同步發電機轉子過電壓過程分析

佟林暉，李國良

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

1 同步發電機轉子過電壓的來源

1.1 可控硅整流橋產生的換相過電壓

可控硅三相全波整流橋的原理如圖 1所示，其整流輸出的直流電壓Uf波形如圖2所示（電源頻率50Hz）。圖1中勵磁變壓器LB次級相電勢分別為ua、ub、uc，LB的漏感以及線路電感折合到次級繞組用集中電感Lb表示。正常運行時K1～K6六個元件輪流導通。

圖1 可控硅全控橋整流原理圖

圖2 勵磁電壓波形圖

圖3 K1、K2硅管電流波形圖

圖4 GRC保護原理圖

1.2 定子側或轉子側開關通斷產生的操作過電壓

定子出口開關非同期并網或突然甩負荷跳閘，使定子電流發生階躍突變，發電機氣隙及鐵心中磁通急劇變化，在轉子勵磁繞組LQ中感應出過電壓。

轉子側的滅磁開關跳閘滅磁，使勵磁電流快速下降，也會在勵磁繞組LQ的電感及勵磁變LB漏感中感應出較高的過電壓。

1.3 定子出線短路或雷擊等產生故障過電壓

定子出線短路、接地，或遭雷擊等事故時，定子側產生故障過電壓。這些過電壓會經過定子繞組和轉子勵磁繞組LQ間的耦合感應到轉子回路。

1.4 發電機異步運行時產生滑差過電壓

同步發電機在運行中失磁，轉子會在高于同步轉速下異步運轉，靠阻尼繞組的作用變成異步發電機。在有功負荷突然變化時，功率角發生突然變化或發生失步振蕩的過程中，也有暫時的異步運行。這時轉子勵磁繞組 LQ的導體與定子電流產生的旋轉磁場間有相對運動，導體切割磁力線產生感應過電壓，此過電壓是一個正弦波，其幅值

式中：f2——異步運行時轉子滑差感應電壓的電頻率，一般小于20Hz；

w——LQ的串聯匝數；

Ф——定子電流產生旋轉磁場的主磁通；kw——LQ的繞組系數。

由于LQ的匝數w較多，Ehm較大，據有關資料[1]分析，在水輪發電機可達幾萬伏。

1.5 定子三相負載不對稱（或非全相）運行時產生不對稱過電壓

發電機定子三相負載不對稱或一相斷路（非全相）運行時，定子三相電流不對稱。這組不對稱的三相電流，可以分解成三組對稱的三相電流：“正序分量”、“負序分量”和“零序分量”。這三組對稱的電流流過發電機定子繞組，分別產生空間相隔 120o電角度的磁場。由矢量分析可知，零序電流產生的合成磁場為零。正序及負序電流產生的合成磁場分別在空間作正向和反向的同步轉速旋轉，產生正序和負序磁通。轉子繞組LQ是以正向同步轉速旋轉，它與正序磁通相對靜止、與負序磁通以兩倍同步轉速相對運動。該過電壓的幅值可用式（1）計算，式中的f2=100Hz，Φ為定子不對稱電流產生的負序磁通。

2 轉子過電壓保護

對上述 5種過電壓可采取不同的保護措施進行有針對性的保護。

2.1 阻容吸收保護

第一種換相過電壓，頻率高達300Hz，而且是長期連續的，可采用GRC型阻容吸收過壓保護器，用于吸收可控硅的換相過電壓。這種保護方式可將換相過電壓限制到陽極電壓峰值的1.5倍以下。

根據上述1.1條關于換相過電壓的分析，其產生的原因在勵磁變的漏感及線路電感，所以把GRC放在整流橋的交流側效果比較好，如圖 4所示。因換相過電壓的產生只決定于并聯橋臂中最后截止的那只可控硅，與并聯橋臂的多少無關。在可控硅換相t3～t4階段，LB次級繞組任意二相電流突變產生過電壓時，都可以經過二極管D1～D6對電容C充電，從而得到緩沖，降低di/dt，限制了過電壓。t4時刻后，C上的電荷向電阻R釋放，等待下一個周期再次吸收。

2.2 壓敏電阻保護

上述第 2～5四種過電壓，都不是長期連續而是偶然發生的，適合用ZnO壓敏電阻來保護。ZnO有優良的非線性伏安特性（見圖 5），一方面在大電流沖擊下殘壓不高，保護特性好；另外當過電壓消失后，ZnO的續流迅速大幅度下降到mA級，可使過電壓保護跨接器中的可控硅管自行關斷。

圖5 三種電阻的伏安特性

圖6 異步運行時轉子繞組等值電路

2.3 過電壓保護的吸能容量

上述第 1～3種過電壓持續時間都在毫秒級，能量不大。第4～5種持續時間較長，能量較大。

發生滑差過電壓時，感應電勢幅值Ehm如式(1)所示，由于Φ及w均較大，如LQ外電路開路（如可控硅整流橋反向不通，也相當于開路），則LQ的端電壓就等于Ehm，將擊穿絕緣或可控硅。如在LQ兩端跨接 ZnO電阻，則其電壓被限制，勵磁繞組的等值電路如圖6所示。圖中Eh為滑差感應電勢，有效值Eh= 4.44f2wΦKw，Rf是LQ的內電阻，Lfσ是LQ的漏電感，Rv是外接的ZnO壓敏電阻的等效靜態電阻值(隨電流大小而變，電流大時阻值小)。則回路電流有效值

式中：Xfσ=2πf2Lfσ，是 LQ 的漏電抗。

分子、分母中轉子滑差電頻率f2消掉，w、Kw及Lfσ均是發電機的固有參數，Φ取決于定子并網的電壓及電機參數等，基本為固定值，最后得出Ih近似為恒值，與滑差頻率無關。即異步運行時的轉子勵磁繞組LQ可近似視作一個恒流源（如f2＜5，由于Eh及Xfσ均減小，電阻相對變大不可忽略，故Ih減小，更趨安全）。

式中：u——ZnO兩端電壓瞬時值，V；

I——ZnO內流通的電流瞬時值，A；t——時間，s；

T——異步運行工況持續時間，s。

式(2)中由 ZnO選擇的殘壓決定，一般為1～3kV；

由發電機參數決定，一般為幾千安，經驗數據可取=（0.7～0.8）IfN；

T取決于發電機失磁保護的動作時間[3]，一般為125ms；

由此可算出W的大小。一般發電機的滅磁能容量遠大于滑差過電壓的能量。在發電機轉子快速滅磁兼過電壓保護裝置中，滅磁及過電壓保護所用的吸能限壓ZnO元件是公用的，所以只要滅磁能容量滿足了，過電壓保護自然能滿足，不必再作仔細的計算。

不對稱過電壓能量的理論計算方法與上述方法相似。由于 Ih的值基本與滑差頻率無關，不對稱運行的負序磁通Φ-比異步運行時的正序磁通小，也就是不對稱過電壓的電流小于滑差過電壓；而不對稱工況的持續時間則取決于繼電保護的動作時間。經驗估計的該過電壓保護的吸能容量小于滑差過電壓，同樣不會超過滅磁裝置的吸能容量。如果過電壓保護的吸能限壓ZnO元件是與滅磁兼用的，則只要滅磁能容量滿足了，過電壓能量也就滿足。

上述分析是對水輪發電機而言。汽輪發電機由于其轉子整體鍛造的鐵心中可產生的渦流阻尼作用，削弱了旋轉磁場的感應電勢，其滑差過電壓及不對稱過電壓幅值不高[4]，根據經驗該幅值 Uhm＜（3.5～4）UfN（額定勵磁電壓），對轉子絕緣及勵磁回路元件不造成危害，所以汽輪發電機允許較長時間（可達15min）的異步運行而不跳閘[4]。

綜上所述，發電企業可根據自己電廠的實際情況采用不同的保護方式組合或保護定值以達到保護轉子的目的。

[1]李基成. 現代同步發電機整流器勵磁系統[M]. 水利電力出版社, 1987.

[2]李自淳. 淮南化肥廠630kW同步電動機用壓敏電阻啟動實驗報告[R]. 合肥：中國科學院等離子體物理研究所, 1988.

[3]王維儉. 電力系統繼電保護基本原理[M]. 清華大學出版社, 1991.

[4]史家燕. 國產TQN-100-2型汽輪發電機失磁異步運行試驗報告[R]. 合肥：中國科學院等離子體物理研究所, 1982.