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高能 PTC 与 ZnO 非线性电阻 在大型同步发电机组灭磁及转子过电压 保护中的应用. 上海鑫日电气科技有限公司 朱 仲 彦. 前 言. 随着电力系统的扩大和同步发电机单机容量的增长，快速切除故障电流是确保电力系统稳定和安全运行的必要条件。当发电机内部或外部（发－变组接线时，包括与主断路器连接的母线）出现短路或接地故障时，快速切断励磁电源，并在尽短的时间内消耗掉储藏在励磁绕组中的能量，快速可靠的灭磁及转子过电压保护装置起着至关重要的作用。. 前 言.
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高能PTC与ZnO非线性电阻在大型同步发电机组灭磁及转子过电压保护中的应用高能PTC与ZnO非线性电阻在大型同步发电机组灭磁及转子过电压保护中的应用 上海鑫日电气科技有限公司 朱 仲 彦
前 言 • 随着电力系统的扩大和同步发电机单机容量的增长，快速切除故障电流是确保电力系统稳定和安全运行的必要条件。当发电机内部或外部（发－变组接线时，包括与主断路器连接的母线）出现短路或接地故障时，快速切断励磁电源，并在尽短的时间内消耗掉储藏在励磁绕组中的能量，快速可靠的灭磁及转子过电压保护装置起着至关重要的作用。
前 言 • 常规的方法是用提高快速开关的速度和增大开关的断口容量和弧压来解决，由于受吸能元件（碳化硅或氧化锌）的残压比和阀值电压的影响，使这种提高和增大受到一定的限制，如何更好地解决这一问题，长期以来一直是直流电感性负载大电流开断领域中一项难以攻克的课题。
前 言 • 二十一世纪材料科学的飞速发展，高能PTC（正温敏特性电阻）的研制成功，为从根本上解决这一难题找到了新的途径。充分利用高能PTC器件的导通和阻断两种特性来实现对自动空气开关的换流并阻断建压，配合ZnO非线性电阻的吸能，即可较好地解决大型同步发电机组的灭磁和转子过电压保护装置中目前所存在的问题。
主要内容包括： • 一、高能PTC（正温敏特性）电阻的物理特性及应用 ； • 二、DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 ； • 三、转子回路的过电压保护 ； • 四、DZL电子组合型磁场断路器开断实测波形图 。
一、高能PTC（正温敏特性）电阻的物理特性及应用一、高能PTC（正温敏特性）电阻的物理特性及应用 • 随着材料科学的迅猛发展，PTC电阻的应用已从电子领域进入到电力领域，其能容和耐压水平都有了大幅度的提高（单片通流容量≥1KA，耐压≥1200V），其阻值变化范围大于兆欧级（≥106Ω），居里温度点Tc根据需要可在80℃—120℃间设定。PTC的物理特性见《图一》。
一、高能PTC（正温敏特性）电阻的物理特性及应用一、高能PTC（正温敏特性）电阻的物理特性及应用 • 其工作原理为：PTC的电阻值R在居里温度TC以下时，呈低阻态特性，当温度高于TC后，阻值R会急剧上升至兆欧级，变成高阻状态。基于PTC元件的物理特性，我们可以把它与灭磁开关配套使用，利用以高能正温敏特性电阻（PTC）为主的DHQ电子换流器对开关主触头换流并快速建压，实现灭磁开关无弧分断。以解决因灭磁开关建压不足转子能量无法转移至ZnO电阻，而引起灭磁开关烧毁的事故。新装置在灭磁开始后，能迅速阻断施加于励磁绕组的励磁电源，并建压实现将绕组中的能量转移到以ZnO非线性电阻为主的移能器YNQ中，达到快速灭磁的目的。
一、高能PTC（正温敏特性）电阻的物理特性及应用一、高能PTC（正温敏特性）电阻的物理特性及应用 • PTC器件本身具有强烈的负反馈效应，它们组合应用时，就有自然均流的效果。所以不需要在灭磁电阻中串联均流电阻和快速熔断器，大大地减小了安装空间和消除因ZnO阀片的负阻特性所造成的短路隐患。其应用简单可靠、并有电流保护特性。其伏安特性见图二
二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 • 在直流电感性负载大电流开断的过程中最大的问题就是要快速安全的消耗掉储存在电感线圈中的巨大能量，常用的吸能元器件主要有SiC和ZnO非线性电阻两种。目前国外普遍采用SiC非线性电阻，因为SiC阀片的V－A特性较软，易于串并联使用，在磁场断口弧压较低的条件下，它容易实现对磁场断路器断口电流的安全转移，不会烧损磁场断路器的触头；但由于SiC的残压比较大，在大电流开断的情况下，极高的残压不仅对转子的绝缘构成威胁，而且对断口电流的转移也会造成一定的困难，同样存在着开关触头烧损事故的可能性。
二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 • 国内普遍采用V－A特性较硬的ZnO非线性电阻，它的漏电流小，非线性特性较陡，其残压比远远小于SiC非线性电阻。因此用它来作为吸能元件，不仅能做到快速灭磁，而且在强励灭磁的工况下，也不会引起过高的残压。但是采用ZnO非线性电阻灭磁有两大主要问题不易解决 。
二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 • 1、磁场断路器需要提供足够高的断口弧压，磁场电流才能从断口换流到ZnO灭磁电阻中去，否则将不可避免地会引起磁场断路器烧毁的严重事故。目前某些科研单位一味追求快速灭磁，研制多断口高额定最大遮断电压的磁场断路器，有的断口弧压甚至高达6000～7000V，这对转子回路的绝缘是非常危险的，也是规程规范所不允许的。
二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 • 2、V－A特性较硬的ZnO元件不易于串并联使用。往往为了达到均流、均能的目的，厂方需对元件的V－A特性、漏电流、残压比等参数进行严格的测试与筛选，然后进行计算机配片，这样一来，一只单片标称容量15KJ，成本仅为30～50元的阀片，经过筛选后到用户手中，就升值至每片200～300元，大大增加了使用成本，造成价格昂贵。而是由于ZnO的负阻特性影响，为了防止造成短路故障，需要在每一支路中串接熔断器，大大增加了安装空间。
二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 • 针对以上两大问题，一种由高能PTC与ZnO非线性电阻优化组合的磁场断路器已研制成功，攻克了长期以来不易解决的难题。
二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 • 由图中可以看出在相同电压的工况下，PTC电阻通过的电流I2远远大于SiC和ZnO通过的电流。图中粗线为高能PTC和ZnO非线性电阻组合器件所呈现的V－A特性，我们利用这种特性制成的电子换流器（DHQ）和移能器（YNQ）并接在开关主触头的两端，就能很好的实现开关的换流、建压并吸收掉存储在电感线圈中的能量。具体接线方式见下图。
二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 • 电子组合型磁场断路器的工作原理：正常运行时，机械开关的主触头K1和辅助触头K2闭合，电子换流器和移能器因K1的短接而未工作（不承受电压），正常或事故跳开关灭磁时，先跳开开关主触头K1，磁场电流由K1主电路换流至K2支路，因K2支路中的电子换流器（DHQ）为初始电阻很小的高能PTC组件（约0.1Ω），以开断1000A的磁场电流为例，在K1两端产生的电压仅为100V，所以K1能实现不烧损主触头的无电弧分闸；在磁场电流的作用下，PTC做功发热，其阻值急剧上升、迅速阻断并在其两端建立起足够的断口电压UK，当UK超过移能器中的高能ZnO非线性电阻的阀值电压时，磁场电流开始第二次换流，由移能器消耗掉电感线圈中储存的能量，实现快速灭磁。
二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图二．DZL电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 • 上图中辅助触头K2为延时跳开，其主要作用是当励磁方式为它励系统时，在机组灭磁完成后能使电子换流器DHQ免受外部电源的作用而长期发热；在自励系统中，K2可不用。二极管跨接桥中的D1可保证励磁调节器的正常逆变功能不受影响；D2能避免转子回路的开路状态。
三、转子回路的过电压保护 • RC为常规的阻容吸收电路，其主要作用是在直流侧断开时，吸收储存在交流电路和变压器漏抗中的残余能量，可很好的抑制瞬时过电压。
三、转子回路的过电压保护 • 由ZnO&PTC组件（专利技术）制成的转子过电压保护装置GB是采用中间带孔的环形阀片，一是便于组装，大大节省了安装空间；二是试验证明：由于电流的集肤效应，所有的击穿都是发生在阀片的外边沿，所以采用环形阀片具有便于组装、减少安装空间和重量等明显的优势。
三、转子回路的过电压保护 • 常规的用高能ZnO压敏电阻作为转子过电压吸收的方案，为了防止老化，往往将其荷电率的值选得很低（0.6以下），这使ZnO压敏电阻吸收尖峰过电压的能力大大降低，而采用无感式ZnO&PTC组件（专利技术）组成的过电压保护装置GB ，不仅可以提高它的荷电率（可选取0.8），由于PTC的作用，ZnO元件不怕老化，也不会造成短路。经实测RT吸收尖峰过电压的效果相当显著。电路中RN的作用是补偿因PTC发热万一完全阻断，而仍能保证该支路在电路中吸收尖峰过电压的能力。
四、DZL电子组合型磁场断路器开断实测波形图 • 灭磁接线方案按图四所示，灭磁工况参数如下： • 转子电感：Lf (75°)=1.42H • 转子电阻：Rf (75°)=0.35Ω • DHQ初始电阻：RT0 =0.10Ω • 转子电压：Uf =460V • 转子电流： If =1160A
四、DZL电子组合型磁场断路器开断实测波形图 • 图中：ID—电子换流器DHQ实测电流； • Iy—为移能器YNQ实测灭磁电流； • If—转子总电流； • Ik—开关K1断口实测电流。
四、DZL电子组合型磁场断路器开断实测波形图 • 工作过程：当K1跳闸时断口电流立即无弧分断，电流换流至DHQ支路，电流为ID，从转子电流如果中可以看出，由于这时电路中串接了DHQ的电阻RT0，转子电流如果及电压Uf会有所下降，这是由于电路仍处于整流输出状态。电子换流器的电阻RT在换流后作功发热，经0.04S阻断，随着断口电压的升高至1060V（可从Uf波形中算出），电流进行第二次转移到移能器YNQ支路进行快速灭磁，Iy为最后的灭磁电流，灭磁时间为从K1起跳开始到转子电流衰减到零灭磁结束，共0.58S。
