發電機轉子過電壓保護裝置試驗方法研究

薛貴平

摘 要：目前，大中型同步發電機多采用可控硅靜止勵磁的方式，發電機運行時，勵磁繞組在多種情況下都可能遭受過電壓。發電機轉子過電壓保護裝置作為大型發電機轉子的重要保護，還承擔著滅磁的作用。為了保證發電機轉子過電壓保護裝置能夠可靠工作，需要對其工作性能進行定期檢查。本文詳細介紹了發電機過電壓保護裝置的原理、試驗前現場應具備的條件及具體的試驗方法，為電廠提供了一種操作簡單、安全可靠的試驗方法。

關鍵詞：轉子過電壓;滅磁;定期檢驗

Abstract：At present，large and medium-sized synchronous generators mostly adopt the static excitation method of thyristor.When the generator is running，the excitation winding may suffer from overvoltage under various conditions.The generator rotor overvoltage protection device，as an important protection for the rotor of a large generator，also assumes the role of demagnetization.In order to ensure that the generator rotor overvoltage protection device can work reliably，its working performance needs to be checked regularly.This article introduces in detail the principle of generator overvoltage protection device，the conditions and specific test methods that should be available on site before the test，and provides a simple，safe and reliable test method for power plants.

Key words：Rotor overvoltage;Demagnetization;Periodic inspection

1? 引言

隨著我國電力建設的高速發展，發電機的單機容量不斷增大，進口原裝和組裝的勵磁裝置及附帶的發電機轉子滅磁及過電壓保護裝置（跨接器）占有比率越來越高[1]。作為發電機主保護的轉子過電壓保護裝置，一直是各發電集團和發電單位關注的重點。為了保證發電機組轉子過電壓保護裝置的可靠工作，對該裝置進行正確的定期檢驗是發電機正常工作的前提。通過轉子過電壓保護試驗，可驗證發電機轉子過電壓保護裝置是否按邏輯要求動作以及實際測試出在過電壓情況下的保護動作值[2]。

2? 轉子過電壓保護裝置工作原理

目前，大中型同步發電機多采用可控硅靜止勵磁的方式，發電機運行時，勵磁繞組在下列情況下可能遭受過電壓：（1）發電機出口開關非同期并網或發電機突然跳閘甩負荷，使得定子電流發生階躍性突變，這時發電機鐵芯及氣隙中磁通急劇變化，進而在轉子勵磁繞組中感應出過電壓;（2）發電機定子繞組出現接地、短路，或遭雷擊等異常事故時，定子側將產生故障過電壓，定子故障過電壓經過轉子繞組與定子繞組的耦合、勵磁變原邊與副邊繞組的耦合，感應到轉子回路里;（3）發電機異步運行時，由定子電流產生的旋轉磁場相對于轉子繞組運動，轉子繞組切割旋轉磁場產生過電壓，根據相關資料介紹，對于水輪發電機可產生達幾萬伏的正弦波過電壓;（4）發電機三相負載不對稱時，定子三相電流不對稱會引起過電壓。若不采取適當措施抑制這些可能出現的過電壓，則極有可能擊穿發電機勵磁繞組或可控硅整流橋，從而造成發電機事故停機和巨大的經濟損失[3]。

發電機轉子過電壓保護裝置是采用擊穿二極管（BOD）作為過電壓監測元件，當BOD監測到電壓高于其動作值后，該元件導通，觸發跨接器投入，將滅磁電阻與發電機轉子并聯，利用滅磁電阻來鉗制轉子電壓，從而起到過電壓保護作用。滅磁開關電源側的過電壓保護主要是抑制能量比較小的瞬間過電壓：滅磁開關轉子側過電壓保護主要抑制非全相運行和短時異步運行過電壓。過電壓保護在發電機轉子正向、反向過電壓時均能起到保護作用[4]。

在機組正常停機時，由勵磁調節器控制三相全控橋式整流電路逆變滅磁，轉子回路的剩余磁場經過三相全控整流橋返回到交流側而消耗掉。在事故停機時，滅磁開關在保護動作下跳閘，當滅磁開關斷開時，轉子中大量的剩余磁場需要在短時間內消除，為此，除了采用帶滅弧罩的滅磁開關外，系統還設計了滅磁電阻來滅磁。這些操作都是開關本身的機械聯鎖裝置完成的，不需要任何外部操作電路，提高了整個滅磁系統的可靠性。

轉子過電壓保護一般配置在勵磁設備內部，圖1為某火電廠轉子過電壓保護原理圖。其中，TR1（TR2、TR3、TR4）為觸發元件，V1（V2、V3、V4）為晶閘管，V5為二極管，RV1（RV2）為滅磁電阻。

3? 轉子過電壓保護試驗

在發電機定期檢修過程中，通過試驗模擬發電機轉子過電壓情況，驗證發電機轉子過電壓保護裝置是否能夠按裝置邏輯要求動作，并且驗證跨接器的過電壓動作值是否滿足過電壓保護定值，通常情況下過電壓保護裝置廠家規定過電壓動作值允許偏差為±10%。試驗前現場需具備的條件包括：（1）確認發電機組已停機;（2）發電機轉子滑環、碳刷已經完全解開;（3）滅磁開關已經跳開;（4）直流側及交流側刀閘已斷開;（5）發電機轉子過電壓保護相關回路絕緣合格;（6）試驗所用的儀器儀表檢驗合格;（7）其他相關安全措施已執行到位[5]。

3.1? 模擬整流側出現過電壓情況下的跨接器動作情況

打開跨接器兩端與直流銅排的連接螺栓（圖1中L03、L04兩點），將滅磁過電壓測試儀電壓輸出端口接在圖1所示L03、L04兩個斷開點處，并將便攜式電量記錄分析儀接入滅磁過電壓測試儀的錄波端口。

跨接器的動作電壓定值為3000V。由于跨接器由觸發元件TR4、晶閘管V4、二極管V5以及滅磁電阻RV2組成，可消除轉子正、反方向的過電壓，所以試驗時通過滅磁過電壓測試儀加交流電壓同時作用于跨接器正反方向，進行導通測試。

逐步升高滅磁過電壓測試儀輸出電壓，監視示波器顯示的電壓實時值，直至在錄波儀上觀察到裝置動作，試驗所得跨接器動作波形如圖2所示。

從波形圖可以看出，在交流電壓作用下，跨接器正反方向元件均動作。動作電壓為2808V。滿足過電壓保護裝置廠家規定的過電壓動作值允許偏差為±10%的要求。

3.2? 模擬轉子側出現正向過電壓情況下的跨接器動作情況

打開跨接器兩端與直流銅排的連接螺栓（圖1中A、B兩點），將滅磁過電壓測試儀電壓輸出端口接在圖1所示A、B兩個斷開點處，并將便攜式電量記錄分析儀接入滅磁過電壓測試儀的錄波端口。

跨接器的動作電壓定值為2800V。由于跨接器由觸發元件TR3、晶閘管V3及滅磁電阻RV3組成，可消除轉子正方向的過電壓，所以試驗時通過滅磁過電壓測試儀加交流電壓作用于跨接器正反方向，進行導通測試。

逐步升高滅磁過電壓測試儀輸出電壓，監視示波器顯示的電壓實時值，直至在錄波儀上觀察到裝置動作，試驗所得跨接器動作波形如圖3所示。

從波形圖可以看出，在交流電壓作用下，正向電壓條件下跨接器元件動作。動作電壓為2690V。滿足過電壓保護裝置廠家規定的過電壓動作值允許偏差為±10%的要求。

3.3? 模擬轉子側出現反向過電壓情況下的跨接器動作情況

打開跨接器兩端與直流銅排的連接螺栓（圖1中L01、L02兩點），將滅磁過電壓測試儀電壓輸出端口接在圖1所示L01、L02兩個斷開點處，并將便攜式電量記錄分析儀接入滅磁過電壓測試儀的錄波端口。

跨接器的動作電壓定值為2000V。由于跨接器由觸發元件TR1、晶閘管V1、晶閘管V2及滅磁電阻RV1組成，可消除轉子反方向的過電壓，所以試驗時通過滅磁過電壓測試儀加交流電壓作用于跨接器正反方向，進行導通測試。

逐步升高滅磁過電壓測試儀輸出電壓，監視錄波儀顯示的電壓實時值，直至在示波器上觀察到裝置動作，試驗所得跨接器動作波形如圖4所示。

由圖可見，在交流反向電壓作用下跨接器元件動作。動作電壓為2106V。滿足過電壓保護裝置廠家規定的過電壓動作值允許偏差為±10%的要求。

3.4? RV滅磁過電壓保護組件回路測試

RV滅磁過電壓保護組件由19個氧化鋅非線性電阻組成，每個氧化鋅非線性電阻串接一個快速熔斷器。通過測量元件壓敏電壓，在同樣外部條件下與初始值比較，若壓敏電壓變化率大于10%，則視為元件老化失效。當失效元件數量大于整體數量的20%時應更換整個非線性電阻。

拆除與非線性電阻串聯的快速熔斷器，將滅磁過電壓測試儀直流電壓輸出端口接在非線性滅磁電阻RV的兩端，逐漸升高儀器輸出的直流電壓，測試當非線性電阻漏電流達到10mA時的壓敏電壓U10mA。

4? 結論

發電機轉子過電壓保護裝置作為一種重要的電氣保護裝置，不可避免會隨其使用年限的增加而逐漸老化并終止壽命。因此，提供一種安全、簡單、可靠的轉子過電壓保護裝置定期試驗方法是十分必要和緊迫的。

本文介紹了發電機過電壓保護裝置的原理、試驗前現場應具備的條件及具體的試驗方法。通過發電機定期檢修過程的機會，試驗分別驗證了模擬整流側出現過電壓、轉子側出現正向過電壓、轉子側出現反向過電壓情況下的跨接器動作情況，同時對非線性滅磁電阻的壓敏電壓進行了測試。

參考文獻：

[1]王世林.發電機滅磁及轉子過電壓保護的改進[J].電力科學與工程，2002（04）：25-27.

[2]李自淳，夏維珞，彭輝，符仲恩.同步發電機轉子過電壓及其保護[J].大電機技術，2003（02）：54-60.

[3]李博，何忠華，錢曉忠，劉淑妍.滅磁開關故障導致轉子過電壓保護動作[J].水電站機電技術，2019，42（02）：76-77.

[4]趙旺初.發電機轉子匝間短路和過電壓保護[J].發電設備，2005（01）：65-68.

[5]劉曉云.發電機轉子過電壓保護裝置試驗方法探討[A].中國水力發電工程學會信息化專委會、中國水力發電工程學會水電控制設備專委會.中國水力發電工程學會信息化專委會、水電控制設備專委會2015年學術交流會論文集[C].中國水力發電工程學會信息化專委會、中國水力發電工程學會水電控制設備專委會：中國水力發電工程學會，2015：7.

（大唐山西發電有限公司太原第二熱電廠，山西太原 030041）