拉西瓦勵磁系統(tǒng)過電壓及其保護(hù)配置

1、拉西瓦勵磁系統(tǒng)過電壓及其保護(hù)配置1 1 引言對于大型發(fā)電機(jī)自并勵勵磁系統(tǒng)來說， 在運(yùn)行中常因一些故 障或其它的原因使勵磁系統(tǒng)三相全控整流橋交流側(cè)和直流側(cè) （轉(zhuǎn) 子）出現(xiàn)過電壓。 勵磁回路的元器件在高紋波波動電壓和尖峰過 電壓長期作用下， 壽命大大縮短， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和整流勵磁裝置在 過電壓的作用下有可能被擊穿損壞， 從而導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)可靠性下 降。隨著發(fā)電機(jī)勵磁電壓的不斷提高和可控硅靜止式勵磁系統(tǒng)的 廣泛使用， 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的過電壓問題更加顯得突出， 為 了保證整流勵磁裝置、勵磁變、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等設(shè)備的安全，分析 勵磁系統(tǒng)過電壓產(chǎn)生的原因， 并采取相應(yīng)的措施和保護(hù)方法， 對 發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)

2、的安全運(yùn)行具有重要的意義。2 2 勵磁回路過電壓產(chǎn)生的原因2.12.1 大氣過電壓來自交流電網(wǎng)入侵的大氣過電壓， 其能量通常較大， 通過電 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)過電壓時， 若主網(wǎng)中過電壓保護(hù)不完善， 則可能通過 勵磁電源變壓器引入至勵磁系統(tǒng)回路。2.22.2 操作過電壓來自交流電網(wǎng)入侵的操作過電壓， 亦可通過電容耦合和電磁 感應(yīng)傳輸?shù)阶儔浩鞯恼鳂騻?cè) ; ; 勵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鐵芯 之間的分布電容及勵磁系統(tǒng)對地的分布電容的耦合， 也會產(chǎn)生過 電壓 ; ;當(dāng)從高壓側(cè)斷開空載變壓器

3、時，如果沒有足夠大的能容器 件來吸收變壓器的磁場能量， 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， 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)生過電壓。2.32.3 直流側(cè)轉(zhuǎn)子過電壓 來自整流橋阻塞負(fù)向磁場電流通路引起的正向過電壓， 以及 磁場勵磁電流突然中斷引起的反向過電壓。 當(dāng)發(fā)電機(jī)處于低勵磁 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 擾動時， 轉(zhuǎn)子勵磁繞組中將感生交流分量電流， 若勵磁繞組中電 流瞬時值劇烈擺動， 在某段時間內(nèi)減小而過零力

4、圖變負(fù)時， 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電 壓，即以反壓的形式施加于整流橋的硅元件上。2.42.4 換相過電壓（或關(guān)斷過電壓） 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，原積蓄載流子的電荷量 Q Qr （通常稱QrQr為反向恢復(fù)電荷， 快速元件的QrQr很少，而大功率、高電壓的硅元件的 QrQr可達(dá)數(shù)百 微庫，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 iRiR。此恢復(fù)電流迅速截斷時， 在電路中流過此電流的會感應(yīng)出高 電壓，即由于積蓄效應(yīng)引起的過電壓。3 3 勵磁系統(tǒng)交流側(cè)過電壓保護(hù)原理 隨著技術(shù)的發(fā)展，我國勵磁陽極（交流側(cè)）過壓

5、保護(hù)先后選 用過多種配置。 通過工程實(shí)踐， 目前勵磁陽極過電壓保護(hù)比較常 用的主要有兩種： 陽極電源回路裝設(shè)壓敏電阻和陽極電源回路裝 設(shè)阻容吸收器。3.13.1 壓敏電阻保護(hù)在陽極回路裝設(shè)壓敏電阻， 利用壓敏電阻的非線性特性， 吸 收過電壓尖峰。原理圖如圖 1 1，R R，C C 器件是可控硅本身的阻容保 護(hù)，RDRD是保險，YMYM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， 一般取陽極電壓峰值的 1.51.5 至 2.02.0 倍， 拉西瓦勵磁陽極額定電壓為 814V814V,這樣壓敏電壓應(yīng)選為 21002100至 29002900 伏，浪涌電流很大。為防止壓敏

6、電阻擊穿短路，在回路中 還串聯(lián)快速保險RDRD按照這種方式整定的過電壓保護(hù)，剛好躲 過可控硅換相過電壓尖峰毛刺。 可見壓敏電阻過電壓保護(hù)， 無法 吸收可控硅換相過電壓， 只能吸收陽極操作過電壓和可控硅熔斷 器熔斷所產(chǎn)生的過電壓。 如果降低壓敏電壓， 則壓敏電阻的能容 無法滿足要求。 還有一點(diǎn)也至關(guān)重要， 壓敏電阻不能降低過電壓 尖峰毛刺的前沿陡度。3.23.2 阻容吸收器保護(hù) 在勵磁陽極側(cè)裝設(shè)阻容吸收器，利用電容穩(wěn)壓和充電特性， 吸收勵磁陽極過電壓尖峰毛刺達(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)。3.2.13.2.1 普通型阻容保護(hù)在

7、圖2 2中由三組R1C1R1C1組成普通型阻容保護(hù)，不僅能有效吸 收陽極過電壓尖峰毛刺， 而且還能降低這些過電壓尖峰毛刺的前 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)只能限制陽極電源的差模過 電壓，即線路與線路之間的過電壓毛刺，因此可采用三個C2C2電容組成星形接線過電壓吸收器，可以抑制陽極回路的共模過電 壓，即線路對大地的過電壓。普通型阻容保護(hù)器件少， 電阻發(fā)熱量小， 過電壓吸收效果好， 還能降低過電壓尖峰陡度。 但RCRC參數(shù)受交流側(cè)電感（如勵磁變、 自用變，以及定子和發(fā)電機(jī)出口回路）影響，計算復(fù)雜。一旦出 現(xiàn)故障，分析難度較大。3.

8、2.23.2.2 整流型阻容保護(hù)拉西瓦電站勵磁系統(tǒng)采用整流型阻容吸收器過電壓保護(hù)， 接 線原理見圖 3 3，阻容保護(hù)結(jié)構(gòu)圖見圖 4 4，它是在三相全控橋陽極 輸入側(cè)并聯(lián)一個三相全波二極管整流橋電路，其輸出接電阻 R3R3 和電容C3C3負(fù)載，當(dāng)陽極電源產(chǎn)生過電壓尖峰，經(jīng)整流二極管被 電容抑制， 過電壓之后電容上的電荷能量經(jīng)電阻進(jìn)行釋放， 等待 下一個過電壓尖峰的來臨。3.2.33.2.3 拉西瓦電站阻容保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)拉西瓦電站整流型 RCRC阻容吸收器過電壓保護(hù)接線簡單，損 耗小，既可吸收整流橋交流側(cè)過電壓， 也可吸收可控硅整流橋換 相尖峰過電壓， 可限制可控硅兩端的電壓上升率， 有效防止誤導(dǎo) 通

9、。對于陽極過電壓而言，電容起到低阻濾波作用，電阻起到放 電作用， 同時，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 4 直流側(cè)過電壓保護(hù)拉西瓦勵磁系統(tǒng)直流側(cè)（轉(zhuǎn)子）過電壓保護(hù)：由跨接器，非 線性電阻（FDRFDR，跨接器過流保護(hù)等組成。4.14.1 跨接器原理勵磁系統(tǒng)跨接器就是轉(zhuǎn)子過電壓保護(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)一個放電電阻 （非線性電 阻）后再并聯(lián)在勵磁繞組兩段， 當(dāng)可控硅的觸發(fā)器電路檢測到轉(zhuǎn) 子過電壓后， 立即發(fā)出觸發(fā)脈沖使可控硅導(dǎo)通， 利用放電電阻吸 收過電壓能量。拉西瓦勵磁系統(tǒng)跨接器控制回路圖見圖5 5?？缃悠鹘M成：（1 1）V1V1

10、:承受正向過電壓；（2 2）兩個反并聯(lián)的 V2V2、V3V3： 承受反向過電壓 ; ; （3 3）觸發(fā)板（產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的電 路板）：UNS001UNS0017 7,觸發(fā)板中最主要的設(shè)備是： 轉(zhuǎn)折二極管（BODBOD breakbreak overover diodediode ）。4.24.2 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)子正向過電壓和反向過電壓的能量。 按發(fā)電 機(jī)空載失控誤強(qiáng)勵這種最嚴(yán)重的極限工況來計算， 拉西瓦電站勵 磁系統(tǒng)非線性電阻具有 1.21.2 倍安全裕量， 在極端情況下也能保護(hù) 碳

11、化硅電阻和勵磁系統(tǒng)的安全。4.34.3 過電壓時的工作原理 （1 1）正向過電壓。發(fā)電機(jī)端出現(xiàn)故障，如短路、錯誤的同 步或異步運(yùn)行， 轉(zhuǎn)子繞組都會感應(yīng)出很高的交流電勢。 采用整流 式勵磁裝置時， 因?yàn)檎髌鞑荒芊聪驅(qū)ǎ?發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路將 會產(chǎn)生很高的過電壓。 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， 轉(zhuǎn)子繞組也能產(chǎn)生自感過電 壓。過電壓，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣、勵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?？缃悠鲃幼麟妷褐担?過電壓保護(hù)動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)保證勵磁

12、繞組兩端過 電壓的瞬時值不超過出廠試驗(yàn)時繞組對地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的 70%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(shù)，比如 1.51.5 倍數(shù); ; 勵磁電壓的瞬時值是整流電壓 峰值與 coscos a a 角的乘積值 ; ; 拉西瓦勵磁系統(tǒng)跨接器動作電壓整定 為 3000V3000V。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)正向大于 3000V3000V 過電壓時， 轉(zhuǎn)折二極管導(dǎo)通， 觸發(fā)板發(fā)出觸發(fā)脈沖， V1V1 被觸發(fā)導(dǎo)通，跨接器動作，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 2）反向過電壓。拉西瓦電站勵磁系統(tǒng)在正常停機(jī)時采用 改變導(dǎo)通角大小實(shí)現(xiàn)逆變滅磁。 在電氣事故時將通過跳滅磁開關(guān) 實(shí)現(xiàn)快速移能滅磁， 但由于轉(zhuǎn)子是一個儲能的大電感， 在跳開滅 磁開關(guān)后轉(zhuǎn)子當(dāng)于直流恒流源， 它產(chǎn)生一個反電動勢作用在轉(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V2V2、V3V3 被觸發(fā)，立即將滅磁電阻（SiCSiC）串聯(lián)到轉(zhuǎn)子回路中。同時，流過跨 接器的電流增大，達(dá)到動作值，跨接器過流保護(hù)動作，發(fā)滅磁開 關(guān)跳閘令使滅磁開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)子過壓能量消耗在非線性電阻上。4.44.4 拉西瓦電站勵磁系統(tǒng)跨接器保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)（ 1 1）正反向過壓保護(hù)采用可控硅跨接器，整定方法簡單， 無須維護(hù)。（ 2 2）采用獨(dú)特的