西霞院電站勵磁系統滅磁原理及過電壓保護研究

崔培磊 王嘉雨 王帥琦 王志剛 洪羽

（黃河水利水電開發總公司，河南 鄭州 450000）

西霞院電站勵磁系統滅磁原理及過電壓保護研究

崔培磊 王嘉雨 王帥琦 王志剛 洪羽

（黃河水利水電開發總公司，河南 鄭州 450000）

本文詳細介紹西霞院電站勵磁系統過壓保護配置，滅磁裝置的組成，描述事故停機時過壓保護與滅磁裝置配合的工作過程。

水輪發電機組；勵磁系統，過電壓保護；滅磁裝置

西霞院水電站是小浪底水利樞紐的配套工程，位于小浪底水電站下游約16km處，下距鄭州116km。水電站為河床式廠房，最大高度為51.5m，裝設4臺單機容量為35MW的軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量140MW，多年平均發電量5.83億kW·h。最大水頭14.35m，最低水頭5.83m，額定水頭11.5m，電站保證出力45.6MW。2007年底4臺發電機全部投入運行。

隨著我國電力事業不斷發展，發電機安全穩定運行越來越被重視，而發電機勵磁系統穩定運行是其關鍵。當發電機發生故障事故停機時，發變組保護能將發電機快速從系統中隔離開來，但發電機高速轉動慣性仍然存在，儲藏在轉子繞組中的磁場不能迅速消失。勵磁電流突變會在轉子繞組中形成暫態過電壓。因此，發生事故停機后，應在短時間內將機組轉子繞組的磁場能減至最低，這就是發電機滅磁。

勵磁系統過電壓保護是確保發電機轉子和整流橋避免引起過電壓的重要回路。當發電機在甩負荷時電壓上升過高，過電壓保護動作，通過滅磁裝置滅磁，保護機組免受過電壓危害。近年來，隨著發電機容量不斷增大，對滅磁及過壓保護的要求也逐漸提高。因此，發電機滅磁［1］及過壓保護也得到了快速發展，種類、形式也相對較多。目前，較常用的滅磁方式有逆變滅磁、滅磁開關滅磁、壓敏電阻滅磁等；過壓保護按吸收元件分阻容保護、壓敏電阻保護和硒堆保護等形式。

西霞院電廠勵磁系統過電壓保護組成主要包括：阻容吸收過電壓保護、兩套獨立的受觸發器控制的氧化鋅壓敏電阻過電壓保護以及三角形連接非線性壓敏電阻過電壓保護組成。阻容吸收過電壓保護、三角形連接非線性壓敏電阻過電壓保護主要用于吸收勵磁系統整流橋換相引起的交流側尖峰電壓；位于直流側兩套獨立的受觸發器控制的氧化鋅壓敏電阻過電壓保護，主要用于保護轉子過電壓［2］和滅磁。滅磁方式采用逆變滅磁、滅磁開關滅磁、壓敏電阻滅磁多種形式相結合的方法，機組正常停機時由調節器控制三相全控橋式整流電路逆變滅磁，在事故停機時由滅磁開關和壓敏電阻配合滅磁。以下對西霞院電廠勵磁系統滅磁及過電壓保護原理進行介紹。

1 阻容吸收過電壓保護回路（GRC）和三角形連接非線性壓敏電阻過電壓保護回路（RY01-03）

阻容吸收過電壓保護回路（GRC）和三角形連接非線性壓敏電阻過電壓保護回路（RY01-03）組成了勵磁系統的過電壓保護（如圖1所示）。GRC回路在低電壓下工作，減少小電流對設備的影響；非線性壓敏電阻（氧化鋅產品）耐壓能力較強，可以直接吸收大電流，減小其對設備的沖擊。

圖1 GRC和RY01-03過壓保護原理圖

1.1 GRC工作原理

如圖1所示，GRC回路工作為三相全控整流橋，其在換相過程中會產生暫態短路電流，引發交流回路上電感元件過電壓，因此GRC整流回路需要集成額外的阻容吸收元件。

集成阻容吸收元件工作原理：整流換相時產生的暫態短路電流，通過二極管D1至D6，被電容C3吸收，使回路得到緩沖，從而不會在LB側次級繞組產生過電壓。換相結束，C3吸收的電能流向電阻R3并被消耗掉。電容C3、電阻R3為主要阻容吸收元件，圖中的C1-R1與C2-R2為兩組輔助阻容吸收元件。主阻容吸收元件主要吸收換相最大短路電流能量，輔助阻容吸收元件主要吸收勵磁繞組其他原因引起的短路電流。

1.2 阻容回路設計原理

二極管D1至D6作用：①使電容吸收電能流向阻容吸收元件，避免短路電流影響整流電路；②防止回路中電感與阻容吸收器電容產生振蕩；③三相回路可同時使用一個可靠電容，達到節約資源的目的。

通過計算和試驗，將GRC回路各元件參數設置如表1所示，能達到最優的吸收短路電流效果。

表1 GRC回路設備參數

1.3 氧化鋅壓敏電阻過電壓保護回路

氧化鋅壓敏電阻過電壓保護回路，見圖1中RY01-03部分。勵磁回路交流側氧化鋅壓敏電阻過電壓保護回路采用壓敏電阻三角形接線方式，主要用于吸收大能量的過電壓。如同期并網斷路器合閘瞬時產生過電壓、機組甩負荷過電壓、線路被雷擊過電壓等。

勵磁系統過電壓，可能是機組在實際運行遇到如下情況：①發電機出口開關在同期不完全情況下并網，或發變組保護動作突然跳閘甩負荷，定子電流大幅變化，與發電機轉子繞組產生感應，導致勵磁系統過電壓；②發電機出線出現相間短路、接地或遇到被雷擊時，發變組保護動作，同樣會造成機組甩負荷導致勵磁過電壓；③當發電機三相電流不對稱時，發電機定子會產生負序電流，產生一個與定子磁場反方向的負序磁場，轉子則以兩倍的轉速切割磁場，導致轉子發熱、振動加劇，也會使勵磁系統過電壓。

所述情況均為機組非正常運行或遇突發故障，這樣只會導致勵磁系統短時間過電壓，氧化鋅壓敏電阻正適合這種短時電壓突變情況，在瞬時電流突變情況下，氧化鋅非線性伏安特性，使勵磁系統電壓不會過高，阻斷大電流沖擊特性良好；短時間電流突變情況消失后，氧化鋅壓敏電阻過流能力迅速下降，直至保護中連接器的可控硅關斷為止。

圖2 過電壓保護回路二次圖

如過電壓保護原理如圖2所示，在直流側設置了兩套氧化鋅壓敏電阻，61支路、62支路均為受觸發器控制的氧化鋅壓敏電阻過電壓保護回路；轉子運行中也會產生反向過電壓故障，這時在三相橋式SCR可控硅整流電路側并聯一個單向導通的二極管，可以避免這一故障。勵磁系統正常運行時SCR回路不導通，正向勵磁電壓被SCR阻隔，反方向雖然有二極管D導通，但勵磁電壓反向電壓峰值較低，所以氧化鋅壓敏電阻FR長時間運行在低壓狀態下，荷電率很低，可保證其長期工作壽命，不易老化。正向過電壓沖擊時，通過分壓電阻R使觸發器CF動作，輸出觸發脈沖使SCR觸發導通，FR的過流能力下降至接近0，遠小于維持SCR導通狀態的數值，SCR自行關閉，氧化鋅壓敏電阻回路復歸關斷。二極管60D導通限制反向過電壓，過電壓現象結束后恢復關斷狀態。通過調整R的阻值來設定正向過電壓保護過壓值。設計時，可將滅磁開關兩側的正向過壓保護過壓值設置為相同，這樣在滅磁開關合閘期間，過電壓保護速度就會大大提高。

2 滅磁原理

機組正常停機時，在跳開機組出口開關前，隨著降負荷過程勵磁調節器將勵磁電流調整至降低范圍，當機組出口開關跳閘后，勵磁調節器控制三相全控整流橋進入逆變狀態，轉子回路中剩余磁通經過三相全控整流橋返回交流側而被消耗掉。在這個滅磁過程中，滅磁開關并不用跳開，整流橋控制原理如圖3所示。

當機組因事故停機時，滅磁開關會在保護動作下跳閘。滅磁開關斷開后，轉子內仍存在大量的磁通，一部分磁通能量在帶有滅弧功能的滅磁開關斷開時消耗，剩余部分通過氧化鋅壓敏電阻消耗。滅磁過程如圖2所示，當滅磁開關FMK跳閘后，60D導通，轉子內剩余磁場能量經過多對電阻及非線性電阻被消耗掉。

3 結語

西霞院水電廠各機組勵磁系統自2007年投產以來至今未發生重大故障，運行可靠、穩定，充分證明了這套過電壓保護裝置的實用性，使其成為同類機組設計、技改的范例。

圖3 整流橋逆變狀態控制原理

［1］ 許其品.大型發電機組合滅磁方式［J］.電力系統自動化，2007（15）：70-73.

［2］ 胡新軍.300WM發電機轉子過電壓保護回路的改進及分析［J］.華中電力，2014（5）：32-33.

Study on Demagnetization Principle and Overvoltage Protection of Excitation System in Xixiayuan Power Station

Cui PeileiWang JiayuWang ShuaiqiWang ZhigangHong Yu
（The Yellow River Water Conservancy and Hydropower Development Corporation，Zhengzhou Henan 450000）

This paper introduced the structure and working principle of over voltage protection and demagne?tization device power station excitation system of Xixiayuan,summarized the operation over voltage protec?tion and deexcitation device of the excitation system.

turbine generator；excitation system；demagnetization；overvoltage protection

TM862

A

1003-5168（2017）11-0136-03

2017-09-03

崔培磊（1987-），男，本科，工程師，研究方向：水電站經濟運行和水庫聯合調度；王嘉雨（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：水電站運行管理及維護。