變壓器連接方式對勵磁系統影響的理論分析

趙夢瑩

哈爾濱電機廠有限責任公司 哈爾濱 150040

1 研究背景

隨著計算機技術的迅速發展，靜止晶閘管勵磁裝置成為目前電站同步發電機勵磁裝置的主要設備[1]，承擔著調節發電機機端電壓及無功功率的任務，其性能直接關系到發電機運行的可靠性。勵磁裝置的主回路通常采用三相全控橋整流電路，晶閘管的移相觸發電路是控制的核心[2]，同步電壓的相位是移相觸發電路的關鍵，移相觸發單元必須接受與主回路電源電壓，也即陽極電壓相位相同的同步電壓，才能保證觸發脈沖符合要求。勵磁系統中陽極變壓器及同步變壓器的連接方式決定了同步電壓相位是否正確[3]，因此變壓器內部同名端連接錯誤將導致勵磁系統的輸出故障。

長期以來，由于缺少關于勵磁系統故障方面的理論分析文獻[4]，現場調試時缺乏理論指導，且受物理條件限制，無法直接在機組上做試驗進行嘗試性分析，導致勵磁系統故障的現場排除經常面臨無處著手、沒有頭緒的局面[5]。為解決這一問題，筆者嘗試從理論上分析勵磁系統故障的主要原因，明確變壓器內部同名端連接錯誤對勵磁系統輸出產生的影響。基于三相全控橋整流電路原理，通過向量時鐘法[6]，對陽極變壓器和同步變壓器采用不同接法時，同步電壓與陽極電壓的相位關系及勵磁系統的輸出情況進行理論分析，并總結兩種變壓器錯誤接法時勵磁系統的輸出情況，為調試人員判斷故障原因提供理論基礎，從而為現場工程進度贏得時間。

2 勵磁系統同步信號

勵磁系統主回路采用三相全控橋整流電路，其交流側電源電壓稱為陽極電壓。由于三相全控整流橋換向角的存在，陽極電壓為有畸變的高壓信號，如果同步變壓器直接取自陽極電壓，那么將會對觸發電路的正常工作產生影響[7]。

為保證同步電壓與陽極電壓具有相同的頻率和相位，通常將陽極電壓通過陽極變壓器和同步變壓器兩級變換后送至觸發單元作為同步電壓[8]，如圖1所示。陽極變壓器的作用是將陽極電壓降低至廠用電壓范圍內，并消除由晶閘管器件換向產生的電壓畸變。同步變壓器的作用是將變換后的電壓降低至觸發電路所需的信號電壓，并補償由陽極變壓器產生的相位差。

圖1 同步電壓信號變換原理

3 變壓器同名端接法對勵磁系統的影響

陽極變壓器及同步變壓器的連接方式決定了同步電壓的相位是否正確，如果變壓器內部同名端連接錯誤，將導致勵磁系統輸出故障。為分析導致勵磁系統故障的原因，需要明確不同變壓器同名端連接方式下勵磁系統的輸出情況。典型的同名端連接情況包括正確連接、陽極變壓器內部同名端反接和同步變壓器內部同名端反接三種，以下分別對這三種連接情況下的電壓相位關系和勵磁系統輸出情況進行分析。

3.1 正確連接

3.1.1 電壓相位關系

根據晶閘管器件及全控整流橋運行特性，整流橋換向壓降會產生高次諧波，而采用△連接的變壓器可以將電壓的高次諧波分量在△連接中相加，引起繞組內部環流，抑制電壓的高次諧波，因此一般陽極變壓器采用△/Y-11連接[9]。為了補償陽極變壓器產生的相位差，同步變壓器采用△/Y-1連接。具體電路如圖2所示。

圖2 正確連接電路圖

應用向量時鐘法對圖2所示電路的陽極電壓與同步電壓關系進行理論分析，結果如圖3所示。可見，變換后電壓Ua與陽極電壓UA相位相同，幅值減小[10]，在此情況下，觸發電路的同步電壓與整流橋交流側電壓相位相同。

圖3 正確連接電壓相位關系

3.1.2 勵磁系統輸出情況

三相全控整流橋電路如圖4所示。在勵磁系統中，三相全控橋是將交流電壓變換為直流電壓供給發電機的轉子繞組，負載為發電機的轉子，屬感性負載。圖4中VT1、VT3、VT5稱為共陰極組，VT4、VT6、VT2稱為共陽極組，三相全控橋電路要求每個時刻均有兩個晶閘管導通，其中一個為共陰極組，一個為共陽極組，且不為同一相。晶閘管的導通順序為VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，導通相位依次相差60°[3]。

圖4 三相全控整流橋電路圖

通常將Uac作為同步電壓，其過零點作為自然換相點，此刻觸發角α=0°。在此情況下，當觸發角α=α0時，勵磁系統輸出電壓可以表示為：

Ud=2.34UAcosα0

(1)

假定某機組小電流試驗的陽極電壓UA=220V，逆變解除初始觸發角α0=88°，在陽極變壓器及同步變壓器連接正確的情況下，勵磁系統輸出情況分析如下。

(1) 當系統處于逆變狀態時，調節器輸出觸發角α0=135°，由式(1)可得Ud=-364V，實際情況是輸出電壓不能為負，Ud≈0V，勵磁系統處于逆變狀態，不向發電機轉子輸出電壓。

(2) 當系統解除逆變時，調節器輸出觸發角α0=88°，由式(1)可得Ud=18V，勵磁系統可以成功自動啟勵，并可通過增減磁命令對勵磁系統輸出進行調節。

(3) 當模擬勵磁正常運行時，調節器輸出觸發角α0=67°，由式(1)可得Ud=201V，勵磁系統工作在額定運行工況。

(4) 當模擬系統強勵時，調節器輸出觸發角α0=15°，由式(1)可得Ud=497V，勵磁系統可以實現強勵工況。

3.2 陽極變壓器內部同名端反接

3.2.1 電壓相位關系

陽極變壓器內部同名端出現反接錯誤，外部接線方式不變，同步變壓器連接正確，如圖5所示。分析可知，此時陽極變壓器為△/Y-1連接，同步變壓器為△/Y-1連接。

圖5 陽極變壓器內部同名端反接電路圖

應用向量時鐘法對圖5所示電路的陽極電壓與同步電壓關系進行理論分析，結果如圖6所示。可見，變換后電壓Ua超前陽極電壓UA相位60°，幅值減小。在此情況下，觸發電路的同步電壓相位超前整流橋交流側電壓相位60°。

圖6 陽極變壓器內部反接電壓相位關系

3.2.2 勵磁系統輸出情況

仍選取Uac作為同步電壓，其過零點作為自然換相點。在此情況下，當觸發角α=α0時，勵磁系統輸出電壓為：

Ud=2.34UAcos (α0+60°)

(2)

假定某機組小電流試驗的陽極電壓UA=220V，逆變解除初始觸發角α0=88°，在陽極變壓器內部同名端反接、同步變壓器連接正確的情況下，勵磁系統輸出情況分析如下。

(1) 當系統處于逆變狀態時，調節器輸出觸發角α0=135°，由式(2)可得Ud=-497V，實際情況是輸出電壓不能為負，Ud≈0V，勵磁系統處于逆變狀態，不向發電機轉子輸出電壓，此現象與變壓器正確連接時相同。

(2) 當系統解除逆變時，調節器輸出觸發角α0=88°，由式(2)可得Ud=-437V，實際情況是輸出電壓不能為負，Ud≈0V，勵磁系統工作在逆變工況，不向發電機轉子繞組提供有效電壓，無法自動成功啟勵。

(3) 當模擬勵磁正常運行時，調節器輸出觸發角α0=67°，由式(2)可得Ud=-310V，實際情況是輸出電壓不能為負，Ud≈0V，勵磁系統工作在逆變工況，不向發電機轉子繞組提供有效電壓，無法自動成功啟勵。

(4) 當模擬系統強勵時，調節器輸出觸發角α0=15°，由式(2)可得Ud=133V，勵磁系統工作在整流狀態，但輸出電壓過小，無法實現強勵工況。

綜上所述，在陽極變壓器內部同名端反接、同步變壓器連接正確的情況下，勵磁系統無法自動啟勵，通過定角度試驗調整觸發角，仍然無法得到額定及強勵電壓。

3.3 同步變壓器內部同名端反接

3.3.1 電壓相位關系

同步變壓器內部同名端出現反接錯誤，外部接線方式不變，陽極變壓器連接正確，如圖7所示。經分析可知，此時同步變壓器為△/Y-11連接，陽極變壓器為△/Y-11連接。

圖7 同步變壓器內部同名端反接電路圖

應用向量時鐘法對圖7所示電路陽極電壓與同步電壓關系進行理論分析，結果如圖8所示。可見，變換后電壓Ua滯后陽極電壓UA相位60°，幅值減小。在此情況下，觸發電路的同步電壓滯后整流橋交流側電壓相位60°。

圖8 同步變壓器內部反接電壓相位關系

3.3.2 勵磁系統輸出情況

仍選取Uac作為同步電壓，其過零點作為自然換相點。在此情況下，當觸發角α=α0時，勵磁系統輸出電壓為：

Ud=2.34UAcos(α0-60°)

(3)

假定某機組小電流試驗的陽極電壓UA=220V，逆變解除初始觸發角α0=88°，在同步變壓器內部同名端反接、陽極變壓器連接正確的情況下，勵磁系統輸出情況分析如下。

(1) 當系統處于逆變狀態時，調節器輸出觸發角α0=135°，由式(3)可得Ud=133V，勵磁系統處于整流狀態，向發電機轉子輸出電壓，逆變控制不起作用，即勵磁調節器運行時，只要整流橋交流側有電壓輸入，即使系統處于逆變控制，整流橋也有電壓輸出，且該電壓超過額定電壓的50%。

(2) 當系統解除逆變時，調節器輸出觸發角α0=88°，由式(3)可得Ud=455V，勵磁系統輸出超過額定電壓。

(3) 當模擬勵磁正常運行時，調節器輸出觸發角α0=67°，由式(3)可得Ud=511V，實際情況是最小角限定在15°，因此輸出為497V。

(4) 當模擬系統強勵時，調節器輸出觸發角

α0=15°，由式(3)可得Ud=364V，勵磁系統工作在整流狀態，但輸出電壓過小，無法實現強勵工況。

綜上所述，在同步變壓器內部同名端反接、陽極變壓器連接正確的情況下，勵磁系統不受逆變控制，直流側一直輸出較高電壓，存在安全隱患。

4 結束語

勵磁系統小電流試驗是勵磁系統一項非常重要的試驗。筆者從同步信號的角度出發，分析了勵磁系統內部變壓器連接錯誤時，勵磁系統的輸出情況。當陽極變壓器同名端反接時，勵磁系統無法啟動。當同步變壓器同名端反接時，勵磁系統不受逆變控制，長期輸出較高電壓。上述結論為調試人員判斷故障原因提供了理論基礎，進而可以為現場工程進度贏得時間。

[1] 張玫,朱方,劉增煌.大型汽輪發電機采用自并勵勵磁系統的可行性分析[J].電網技術,1997,21(12)： 38-44.

[2] 楊媛,安淘,高勇，等.三相晶閘管移相觸發器IP核的開發[J].電力電子技術,2003,37(4)： 70-72.

[3] 李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].2版.北京： 中國電力出版社，2009.

[4] 李永剛,王海蛟,武玉才,等.基于交流阻抗法的發電機勵磁繞組短路故障診斷[J].大電機技術, 2017(4)： 10-14，22.

[5] 胡欣,黃文,方新亮.UNITROL5000勵磁系統原理及典型故障分析[J].能源研究與管理，2014(1)： 51-56.

[6] 張會軍,賀臻.小灣水電廠勵磁系統起勵失敗案例分析[J].水力發電，2015，41(10)： 54-56.

[7] 張明清.變壓器差動保護誤動原因分析及改進措施[J].上海電氣技術，2011，4(2)： 9-12.

[8] 董鋒斌,皇金鋒.同步發電機勵磁系統的建模與控制[J].電力電子技術，2008，42(11)： 32-33.62.

[9] 董久晨,王西田,劉明行,等.自并勵靜止勵磁系統精細建模及仿真[J].電力自動化設備，2016，36(5)： 112-115，126.

[10] 湯蘊璆.電機學[M].5版.北京： 機械工業出版社，2014.