拉西瓦勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓及其保護(hù)配置

【摘 要】 勵(lì)磁系統(tǒng)在正常運(yùn)行中可能有多方面的原因引起勵(lì)磁回路過(guò)電壓，威脅著可控硅、二極管硅整流勵(lì)磁裝置及同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的安全工作，必須分別采取抑制過(guò)電壓的相關(guān)措施。本文結(jié)合拉西瓦電廠UNITROL5000型勵(lì)磁系統(tǒng)分析了勵(lì)磁系統(tǒng)回路過(guò)電壓產(chǎn)生原因、交流側(cè)RC阻容吸收、直流側(cè)跨接器保護(hù)過(guò)電壓的配置及原理。

【關(guān)鍵詞】 勵(lì)磁系統(tǒng) ?過(guò)電壓 ?阻容吸收 ?跨接器

1 引言

對(duì)于大型發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在運(yùn)行中常因一些故障或其它的原因使勵(lì)磁系統(tǒng)三相全控整流橋交流側(cè)和直流側(cè)（轉(zhuǎn)子）出現(xiàn)過(guò)電壓。勵(lì)磁回路的元器件在高紋波波動(dòng)電壓和尖峰過(guò)電壓長(zhǎng)期作用下，壽命大大縮短，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和整流勵(lì)磁裝置在過(guò)電壓的作用下有可能被擊穿損壞，從而導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性下降。隨著發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓的不斷提高和可控硅靜止式勵(lì)磁系統(tǒng)的廣泛使用，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的過(guò)電壓?jiǎn)栴}更加顯得突出，為了保證整流勵(lì)磁裝置、勵(lì)磁變、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等設(shè)備的安全，分析勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)的措施和保護(hù)方法，對(duì)發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

2 勵(lì)磁回路過(guò)電壓產(chǎn)生的原因

2.1 大氣過(guò)電壓

來(lái)自交流電網(wǎng)入侵的大氣過(guò)電壓，其能量通常較大，通過(guò)電容耦合和電磁感應(yīng)傳輸?shù)阶儔浩鞯恼鳂騻?cè);輸電線路遭受雷擊或靜電感應(yīng)過(guò)電壓時(shí)，若主網(wǎng)中過(guò)電壓保護(hù)不完善，則可能通過(guò)勵(lì)磁電源變壓器引入至勵(lì)磁系統(tǒng)回路。

2.2 操作過(guò)電壓

來(lái)自交流電網(wǎng)入侵的操作過(guò)電壓，亦可通過(guò)電容耦合和電磁感應(yīng)傳輸?shù)阶儔浩鞯恼鳂騻?cè);勵(lì)磁電源變壓器高壓側(cè)合閘的瞬間，由于高壓繞組與低壓繞組之間的分布電容與低壓繞組對(duì)鐵芯之間的分布電容及勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)地的分布電容的耦合，也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓;當(dāng)從高壓側(cè)斷開空載變壓器時(shí)，如果沒(méi)有足夠大的能容器件來(lái)吸收變壓器的磁場(chǎng)能量，激磁電流及與其成比例的磁通量突然消失，將使變壓器繞組感應(yīng)很高的瞬變過(guò)電壓;另外，當(dāng)整流裝置的負(fù)載被切除，或整流裝置直流側(cè)開關(guān)斷開時(shí)，在交流電源回路的電感上，特別是整流變壓器的漏抗上，將因電流突然中斷而產(chǎn)生過(guò)電壓。

2.3 直流側(cè)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓

來(lái)自整流橋阻塞負(fù)向磁場(chǎng)電流通路引起的正向過(guò)電壓，以及磁場(chǎng)勵(lì)磁電流突然中斷引起的反向過(guò)電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于低勵(lì)磁工況下，定子回路突然發(fā)生短路、非同期并列，滑極失步等大的擾動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中將感生交流分量電流，若勵(lì)磁繞組中電流瞬時(shí)值劇烈擺動(dòng)，在某段時(shí)間內(nèi)減小而過(guò)零力圖變負(fù)時(shí)，由于整流橋阻塞負(fù)向電流通路，造成繞組磁鏈急變而感生正向過(guò)電壓，即以反壓的形式施加于整流橋的硅元件上。

2.4 換相過(guò)電壓（或關(guān)斷過(guò)電壓）

處于導(dǎo)通狀態(tài)下的硅元件，有積蓄載流子存在，當(dāng)施加反向電壓時(shí)，原積蓄載流子的電荷量Qr（通常稱Qr為反向恢復(fù)電荷，快速元件的Qr很少，而大功率、高電壓的硅元件的Qr可達(dá)數(shù)百微庫(kù)，并隨結(jié)溫的升高而增加）從硅元件流出形成反向恢復(fù)電流iR。此恢復(fù)電流迅速截?cái)鄷r(shí)，在電路中流過(guò)此電流的會(huì)感應(yīng)出高電壓，即由于積蓄效應(yīng)引起的過(guò)電壓。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)原理

隨著技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)勵(lì)磁陽(yáng)極（交流側(cè)）過(guò)壓保護(hù)先后選用過(guò)多種配置。通過(guò)工程實(shí)踐，目前勵(lì)磁陽(yáng)極過(guò)電壓保護(hù)比較常用的主要有兩種：陽(yáng)極電源回路裝設(shè)壓敏電阻和陽(yáng)極電源回路裝設(shè)阻容吸收器。

3.1 壓敏電阻保護(hù)

在陽(yáng)極回路裝設(shè)壓敏電阻，利用壓敏電阻的非線性特性，吸收過(guò)電壓尖峰。原理圖如圖1，R，C器件是可控硅本身的阻容保護(hù)，RD是保險(xiǎn)，YM是壓敏電阻，可以采用三角形接線，也可采用星形接線。

壓敏電阻電壓的選擇，一般取陽(yáng)極電壓峰值的1.5至2.0倍，拉西瓦勵(lì)磁陽(yáng)極額定電壓為814V，這樣壓敏電壓應(yīng)選為2100至2900伏，浪涌電流很大。為防止壓敏電阻擊穿短路，在回路中還串聯(lián)快速保險(xiǎn)RD。按照這種方式整定的過(guò)電壓保護(hù)，剛好躲過(guò)可控硅換相過(guò)電壓尖峰毛刺?？梢妷好綦娮柽^(guò)電壓保護(hù)，無(wú)法吸收可控硅換相過(guò)電壓，只能吸收陽(yáng)極操作過(guò)電壓和可控硅熔斷器熔斷所產(chǎn)生的過(guò)電壓。如果降低壓敏電壓，則壓敏電阻的能容無(wú)法滿足要求。還有一點(diǎn)也至關(guān)重要，壓敏電阻不能降低過(guò)電壓尖峰毛刺的前沿陡度。

3.2 阻容吸收器保護(hù)

在勵(lì)磁陽(yáng)極側(cè)裝設(shè)阻容吸收器，利用電容穩(wěn)壓和充電特性，吸收勵(lì)磁陽(yáng)極過(guò)電壓尖峰毛刺達(dá)到保護(hù)目的。阻容吸收器有兩種類型，一種是普通型阻容保護(hù)，另一種是整流型（也稱阻斷式）阻容保護(hù)。

3.2.1 普通型阻容保護(hù)

在圖2中由三組R1C1組成普通型阻容保護(hù)，不僅能有效吸收陽(yáng)極過(guò)電壓尖峰毛刺，而且還能降低這些過(guò)電壓尖峰毛刺的前沿陡度。阻容保護(hù)接線方式，依據(jù)電容電壓水平來(lái)選擇三角形接線或星形接線。由于普通型阻容保護(hù)只能限制陽(yáng)極電源的差模過(guò)電壓，即線路與線路之間的過(guò)電壓毛刺，因此可采用三個(gè)C2電容組成星形接線過(guò)電壓吸收器，可以抑制陽(yáng)極回路的共模過(guò)電壓，即線路對(duì)大地的過(guò)電壓。

普通型阻容保護(hù)器件少，電阻發(fā)熱量小，過(guò)電壓吸收效果好，還能降低過(guò)電壓尖峰陡度。但RC參數(shù)受交流側(cè)電感（如勵(lì)磁變、自用變，以及定子和發(fā)電機(jī)出口回路）影響，計(jì)算復(fù)雜。一旦出現(xiàn)故障，分析難度較大。

3.2.2 整流型阻容保護(hù)

拉西瓦電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用整流型阻容吸收器過(guò)電壓保護(hù)，接線原理見圖3，阻容保護(hù)結(jié)構(gòu)圖見圖4，它是在三相全控橋陽(yáng)極輸入側(cè)并聯(lián)一個(gè)三相全波二極管整流橋電路，其輸出接電阻R3和電容C3負(fù)載，當(dāng)陽(yáng)極電源產(chǎn)生過(guò)電壓尖峰，經(jīng)整流二極管被電容抑制，過(guò)電壓之后電容上的電荷能量經(jīng)電阻進(jìn)行釋放，等待下一個(gè)過(guò)電壓尖峰的來(lái)臨。

3.2.3 拉西瓦電站阻容保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)

拉西瓦電站整流型RC阻容吸收器過(guò)電壓保護(hù)接線簡(jiǎn)單，損耗小，既可吸收整流橋交流側(cè)過(guò)電壓，也可吸收可控硅整流橋換相尖峰過(guò)電壓，可限制可控硅兩端的電壓上升率，有效防止誤導(dǎo)通。對(duì)于陽(yáng)極過(guò)電壓而言，電容起到低阻濾波作用，電阻起到放電作用，同時(shí)，反向二極管還能有效阻斷與交流側(cè)電感的電氣諧振危害。

4 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)

拉西瓦勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)（轉(zhuǎn)子）過(guò)電壓保護(hù)：由跨接器，非線性電阻（FDR），跨接器過(guò)流保護(hù)等組成。

4.1 跨接器原理

勵(lì)磁系統(tǒng)跨接器就是轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置，其基本電路及其原理是：一組正反向并聯(lián)的可控硅串聯(lián)一個(gè)放電電阻（非線性電阻）后再并聯(lián)在勵(lì)磁繞組兩段，當(dāng)可控硅的觸發(fā)器電路檢測(cè)到轉(zhuǎn)子過(guò)電壓后，立即發(fā)出觸發(fā)脈沖使可控硅導(dǎo)通，利用放電電阻吸收過(guò)電壓能量。拉西瓦勵(lì)磁系統(tǒng)跨接器控制回路圖見圖5。

跨接器組成：（1）V1：承受正向過(guò)電壓;（2）兩個(gè)反并聯(lián)的V2、V3： 承受反向過(guò)電壓;（3）觸發(fā)板（產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的電路板）：UNS 0017，觸發(fā)板中最主要的設(shè)備是：轉(zhuǎn)折二極管（BOD：break over diode）。

4.2 非線性電阻

非線性電阻一般有兩種：碳化硅電阻和氧化鋅電阻。

拉西瓦電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用六并兩串的碳化硅電阻作為非線性電阻，用于吸收轉(zhuǎn)子正向過(guò)電壓和反向過(guò)電壓的能量。按發(fā)電機(jī)空載失控誤強(qiáng)勵(lì)這種最嚴(yán)重的極限工況來(lái)計(jì)算，拉西瓦電站勵(lì)磁系統(tǒng)非線性電阻具有1.2倍安全裕量，在極端情況下也能保護(hù)碳化硅電阻和勵(lì)磁系統(tǒng)的安全。

4.3 過(guò)電壓時(shí)的工作原理

（1）正向過(guò)電壓。發(fā)電機(jī)端出現(xiàn)故障，如短路、錯(cuò)誤的同步或異步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子繞組都會(huì)感應(yīng)出很高的交流電勢(shì)。采用整流式勵(lì)磁裝置時(shí)，因?yàn)檎髌鞑荒芊聪驅(qū)ǎl(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路將會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓。又因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的電感量很大，在轉(zhuǎn)子電流大幅度變化或突然中斷時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組也能產(chǎn)生自感過(guò)電壓。過(guò)電壓，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣、勵(lì)磁裝置的性能非常不利，必須限制到足夠安全的水平，而且應(yīng)低于整流器可控硅的峰值反向電壓。

跨接器動(dòng)作電壓值：過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作值的選擇原則如下：在任何情況下應(yīng)高于最大整流電壓的峰值;應(yīng)保證勵(lì)磁繞組兩端過(guò)電壓的瞬時(shí)值不超過(guò)出廠試驗(yàn)時(shí)繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的70%。整流電壓的峰值就是陽(yáng)極電壓的峰值，其最大值要考慮允許過(guò)電壓的倍數(shù)，比如1.5倍數(shù);勵(lì)磁電壓的瞬時(shí)值是整流電壓峰值與cos a角的乘積值;拉西瓦勵(lì)磁系統(tǒng)跨接器動(dòng)作電壓整定為3000V。

當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)正向大于3000V過(guò)電壓時(shí)， 轉(zhuǎn)折二極管導(dǎo)通，觸發(fā)板發(fā)出觸發(fā)脈沖，V1被觸發(fā)導(dǎo)通，跨接器動(dòng)作，將非線性電阻并入轉(zhuǎn)子兩端，從而起到消能降壓的作用。

（2）反向過(guò)電壓。拉西瓦電站勵(lì)磁系統(tǒng)在正常停機(jī)時(shí)采用改變導(dǎo)通角大小實(shí)現(xiàn)逆變滅磁。在電氣事故時(shí)將通過(guò)跳滅磁開關(guān)實(shí)現(xiàn)快速移能滅磁，但由于轉(zhuǎn)子是一個(gè)儲(chǔ)能的大電感，在跳開滅磁開關(guān)后轉(zhuǎn)子當(dāng)于直流恒流源，它產(chǎn)生一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)作用在轉(zhuǎn)子回路中，觸發(fā)板發(fā)出觸發(fā)脈沖，與之相連的可控硅V2、V3被觸發(fā)，立即將滅磁電阻（SiC）串聯(lián)到轉(zhuǎn)子回路中。同時(shí)，流過(guò)跨接器的電流增大，達(dá)到動(dòng)作值，跨接器過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，發(fā)滅磁開關(guān)跳閘令使滅磁開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)子過(guò)壓能量消耗在非線性電阻上。

4.4 拉西瓦電站勵(lì)磁系統(tǒng)跨接器保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）正反向過(guò)壓保護(hù)采用可控硅跨接器，整定方法簡(jiǎn)單，無(wú)須維護(hù)。（2）采用獨(dú)特的熄滅線技術(shù)，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)瞬間過(guò)電壓動(dòng)作時(shí)，可由用戶選擇停機(jī)或不停機(jī)處理方式。（3）跨接器動(dòng)作后能可靠返回。

5 結(jié)束語(yǔ)

拉西瓦電站是黃河上游單機(jī)容量、總裝機(jī)容量最大的電站，首批兩臺(tái)機(jī)組自2009年5月發(fā)電至今，運(yùn)行情況良好，其UNITROL 5000型勵(lì)磁系統(tǒng)所采用的過(guò)電壓保護(hù)配置能有效的防止各種過(guò)電壓，提高了勵(lì)磁系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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[3]UNITROL 5000 Excitation System.

作者簡(jiǎn)介：楊臨輝（1985—），女，漢族，甘肅臨洮人，本科，工程師，長(zhǎng)期從事水電站機(jī)電安裝調(diào)試工作。