發電機勵磁系統功率柜均流問題分析

李 輝,范進喜,劉 凱

(雅礱江流域水電開發有限公司，成都 610051)

文章編號：1006—2610(2015)04—0076—05

發電機勵磁系統功率柜均流問題分析

李 輝,范進喜,劉 凱

(雅礱江流域水電開發有限公司，成都 610051)

簡要述及了影響勵磁功率柜均流的幾個因素，包括元件通態特性、開通特性、溫度、母排連接方式等，并針對官地水電站實際情況，提出相應解決措施。此外，還提出一種新的可控硅均流評判方法。

勵磁功率柜；可控硅；均流；均流系數；官地水電站

0 前 言

目前，大、中型發電機組普遍采用靜止可控硅自并勵勵磁方式。為了提高勵磁系統的可靠性和增加勵磁電源的容量，同時考慮到可控硅整流器容量的限制和系統對功率柜的冗余要求，一般都采用多功率柜并聯運行方式，這樣就產生了功率柜之間的均流問題。處理好功率柜之間的均流問題，對于提高勵磁系統運行的可靠性，保證電廠安全可靠地運行具有重要意義。

DL/T 489-2006《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置試驗規程》[1]中明確規定：在型式試驗、交接試驗和定期檢查試驗中都必須進行勵磁系統整流功率柜的均流試驗。

滿足均流的基本方法包括物理均流和動態均流。物理均流主要是通過對可控硅元件篩選、交直流側進出線匹配等方法來提高均流系數，而動態均流則借助于對同橋臂各晶閘管元件觸發脈沖時間的控制達到均流的目的。本文主要針對官地電站勵磁系統實際情況，分析并聯功率柜之間電流分配不均的原因，并探討其解決措施。

1 電流不均衡的危害

由于目前勵磁系統在整流柜配置上大多采用N+2冗余配置，即退兩柜時仍然能夠滿足發電機所有運行工況，所以發電機正常運行時，勵磁電流遠低于整流橋的額定標稱電流。以官地水電站為例：在環境溫度45 ℃時，單橋容許的最大勵磁電流2 000 A，即便考慮到均流系數，4橋并聯也能夠達到7 200 A，而帶滿負荷工作時的勵磁電流僅為2 800 A。在這種低負荷情況下考核可控硅整流橋的均流，對于發電機勵磁本身并沒有多大的意義。

但是對于功率柜容量配置較小的勵磁系統，電流不均首先會致使負擔過重的可控硅元件的結溫升高而最先損毀，這樣就加重了其他可控硅元件的負擔，從而引起其他元器件相繼損壞，這就是所謂的連鎖擊穿損壞現象，它會大大降低勵磁裝置的強勵效果[2]。所以不均流現象的直接后果是縮短了可控硅的使用壽命，造成因可控硅的熱擊穿而引發大事故的隱患。

2 影響并列運行可控硅整流橋電流 不均衡的因素

2.1 均流回路分析

勵磁功率柜主回路接線圖(以2個功率柜并列運行為例)如圖1所示。

圖1 勵磁功率柜主回路接線圖

對于功率柜1和功率柜2，假設R1a、R2a分別為其交流側進線電阻，R1d、R2d為直流側出線電阻，Rt1、Rt2為可控硅通態電阻，L1a、L2a為交流側進線電感，L1d、L2d為直流側出線電感，Vt1、Vt2為可控硅通態壓降，i1、i2為通過整流橋電流，則有：

(1)

從式(1)[2]中可以看到，影響并聯運行功率柜均流的因素包括交流側進線影響、直流側出線影響、可控硅換相過程的影響和可控硅元件本身的影響。

2.2 交流側進線的影響

由式(1)可知，交流側進線的影響主要集中在進線電阻和進線電感上。當可控硅通態電阻Rt1、Rt2分別大于整流橋交流進線側電阻R1a、R2a和直流出線側電阻R1d、R2d時，交流進線側電阻和直流出線側電阻對均流的影響并不明顯，但是在實際中這種情形很少出現，尤其當整流橋選擇的可控硅通態電流比較大時，其通態電阻更小。

2.3 直流側出線的影響

由于直接和轉子負載相連，很大的負載電感減弱了直流側出線對均流的影響，為此在處理均流問題時應優先考慮交流側阻抗匹配問題。

2.4 換相過程的影響

在圖1所示的勵磁功率柜中，當整流器工作在非換相區時，共陰極和共陽極各有1只可控硅導通，如T15和T16導通，其等效電路如圖2所示[3]。

圖2 T15和T16導通等效電路圖

圖3 T15和T11換相等效電路圖

當ωt=α時，T15和T11開始換相，等效電路如圖3所示。則有：

(2)

式中：γ為換相角；Lγ為交流側進線電感；ea和ec分別為A相和C相的陽極電壓；i1為流經T11的電流；i5為流經T15的電流。

由于在上述回路中，換相電流iγ由T15逐漸轉移到T11，所以：

i1=iγ,i5=Id-iγ

(3)

(4)

式中：Id為功率柜1的總電流，經整理得：

(5)

對式(5)進行積分，可得：

(6)

從式(6)中可以看到，在換相過程中，交流側換相電感直接影響電流在功率柜之間的分配。尤其當電感較大時，換相過程對電流的分配產生決定性的影響。因此，對于交流側采用電纜連接時，應盡量做到進線完全對稱。圖4是展示了一種理想化的并聯可控硅的連接方式[4]。

圖4 進出線母排完全一致的連接方式圖

2.5 可控硅元件的影響

2.5.1 導通壓降

可控硅元件的導通壓降由2部分組成，其中之一為PN 結壓降，即勢壘壓降, 另一部分為歐姆壓降，即可控硅基片與外殼各部分的接觸電阻造成的壓降。對于勢壘壓降，可以用等效電壓源代替；而對于接觸電阻，則直接用電阻表示[5]。

假設只有2只可控硅并聯，并聯電壓為V2，其接線如圖5所示。

圖5 可控硅并聯接線圖

此時，由于2只可控硅元件的正向伏安特性不同，2條支路流過不同的電流。其中，SCR1的電流為I2，SCR2的電流為I1。其伏安特性曲線[6]如圖6所示。

對SCR1：V1=V0+I1·Rt2

(7)

對SCR2：V2=V0+I2·Rt1

(8)

則：I1·Rt2=I2·Rt1

(9)

即在相同的管壓降下，元件的導通電流與其導通電阻成反比。為了保證其均流效果，應盡量選擇通態特性相同或相近的元件用在同一個并聯支路。最好是在元器件采購時就向供應商提出額定電流下元件導通壓降的偏差范圍。若要求的均流系數越高，則偏差應越小。

圖6 并聯可控硅伏安特性曲線圖

2.5.2 可控硅導元件節溫

圖7 可控硅的導通特性曲線圖

由于可控硅元件的導通特性與溫度相關，在不同的溫度下，導通特性會發生稍許偏移。具體的關聯曲線[7]見圖7。所以，對于均流系數，我們只應針對某一運行點或者某一具體溫度來進行要求。

由圖7 可知，在電流較大時(虛線和實線的交點以上)，可控硅的導通特性與可控硅的節溫正相關，但在電流較小時(虛線和實線的交點以下)，可控硅具有負溫特性，節溫越高，導通壓降越小。對于并聯功率柜，當某一功率柜輸出電流較大時，在相同散熱條件下，電流輸出大的可控硅裝置的發熱量增加，可控硅平均通態壓降會增大，所以該功率柜的輸出電流會相對減小，原來輸出小的功率柜輸出會相對增加，最終各裝置輸出電流達到一個新的平衡狀態，均流系數會上升。相反，在導通電流較小時，這種負溫特性則會惡化并聯可控硅之間的均流效果。

為了保證均流效果，應盡量保證同一個并聯支路上的可控硅具有相近的節溫。如盡量將元件安裝在同一散熱器上。

2.5.3 開通延時時間

開通延時時間也會對并聯支路的可控硅均流產生影響。如圖5所示的并聯支路，若SCR1的開通時間比SCR2的開通時間提早 ，則引起的瞬態不均的電流[8]為：

(10)

圖8 開通延時時間不同引起電流的瞬態不均圖

為保證并聯運行的可控硅能夠同時導通，在檢測可控硅的實驗過程中, 應進行開通延時時間配對。此外，可控硅觸發脈沖回路也是影響電流分配的重要因素，在硬件回路設計時應注意以下幾個問題：

(1) 必須滿足可控硅觸發時刻同步；

(2) 保證觸發脈沖前沿陡峭，采用大電流觸發。實踐表明對于同一型號的可控硅，大電流觸發能夠得到較高的電流上升率，有效減少開通延時時間的影響。具體的方法是逐漸增大可控硅的門極觸發電流，直到觸發回路對開通延時時間的影響達到最小；

(3) 可控硅觸發脈沖回路的可靠性對勵磁功率柜均流至關重要，而從調節器發出的脈沖最易受到電磁干擾，所以脈沖回路應使用屏蔽電纜，防止可控硅動誤觸發[9]。

3 官地電站勵磁功率柜均流處理

3.1 電站概況

官地水電站位于四川省涼山州西昌市和鹽源縣交界處，是繼錦屏二級水電站之后，錦屏一級水電站的又一補償電站。電站安裝4臺單機容量600 MW混流式水輪發電機組，總裝機容量2 400 MW，年平均發電量117.76億kWh。根據地理位置和國家電網的輸電規劃，官地水電站和錦屏一、二級水電站作為一組電源，供電川渝及華東。

官地水電站勵磁系統功率柜選用德國西門子公司原裝進口產品，單柜容量為2 360 A，其核心元件為EUPEC公司T 1971N型晶閘管。整流橋并聯支路數為4，均流方式為物理均流，直流側采用銅排連接，交流側除了交流開關柜送至各功率柜的等長電纜外，還在各功率柜之間增設了并聯電纜，其交直流側連接布置方式見圖9。

圖9 官地水電站勵磁系統功率柜連接方式圖

3.2 故障情況及處理建議

官地電站1號機組于2012年3月31日投產發電。投運初期，機組帶負荷較小，勵磁系統運行正常。隨著負荷的增加，在運行過程中發現部分功率柜電纜發熱嚴重。后用紅外線譜圖儀測量，發現1號功率柜交流側C相一根電纜外表皮溫度達到89.6 ℃，用鉗形電流表測量該電纜電流為640 A，電流過大導致發熱嚴重。測量其它電纜電流后發現功率柜交流側電流不均衡。

為消除安全運行隱患，于2012年7月9日進行了勵磁陽極側電纜更換，將現有YJV-3 kV-1×185電纜更換為YJV-3 kV-1×240電纜，并在電纜更換過程中嚴格把控施工質量，確保交流開關柜到功率柜的交流側電纜長度匹配，功率柜間的匯流電纜長度匹配，電纜銅接頭與功率柜交流側銅排接觸良好，無扭曲、變形現象并測量電纜的阻值。交流開關柜至各功率柜的具體的測量值見表1。

表1 電纜阻值測量表

重新開機并運行24 h候后，在勵磁電流為2 650 A時，測得功率柜交流側進線電纜最高溫度39.4 ℃，最大電流310 A。

比較處理前，在勵磁電流為2 140 A時，功率柜交流側進線電纜最高溫度89.6 ℃，最大電流為625 A，均流情況有較大的改善。檢測數據如表2所示。

表2 功率柜交流側進線電流數據表

官地水電站功率柜T 1971N型晶閘管通態電阻Rt=300 μΩ，略小于交流側進線電阻Ra，交流側電纜進線電阻對于均流的影響比較明顯。電纜阻值不等、銅接頭與功率柜交流側銅排接觸不均可能是造成功率柜均流較差的原因之一。

結合官地水電站和其他電站的運行經驗，有如下建議：① 盡最大努力保障功率柜交流側進線電纜等長，如有必要，可以適當延長電纜長度。② 取消功率柜之間增設的并聯電纜。增設并聯電纜主要是為了保證在一橋故障時電纜能夠承受強勵電流。根據電纜更換后功率柜交流側電流測量情況計算，YJV-3 kV-1×240完全能夠滿足強勵要求。增設柜間并聯電纜反而增加了功率柜交流側進線電阻和電感匹配難度，對均流產生負面影響。③ 在交流進線側電纜上加套磁環，調節各并聯回路補償電感量的大小。

4 功率柜的均流試驗

4.1 均流系數

均流系數是均流試驗的衡量標準，是指并聯運行各支路電流的平均值與最大值之比[1]。具體的計算公式為：

(11)

式中：KI為均流系數；Ii為第i條并聯支路電流；Imax為并聯支路中的電流最大值，共有m條并聯支路。規范[10]規定：在發電機額定勵磁電流情況下，均流系數不應低于0.85。

通過式(11)能夠反映功率柜各并聯支路中最大值與平均值的偏差，但是如果出現最大值很大、最小值又很小的極端情況，如表2中提到的B相電流，大值可以達到648 A，小值只有463 A，式(11)不能夠真實地反映出最大值和最小值之間的偏差。而通過式(12)則可以很好的反映這一點。

(12)

5 結 語

物理均流措施包括按照晶閘管參數如導通壓降、通態電阻、開通延時時間等進行匹配，按功率柜交、直流側進出線進行匹配，采用強觸發，在交流進線側銅排或電纜上加套磁環等措施。動態均流則是通過數字方式對調節器輸出的晶閘管觸發脈沖進行處理，調整其導通時刻，從而達到均流的效果[11]。需要強調的是，即便采用了動態均流技術，也應該優先使用常規均流措施以滿足各功率柜硬件回路的對稱性，避免最先導通的晶閘管承受很大的沖擊電流。

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Analysis on Current Sharing of Excitation Power Cabinet of Generator

LI Hui, FAN Jin-xi, LIU Kai

(Yalong River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610051, China)

Factors affecting the current sharing of the excitation power cabinet are described including the on-state characteristics, switching characteristics, temperature and busbar connection mode of components. Furthermore, the corresponding measures are provided for the actual issues of Guandi Hydropower Station. Additionally, a new assessment method for the current sharing of the controllable silicon is proposed.Key words:excitation power cabinet; controllable silicon; current sharing; current-sharing coefficient; Guandi Hydropower Station

2015-04-09

李輝(1984- ), 男，山西省榆社縣人，工程師，主要從事水電站二次設備檢修、維護工作 .

TM645.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.020