晶閘管電子式磁場(chǎng)斷路器

1、晶閘管電子式磁場(chǎng)斷路器(DDL)為主雙冗余滅磁系統(tǒng)在大中型水電站中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用由晶閘管直流開(kāi)關(guān)電子式磁場(chǎng)斷路器（DDL）和有觸頭機(jī)械式磁場(chǎng)斷路器（QFG）組成新型雙冗余ZnO電阻滅磁系統(tǒng)(以后簡(jiǎn)稱”系統(tǒng)”)是由中科院等離子體物理研究所電器廠和東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合自主設(shè)計(jì)研制生產(chǎn)的?！毕到y(tǒng)”在1990年10月29日投入紅石50MW機(jī)上試運(yùn)行，1992年7月8日由水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院主持通過(guò)鑒定，(見(jiàn)資料1)正式投入運(yùn)行； 1996年到1998年又先后投入蓮花4臺(tái)137.5MW機(jī)、豐滿2臺(tái)140MW機(jī)和小山2臺(tái)80MW機(jī)上運(yùn)行。至今，”系統(tǒng)”在十多年中己經(jīng)在9臺(tái)大中型水輪發(fā)電機(jī)上經(jīng)過(guò)各種嚴(yán)重考驗(yàn)

2、，積累了五十多臺(tái)年連續(xù)安全運(yùn)行的記錄。為了向迅猛發(fā)展的水力發(fā)電工程提供一種安全可靠具有全面保障和依據(jù)的切實(shí)可行的新型滅磁系統(tǒng)，2002年10月9日到11月6日由中科院等離子所科聚公司和東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的代表共同到上述四電廠與各電廠現(xiàn)場(chǎng)代表組成聯(lián)合調(diào)查組，對(duì)這種新型滅磁系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行全面調(diào)查，在現(xiàn)場(chǎng)寫(xiě)成運(yùn)行總結(jié)報(bào)告，(見(jiàn)資料25)。據(jù)此，本報(bào)告綜合這套”系統(tǒng)”在大中型水輪發(fā)電機(jī)上設(shè)計(jì)和應(yīng)用五十臺(tái)年的情況簡(jiǎn)介如下。一、 主電路及其工作原理“系統(tǒng)”主電路圖如下圖：圖中：SCR1，2 流通主電路電流用的直流電子開(kāi)關(guān)，一般可用2只或3只晶閘管組成SCRd 關(guān)斷主電路電流用的晶閘管C 關(guān)斷主電路電流用

3、的儲(chǔ)能電容op 發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)起勵(lì)時(shí)開(kāi)通電子開(kāi)關(guān)的觸發(fā)電路板de 關(guān)斷電子開(kāi)關(guān)SCRd的觸發(fā)電路板CHA 電容C的充電及其監(jiān)控保護(hù)電路板LA 限流電抗器TOV 限制過(guò)電壓的保護(hù)KA 監(jiān)測(cè)電流的直流電流變換器AV 調(diào)整主晶閘管均流的部件DDL 晶閘管電子開(kāi)關(guān)組成的磁場(chǎng)斷路器QFG 有觸頭機(jī)械式磁場(chǎng)斷路器“系統(tǒng)”主要工作原理簡(jiǎn)述如下：在發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)升速和其它各種必要的運(yùn)行過(guò)程中，由兩個(gè)廠用電源保障的CHA向C充電到足以充分滿足關(guān)斷主電路最大電流的電量。當(dāng)發(fā)電機(jī)起勵(lì)升壓時(shí)，op接受機(jī)組監(jiān)控單元LCU的指令自動(dòng)觸發(fā)SCH1,2使主電路導(dǎo)通電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)由于事故或者其它原因發(fā)出滅磁令時(shí)，de接到滅磁令立即觸通

4、SCRd，具有充分電量的C向SCR1,2反向放電一直到SCR1.2斷流，接著由轉(zhuǎn)子電流通過(guò)整流裝置APTR和SCRd向C反向充電一直到C上反向電壓與環(huán)路反向充電電壓相等時(shí)，SCRd斷流關(guān)斷。C仍通過(guò)CHA放電和按LCU指令正向充電作下次滅磁準(zhǔn)備?！跋到y(tǒng)”控制邏輯電路確保接受滅磁指令后，在0.1秒內(nèi)監(jiān)視到KA3仍有轉(zhuǎn)子電流通過(guò)時(shí)，就會(huì)立即啟動(dòng)備用QFG使它跳閘完成滅磁。這種磁場(chǎng)斷路器雙冗余的配置大幅度提高滅磁的安全可靠性。如果監(jiān)視到KA3己經(jīng)斷流，邏輯電路就不會(huì)啟動(dòng)QFG跳閘?！跋到y(tǒng)”邏輯電路確保充分滿足發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行方式包括機(jī)組電制動(dòng)仃機(jī)方式對(duì)電子開(kāi)關(guān)的通斷要求，它己是五十多臺(tái)年運(yùn)行己經(jīng)證實(shí)的

5、事實(shí)。二、”系統(tǒng)”配置的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁參數(shù)及其運(yùn)行記錄水電站名稱單位紅石蓮花豐滿小山發(fā)電機(jī)額定功率MW50137.514080發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速R/min107.193.8107.1214.3勵(lì)磁變額定容量kVA1250200016001250勵(lì)磁變二次電壓V520650710530額定勵(lì)磁電壓V255327396260額定勵(lì)磁電流A1174149313291150強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)2222強(qiáng)勵(lì)頂值電壓V638818990671.85強(qiáng)勵(lì)頂值電流A2348296826582300TdoS5.06.846.05736.14滅磁電阻ZnO串×并數(shù)3×32前期后期3×702×5

6、63×564×52滅磁轉(zhuǎn)子電壓V1300前期后期1200100014831420DDL電子開(kāi)關(guān)晶閘管并聯(lián)數(shù)2332機(jī)械式磁場(chǎng)斷路器型號(hào)DM2DM4DMXDM4發(fā)電機(jī)組編號(hào)11234111212DDL正式投運(yùn)時(shí)間年199219981997199719961998199719971997月日7892312231261226628121812281215DDL運(yùn)行天數(shù)日18091615180718011814DDL運(yùn)行天數(shù)統(tǒng)計(jì)日2002.11.12002.11.52002.10.312002.11.4三、”系統(tǒng)”運(yùn)行工況及其維護(hù)經(jīng)驗(yàn)1. 根據(jù) 上述調(diào)查統(tǒng)計(jì)，”系統(tǒng)”從正式投運(yùn)以來(lái)

7、，它所配置的大中型發(fā)電機(jī)組己有9臺(tái)，總裝機(jī)容量已達(dá)1040MW，已經(jīng)創(chuàng)造了連續(xù)安全運(yùn)行18162臺(tái)天。也就是49.8臺(tái)年約五十臺(tái)年的安全運(yùn)行記錄。2. 這9套系統(tǒng)的中的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁主電路通流用的24只高電壓大電流國(guó)產(chǎn)主晶閘管和斷流用的18只高電壓國(guó)產(chǎn)晶閘管，66只高電壓大容量國(guó)產(chǎn)電容器、9只冷卻風(fēng)扇都經(jīng)受住了長(zhǎng)時(shí)期（最長(zhǎng)為10.4年,最短為4.2年）連續(xù)運(yùn)行、停、通斷、甚至多次各種電氣故障事故滅磁操作的嚴(yán)重考驗(yàn)，包括在發(fā)電機(jī)帶電運(yùn)行中因轉(zhuǎn)子風(fēng)扇脫落導(dǎo)致定子掃膛短路事故滅磁和在工業(yè)試驗(yàn)中做過(guò)的在強(qiáng)勵(lì)頂值電流下滅磁的考驗(yàn)，整套冗余滅磁系統(tǒng)始終表現(xiàn)出確保安全滅磁的性能。上述108只主要元件在機(jī)組帶電實(shí)

8、際運(yùn)行中沒(méi)有發(fā)生損壞事故停運(yùn)過(guò)，可用率為100%。3. DDL在運(yùn)行中并聯(lián)晶閘管的均流性，最大通流差值：紅石為10A，小山為1040A，蓮花為100A左右，豐滿為50100A。因?yàn)樵谥绷骰芈分兄苯硬⒙?lián)運(yùn)行的晶閘管的通流值差值的減少主要取決于其對(duì)應(yīng)晶閘管通流壓降差值的減少，今后設(shè)計(jì)選擇DDL并聯(lián)工作的晶閘管時(shí)，應(yīng)該選用通流管壓降盡量一致的晶閘管，同時(shí)改進(jìn)DDL盤(pán)內(nèi)調(diào)整并聯(lián)晶閘管均流性的硬件結(jié)構(gòu)，以求進(jìn)一步提高均流性，減少并聯(lián)運(yùn)行主晶閘管的通流差值。4. “系統(tǒng)”在投運(yùn)前期開(kāi)機(jī)觸發(fā)通流過(guò)程中都能保證發(fā)電機(jī)組正常起勵(lì)通流，但是并聯(lián)運(yùn)行的晶閘管中有的時(shí)候或多或少地出現(xiàn)過(guò)有1只晶閘管還沒(méi)有觸通時(shí)，觸通電

9、路板已經(jīng)停止輸出觸發(fā)脈沖了，各電廠發(fā)現(xiàn)這種情況時(shí)前期多是由運(yùn)行人員再次手動(dòng)觸發(fā)一次，把沒(méi)有觸通的那只晶閘管觸通，后來(lái)則都采用把發(fā)電機(jī)組現(xiàn)控制單元LCU輸出觸發(fā)DDL主晶閘管的脈沖時(shí)間程序適當(dāng)延長(zhǎng)（例如從5秒、8秒加長(zhǎng)到10秒、15秒），就能保證并聯(lián)運(yùn)行的晶閘管全部自動(dòng)觸發(fā)通流了?！毕到y(tǒng)”在正式投運(yùn)時(shí)期停機(jī)自動(dòng)斷流，以及在“電制動(dòng)”停機(jī)過(guò)程中自動(dòng)通流斷流的功能上均表現(xiàn)能可靠工作沒(méi)有發(fā)生故障停運(yùn)過(guò)。5. 蓮花水電站的DDL在隨同主機(jī)檢修過(guò)程中，曾出現(xiàn)3號(hào)機(jī)有1只關(guān)斷電容，2號(hào)機(jī)有2只關(guān)斷電容，在電容器箱箱蓋與接線柱連接處漏油?，F(xiàn)場(chǎng)查明其原因是電容器接線柱上并聯(lián)連接線是采用硬銅線焊接的，當(dāng)相連電容器

10、在安裝不正、高矮稍有不同時(shí)，其連接處就長(zhǎng)期受焊接硬銅線的拉力導(dǎo)致裂縫漏油。現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)它不是由電氣原因造成的，在檢修中己把這3只電容器用備品更換，恢復(fù)正常。豐滿水電站11號(hào)機(jī)也有2只電容器在2年前發(fā)現(xiàn)電容器箱上與接線柱接口周邊出現(xiàn)一個(gè)滲出油跡圈，其寬度約為5mm，其原因與蓮花相同，只是表現(xiàn)輕微。以后（包括這次聯(lián)合調(diào)查）觀察監(jiān)視。未見(jiàn)其工作性能有變化，所以至今沒(méi)有更換。今后DDL組裝時(shí)，對(duì)關(guān)斷電容器的并聯(lián)接線，不要采用硬銅線焊接，宜改用能適當(dāng)移動(dòng)的軟銅線焊接，以避免和防止在組裝和運(yùn)輸過(guò)程中電容器箱蓋受到機(jī)械損傷而滲油。6. 晶閘管電子開(kāi)關(guān)具有常規(guī)有觸頭式磁場(chǎng)斷路器沒(méi)有的對(duì)其內(nèi)部主要部件工作狀況進(jìn)行監(jiān)

11、視的故障自診斷功能，例如：關(guān)斷電容器充電電壓的監(jiān)視、每只并聯(lián)運(yùn)行主晶閘管的通流值的監(jiān)視和過(guò)流自動(dòng)報(bào)警、晶閘管冷卻風(fēng)扇風(fēng)速消失報(bào)警，滅磁令下達(dá)后監(jiān)視DDL斷流功能是否完成是否需要再自動(dòng)啟動(dòng)有觸頭磁場(chǎng)斷路器跳閘斷流的自動(dòng)監(jiān)視功能等。鑒于水電廠己經(jīng)普遍采用PLC監(jiān)控的成功經(jīng)驗(yàn)，今后對(duì)DDL內(nèi)部主要部位工況的監(jiān)控，決定采用可編程控制器（PLC），這樣可以進(jìn)一步提高其工作的可靠性和便于與機(jī)組的LCU通信聯(lián)網(wǎng)。而且對(duì)冷卻風(fēng)速監(jiān)視和主電路電流是否已經(jīng)斷流監(jiān)視的發(fā)信元件作進(jìn)一步改進(jìn)。7. 此次聯(lián)合調(diào)查中證實(shí)小山水電站2套DDL冗余滅磁系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)確實(shí)保證了2臺(tái)80MW發(fā)電機(jī)組在各種事故中可靠地安全滅磁，

12、但是同時(shí)也發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)存在的兩個(gè)隱患：一個(gè)是1號(hào)機(jī)”系統(tǒng)”的邏輯硬件接線有錯(cuò)誤，導(dǎo)致在滅磁過(guò)程中DDL斷流后又自動(dòng)觸通導(dǎo)流，以致自動(dòng)啟動(dòng)QFG斷流滅磁，當(dāng)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)把邏輯硬件接線錯(cuò)誤糾正后，就恢復(fù)正常了。 一個(gè)是2號(hào)機(jī)觸發(fā)SCRd脈沖變壓器接線焊點(diǎn)有一處脫焊斷開(kāi)，當(dāng)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)將它重新可靠地焊接上，就恢復(fù)正常了。8. 蓮花3號(hào)機(jī)DDL在運(yùn)行中工作一直正常，但是在2002年11月隨同機(jī)組大修時(shí)檢驗(yàn)測(cè)試時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)主晶閘管觸發(fā)板和關(guān)斷電容充電監(jiān)控板已損壞。因?yàn)闄z修前DDL工作表現(xiàn)都正常，這種損壞原因顯然是由于測(cè)試方式不當(dāng)導(dǎo)致串電擊傷板上元件。但是今后編寫(xiě)DDL使用說(shuō)明書(shū)中要對(duì)DDL的運(yùn)行維護(hù)檢修的規(guī)定和測(cè)

13、試方式方法敘述得應(yīng)該更加詳細(xì)具體一些，以利用戶使用，DDL晶閘管的布置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要進(jìn)一步優(yōu)化，以求提高檢修維護(hù)拆卸的方便性。 四、 結(jié)論“系統(tǒng)”經(jīng)過(guò)50臺(tái)年安全運(yùn)行實(shí)踐證實(shí)，它與單套磁場(chǎng)斷路器比較：其安全可靠性更高，維護(hù)工作是更少，更能適應(yīng)按“無(wú)人值班，少人值班”監(jiān)控方式運(yùn)行水電站的需要。所以有這種優(yōu)越性能，其原因是：1. DDL主要采用大容量高參數(shù)的晶閘管、電容和電子器具等靜止元件組成，設(shè)計(jì)安全裕度大。與有大觸頭的機(jī)械斷路器比較，它不需要制造維護(hù)都很復(fù)雜的大功率機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和故障率很高的滅弧柵，切斷電流過(guò)程不產(chǎn)生電弧燒損和機(jī)械磨損以及震耳的響聲，因而具有更高的可靠性、更長(zhǎng)的使用壽命（半永久性

14、）、更少的維護(hù)工作量（屬免維護(hù)性）因而它特別適用于無(wú)人值班和少人值守的水電站。2. 作為DDL主件晶閘管通流后切斷時(shí)間是1毫秒左右，比有觸頭斷路器切斷時(shí)間20毫秒左右快得多。根據(jù)公式：轉(zhuǎn)子繞組，在DDL斷流過(guò)程中產(chǎn)生的反向電壓e=L×di/dt ，晶閘管電子開(kāi)關(guān)斷流要比有觸頭斷路器斷流產(chǎn)生的反向電壓高的多，從而可以更安全地保證轉(zhuǎn)子電流向滅磁電阻轉(zhuǎn)移。所以DDL特別適用于采用氧化鋅非線性電阻滅磁系統(tǒng)。3. DDL具有比較完善的自診斷系統(tǒng)，其重要工作狀態(tài)正常機(jī)組運(yùn)行中都有自檢自動(dòng)報(bào)警功能。而有觸頭斷路器其部件有缺陷，只能在操作過(guò)程或拆卸開(kāi)后由有經(jīng)驗(yàn)人檢查才能發(fā)現(xiàn)。因而DDL特別適用采用計(jì)

15、算機(jī)監(jiān)控的電廠。4. 晶閘管元件的串并聯(lián)技術(shù)已經(jīng)成熟，它的產(chǎn)品規(guī)格多樣化為DDL制造生產(chǎn)的系列化、模塊化、主件（晶閘管）冗余化，創(chuàng)造十分有利的條件。元件供貨國(guó)內(nèi)外渠道暢通。因而DDL特別適合我們抓緊時(shí)機(jī)，順利完成研制巨型發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)斷路器工業(yè)試驗(yàn)樣機(jī)的科研攻關(guān)，并為我國(guó)生產(chǎn)出適用水電廠的系列產(chǎn)品。5. 根據(jù)我國(guó)自主研制、生產(chǎn)和運(yùn)行DDL十多年經(jīng)驗(yàn)，DDL既可以取代有觸頭磁場(chǎng)斷路器，安全可靠地獨(dú)立工作，又可以與有觸頭磁場(chǎng)斷路器組成雙重互為備用的冗余滅磁系統(tǒng)，大幅度提高滅磁可靠性，確保發(fā)電機(jī)在滅磁方面萬(wàn)無(wú)一失，具有較高的功能價(jià)比。6. 十多年前，我們研制的DDL投運(yùn)時(shí)，有人提出用晶閘管代替斷路器觸頭

16、是否降低工作可靠性的問(wèn)題，如今DDL在四個(gè)大中型水電廠9臺(tái)大中型機(jī)組上安全投運(yùn)五十臺(tái)年的事實(shí)說(shuō)明：DDL的主晶閘管元件正常運(yùn)行是在轉(zhuǎn)子主回路直流電流下運(yùn)行的，與勵(lì)磁整流柜晶閘管工作條件對(duì)比，后者電流變化很大，每周波要通斷，晶閘管頻繁通斷，損耗大發(fā)熱多；而DDL主晶閘管在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中流通直流電流，通斷損耗要小的多，發(fā)熱少，安全性要高得多。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度也已經(jīng)證明DDL主晶閘管運(yùn)行溫度比勵(lì)磁整流柜晶閘管運(yùn)行溫度低得多。這與理論上作數(shù)量計(jì)算證明的結(jié)果是一致的。7. 從IEEE1983年5日發(fā)表的文獻(xiàn)(見(jiàn)資料6)中查到：日本東京 東芝公司和大阪壓敏電子元件公司在幾年中己經(jīng)聯(lián)合研究用晶閘管、電容和氧化鋅閥

17、片組成直流1500V3000V晶閘管電子斷路器樣機(jī)，在直流電氣化鐵路、工廠及其它設(shè)備上試驗(yàn)和使用。其主電路原理與本”系統(tǒng)”是基本類似的。 綜上所見(jiàn)，DDL型晶閘管電子式直流磁場(chǎng)斷路器和有觸頭機(jī)械式磁場(chǎng)斷路器（FMK）組成雙冗余ZnO滅磁系統(tǒng)，用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的滅磁是完全可行的，可以大幅度提高滅磁安全可靠性。它具有開(kāi)斷快速、無(wú)弧光、無(wú)聲響、溫升小的特點(diǎn)，基本達(dá)到無(wú)故障、免維護(hù)的目標(biāo)，特別適用于無(wú)人值班和少人值守、采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控的電廠。隨著電力電子器件和其他電器元件制造水平的不斷提高和電站自動(dòng)化需要，”系統(tǒng)”的優(yōu)越性將更加明顯。參考資料1晶閘管直流開(kāi)關(guān)滅磁新技術(shù) 鑒定證書(shū) 1992年7月8日 水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院2豐滿發(fā)電廠DDL型晶閘管直流磁場(chǎng)斷路器及冗余滅磁系統(tǒng)運(yùn)