跨接器主要參數要求及選擇

范星座

（中廣核能源開發有限責任公司成都分公司，四川成都610091）

跨接器主要參數要求及選擇

范星座

（中廣核能源開發有限責任公司成都分公司，四川成都610091）

發電機轉子過壓保護功能是勵磁系統必須具備的重要功能之一。跨接器是常見采用的轉子過壓保護電路。本文針對勵磁系統跨接器，介紹了其主要參數要求及選擇。

轉子過壓保護；勵磁系統跨接器；碳化硅；觸發

1 概述

當發電機出現短路或勵磁系統出現故障，如機端三相短路、失磁或低勵造成失步等，就會在轉子繞組中感應出負向的磁場電流，進而產生反向過電壓。機組運行出現滑差將在轉子繞組中感應正向磁場，在勵磁繞組產生正向過電壓。若該能量無法釋放，感應電壓快速上升，會達到轉子繞組耐壓試驗電壓的數倍，嚴重威脅轉子和轉子所連接設備的安全。

2 跨接器組成

跨接器，國外習慣稱為CROWBAR，一般由可控硅閥、電流傳感器組成，串聯滅磁電阻后跨接在轉子兩端。見圖1。

圖1 跨接器接線圖

2.1 滅磁電阻

滅磁電阻可采用線性電阻或非線性電阻，在非線性電阻的選擇上，國內常采用ZnO，國外常采用SiC。

2.2 可控硅閥

正向控制元件一般由二極管構成。

反向控制元件一般由可控硅構成，反向控制元器件的選擇與滅磁電阻的類型有關，在采用線性電阻、SiC時，由于其特性較軟，在轉子出現負壓時，容易通流引起發熱，故反向元器件選擇采用可控硅，在采用ZnO時，由于其特性較硬，反向元器件一般選擇采用二極管。

2.3 可控硅觸發器

反向過電壓觸發器回路一般由R和CF所組成的過電壓測量回路動作，發出觸發脈沖，可控硅KPT導通，FR2進入導通狀態，限制發電機轉子的反向過電壓，保護轉子不受損害。

2.4 熔斷器RD、線性電阻R1及二極管D2

正向過電壓保護回路熔斷器RD的熔斷時間一般小于2 ms并且熔絲電壓足夠高，當部分支路產生故障，其相應熔斷器快速熔斷，產生的電壓將故障支路的短路電流迅速迫入其他支路，故障支路被切除。線性電阻R1和二極管D2在機組正常運行時降低非線性電阻FR1的荷電率，延緩閥片老化。

2.5 線性電阻R2、非線性電阻FR2及二極管D1

當產生正向過電壓時，保護轉子繞組絕緣不被損壞，一般讓D1的動作電壓大于D2的動作電壓。2.6電流檢測器

當使用碳化硅電阻時，因為碳化硅電阻的漏電流較大，一般會大于跨接器回路可控硅的維持電流，為了防止碳化硅電阻跨接器動作后不能可靠返回，最常見的方法也是在跨接器回路裝設過電流檢測器，一旦電流長時間大于設定值就跳閘滅磁。

由于跨接器用于滅磁和轉子過壓保護，工作時間較短，一般不超過10 s，可以不采用散熱器，而是直接壓裝。

3 跨接器主要參數要求

3.1 跨接器動作電壓值

過電壓保護動作值的選擇原則如下：在任何情況下應高于最大整流電壓的峰值；應保證勵磁繞組兩端過電壓的瞬時值不超過出廠試驗時繞組對地耐壓試驗電壓幅值的70%。整流電壓的峰值就是陽極電壓的峰值，其最大值要考慮允許過電壓的倍數，比如1.5倍數；勵磁電壓的瞬時值是整流電壓峰值與cos a角的乘積值。

3.2 放電電阻的選擇

放電電阻一般同滅磁電阻共用，滅磁電阻又分為線性電阻和非線性電阻，而非線性電阻又分為氧化鋅電阻和碳化硅電阻，因此，滅磁電阻的選擇比較復雜，其基本要求見《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件》。如果放電電阻不同滅磁電阻共用，比如國內的有些轉子過電壓保護裝置，選用氧化鋅電阻，則要選擇氧化鋅電阻的電壓值和能容量，其電壓值要高于滅磁電壓值，要小于跨接器的動作電壓值；其能容量選擇比較困難，一般選擇100 kJ～200 kJ（千焦耳）即可。

3.3 跨接器的返回措施

當轉子過電壓大于跨接器動作值時，跨接器動作并將轉子電壓限制為放電電阻兩段的電壓，在此電壓的作用下，放電電阻將流過所要吸收的過電壓能量，如果需要吸收的過電壓能量大于放電電阻的極限能量，就必須采取措施，最常見的措施就是檢測放電電阻的電流，一旦這個電流大于設定值就跳閘滅磁，這種方法也是處理轉子異步過電壓的最好方法。當跨接器動作后轉子過電壓消失，放電電阻承受正常運行的轉子電壓，對于氧化鋅放電電阻來說，由于其正常轉子電壓下的漏電流很小，大大小于可控硅的維持電流，此時跨接器能可靠返回；對于碳化硅放電電阻來說，其正常轉子電壓下的漏電流很大，大大大于可控硅的維持電流，此時跨接器暫時不能返回，只有當轉子電壓變為零或者瞬時值變極性后才能返回。具體來說，正向過電壓動作后，轉子電壓等于零或者其瞬時值變為負值時才能返回；反向過電壓動作后，轉子電壓等于零或者其瞬時值變為正值時才能返回；為了防止碳化硅電阻跨接器動作后不能可靠返回，最常見的方法也是在跨接器回路裝設過電流檢測器，一旦電流長時間大于設定值就跳閘滅磁。

4 跨接器主要參數選擇

4.1 非線性滅磁電阻容量的選擇

空載勵磁繞組儲能：

W0＝0.5×L0×If02=0.5Rf0×Td0×If02

強勵時，勵磁繞組的儲能，考慮到飽和及耗能分配影響，應乘以相應系數

WC＝0.5×LC×（KV×IfN）2

WC＝0.5×KSKRRf0Td0×(KV×IfN)2

式中IfN——額定勵磁電流

If0——空載勵磁電流

Td0——發電機空載時間常數

KV——強勵電壓倍數

KS——強勵時勵磁繞組飽和系數，一般取KS＝0.4水電取0.6

KR——滅磁時由滅磁電阻分擔的磁場總容量，一般取KR＝0.7

Rf0——勵磁繞組電阻（75°）

考慮20%裕度。

4.2 非線性滅磁電阻殘壓的選擇

通常非線性電阻最大殘壓U殘一般不低于勵磁繞組出廠試驗電壓的30%，不高于50%。

U殘＝UfN×（3～5），可控硅整流一般選4，二極管整流一般選3；

U10mA＝U殘/1.5。

滅磁閥片的動作電壓值約為U殘×1/1.2～1.3

因此要求非線性滅磁電阻閥片一般應具有如下特點：

（1）閥片單片容量20kJ，最低電壓不低于280V；

（2）閥片流過100 A的電壓和流過10 mA的電壓比值僅為1.5倍；

（殘壓比K＝U殘/U10mA＝1.5）

（3）漏電流小，二分之一U10mA電壓下的電流I=1/2 U10mA＜50μA；

（4）閥片能在持續運行電壓Ue＝0.75 U10mA下工作；

（5）選取閥片數量時應注意考慮安裝方式，一般一條組件上壓裝4組（殘壓低于1 000 V時最多可壓裝5組），每組中最多可串連3片（殘壓低于800 V時最多2片），每組單獨配一個熔絲；也可采用雙抽頭式，即一條組件上壓裝8組，每兩組共用一個熔絲。

4.3 過電壓保護器殘壓的選擇

U非全相＝U殘×1.5

4.4 KPT、D1及D2參數選擇

可控硅KPT、二極管D1、D2，其參數選取：

IfN＞1000A時，二極管D1、D2選ZP1000A/3200V，KPT選1000A/3200V；

500A＜IfN＜1000A時，二極管D1、D2選ZP800A/ 3200V，KPT選8 00A/3200 V；

IfN＜500 A時，二極管D1、D2選ZP500A/2500V，KPT選500A/2500V。

4.5 跨接器邏輯控制

由于轉子過壓分正向過壓和反向過壓，所以CT電流傳感器測量的電流也對應有兩個方向。當轉子反向過壓或事故跳閘時，測量的電流方向為負；當正向過壓時測量的電流方向為正。該電流的方向影響到勵磁系統中兩個保護的不同動作邏輯。

當機組運行時出現轉子反向過壓，過壓值大于反向過電壓整定值時，R-CF觸發可控硅KPT將非線性電阻FR2接入轉子，將轉子電壓限制為FR2兩端的電壓，同時霍爾傳感器CT檢測電流經過，該電流顯示值如果大于保護定值，系統發出“轉子過壓故障”信號。

當機組運行出現滑差并造成轉子正向過壓，過壓值大于正向過電壓整定值動作值時，FR2非線性接入轉子，將轉子電壓限制為FR2非線性電阻兩端的電壓。同時霍爾傳感器CT檢測電流經過，送出信號給調節器，進行相應邏輯處理。

5 結論

在國內，大型發電機組中可恢復型跨接器應用較多，特別是在應用SiC作為滅磁電阻的情況下，通過正確的原理設計、合理的參數設置和適當的試驗方法，驗證該功能的可靠性，能夠有效實現轉子過壓保護，避免不必要的機組停機。

發電機的滅磁既要考慮到可靠性，同時也要兼顧滅磁的快速性。

宜采用線性加非線性滅磁方案。

滅磁容量的計算必須依照發電機的參數，根據發電機的五階模型對發電機機端三相短路、發電機空載誤強勵和發電機負載誤強勵3種工況進行仿真計算。

[1]王丹，陸繼明，毛承雄.三峽水輪發電機組滅磁方案研究[J].電網技術，2002，（6）：39-42.

[2]DL/T 583-2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件[S].

[3]李先彬.電力系統自動化[M]，1981.

TM864

A

1672-5387（2017）02-0012-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.02.004

2015-07-24

范星座（1977-），男，工程師，從事電站安全生產管理工作。