部SiC片子过热飞弧烧损。
仅据手头资料，这次试验可能是我国笫一次在试验室仿真试验中质发现SiC组件在正常强励顶值大电流冲击下会发生：
边缘高压飞弧短路现象（见附图1、2）。
由于事后检查发现该组件24片SiC导电接触平面都没有击穿烧损现象，只是在边缘绝缘表面呈现有飞弧烟熏痕迹，就将整个组件SiC片拆卸擦诜干净，再分别作单片V-A特性测试；
结果是：
3#片在99A吸能4.2kJ时击穿（检测最大电流100A），15#片在58A吸能1.5kJ时击穿（最大电流60A），击穿发生在阀片距离边缘1～2cm部位，穿孔，孔径大约0.5～1mm；
使用数字万能表电阻挡测量，呈短路状态。
仅据手头资料,这可能是国内第一次从试验室检测中发现引进的某些SiC片在V-A特性中会出现击穿打孔短路故障，其故障形态与某些质量不好的ZnO在V-A特性中出现击穿打孔短路故障形态完全类似（见附图3），其它22个片子在60A以下的V-A特性正常。
综合上述V-A特性测试分析计算，该组件12并2串的均能系数为68.28%。
由于这种选型的SiC灭磁电阻组件还存在：
正常强励顶值电流5800A灭磁时灭磁电压高达2600～2700V，超过灭磁安全允许值的24%～29%；
灭磁电阻能容量偏低的缺陷，2002年二滩电厂已经重新招标，至今己经有4台换用600A/US16/P型号灭磁电阻。
这是我国巨型水轮发电机中首次发生刚投运几年就把整套引进灭磁装置重新更换事件。
以上详见[5]和附图1、2、3（原图是彩色照片清晰，可见原件。
黑白复印件清晰度较差）。
4.1.2天生桥二级220.5MW机组
2002年4月4日，天生桥二级6号机（220.5MW）从伊林成套引进的励磁装置发生发电机空载运行状态下励磁调节器失控误强励，事故灭磁中PA2/6/28/10型号（12个组件，2串168并）的SiC灭磁电阻发生局部冒烟着火烧损，当时外观检查有2个组件明显烧损（已被伊林拿走），烧损SiC片子呈短路状态。
同时CEX71-2000型磁场断路器常闭触头被电弧焊死。
事故后现场已经为6号机换用另一种型号（PA2/6/12/20）的SiC灭磁电阻。
这种SiC片子从V-A特性上看，允许最大电流为100A，一台机组168并应为16800A,而天生桥二级发电机额定励磁电流1567A，这次励磁空载误强励事故，励磁电流即使误强励到3倍额定励磁电流也只有6268A，仅为它允许最大电流值的37.3%，不应该出现飞弧击穿短路故障。
所以事故原因的结论是：
发电机空载误强励事故灭磁励磁电流转移到SiC灭磁电阻中去的过程中，在2串168并SiC片子中发生严重不均流不均压不均能现象，最终导致SiC片子飞弧击穿短路烧毁故障。
仅据手头资料，这可能是我国大型发电机中第一次发现引进SiC灭磁在发电机空载误强励事故灭磁飞弧击穿短路烧毁。
以上详见[8]和附图4。
4.1.3隔河岩300MW机组
隔河岩1台300MW机组励磁装置是从CGE成套引进的。
在一次现场作发电机空载灭磁试验时，在发电机发生过电压时磁场断路器跳闸灭磁，3个9RV6A251型并联接线的SiC组件中有1个组件燃弧（冒烟着火），其它2个组件完好。
当时现场把备品组件换上恢复运行[10]。
4.1.4SiC在严重事故灭磁中烧毁原因分析
过去长期以来，我国对SiC灭磁电阻的检验一般只是经过发电机额定空戴灭磁、额定负载甩负荷灭磁、定子静态短路电流为额定电流时灭磁等安装调试或一般事故灭磁的考验，SiC的表现：
虽然灭磁时间较长，但安全性上表现还是良好的。
再加外商对我国的技术封锁，不祥细说明SiC的特性，和我们有的专业人员的某些误解，一直
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