勵(lì)磁調(diào)節(jié)器整流橋結(jié)構(gòu)配置可靠性分析

唐誠

(中科華核電技術(shù)研究院有限公司，深圳 518124)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器整流橋結(jié)構(gòu)配置可靠性分析

唐誠

(中科華核電技術(shù)研究院有限公司，深圳 518124)

針對(duì)不同冗余配置的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，提出可能存在單臂短路時(shí)故障擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)，通過短路電流計(jì)算、可控硅導(dǎo)通特性和快速熔斷器特性分析，得出不同配置的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)生該故障的幾率。

勵(lì)磁系統(tǒng);短路;整流橋;結(jié)構(gòu);可靠性

1 概述及問題

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)在合理分配無功功率、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等方面起著十分重要的作用。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作為勵(lì)磁控制系統(tǒng)的控制核心，其工作穩(wěn)定性和可靠性對(duì)同步發(fā)電機(jī)乃至整個(gè)電力系統(tǒng)來說，都是十分重要的。可靠性也稱為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中最重要的指標(biāo)，因此，國內(nèi)外對(duì)于大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均采用雙重冗余設(shè)計(jì)。

對(duì)于無刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來說，不同冗余配置大致可分為如下幾種:

(1)主備配置模式:以 ABB、ALSTOM、SIEMENS為代表，正常只有一個(gè)通道運(yùn)行，另一個(gè)通道熱備用(整流橋處于冷備用狀態(tài))，當(dāng)運(yùn)行通道故障時(shí)自動(dòng)切換到備用通道;

(2)調(diào)節(jié)器主備配置、整流橋并列運(yùn)行:三菱和南瑞電控采用該模式，正常時(shí)只有一套調(diào)節(jié)卡件運(yùn)行，另一套處于熱備用，整流橋并列運(yùn)行。一個(gè)卡件故障時(shí)自動(dòng)切換到相應(yīng)備用卡件(或備用通道)。

不同冗余配置的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，在發(fā)生整流橋單臂短路時(shí)故障，因快速熔斷器錯(cuò)誤熔斷而造成故障擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)也不同［1］。本文將從硬件冗余配置角度，對(duì)該故障模式下發(fā)生故障擴(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2 故障模式分析

2.1 多橋并聯(lián)運(yùn)行時(shí)單橋短路故障擴(kuò)大［1］

圖1 雙橋并聯(lián)運(yùn)行時(shí)短路故障擴(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)示意圖

兩個(gè)可控硅整流橋并列運(yùn)行的電路圖如圖1所示，假定A、B兩個(gè)橋并聯(lián)運(yùn)行且A橋C+臂的晶閘管發(fā)生短路故障，下一個(gè)應(yīng)該被觸發(fā)導(dǎo)通的臂是A+，則當(dāng)2個(gè)橋的A+被導(dǎo)通時(shí)，A、C相短路。故障的A橋C+臂流過全部的Icc，故障相的短路電流由A、B兩個(gè)柜的A+支臂供給，這樣，B柜正常A+支臂的加熱功率約為故障C+臂的1/4，可能已超過熔斷器的熔斷安秒極限，有可能與故障C+臂的熔斷器一起熔斷，監(jiān)視邏輯得到報(bào)警后，將按照規(guī)定邏輯閉鎖所有發(fā)出熔斷器熔斷信號(hào)的整流橋的觸發(fā)脈沖，勵(lì)磁跳閘，冗余失敗。

同理，對(duì)于三橋并聯(lián)運(yùn)行時(shí)某橋一臂出現(xiàn)擊穿短路故障是，故障支臂的短路電流由三個(gè)整流橋共同提供，這時(shí)，正常支臂流過的電流為1/3I cc，其加熱功率只有故障支臂的1/9，熔斷器熔斷幾率較小。

2.2 雙橋主備運(yùn)行時(shí)單橋短路故障擴(kuò)大

假設(shè)運(yùn)行整流橋C+臂出現(xiàn)短路故障，在下一個(gè)觸發(fā)脈沖發(fā)生后，運(yùn)行整流橋的A+臂將和C+臂形成相間短路，如圖2中①所示。

圖2 雙橋主備運(yùn)行時(shí)短路故障擴(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)示意圖

正常時(shí)，該短路電流將足以使兩只通過短路電流的支臂熔斷器快速熔斷來切除故障(如圖2中Fa和Fc)。但實(shí)際上，也可能發(fā)生只熔斷一只熔斷器的情況，這種概率是存在的。如果圖2中熔斷器Fa熔斷，而Fc沒有熔斷，則短路故障依然存在。在整流橋切換后，備用橋?qū)ㄖП叟c故障橋短路支臂間將流過相間短路電流，如圖2中②所示。這樣就有可能導(dǎo)致備用橋相應(yīng)短路支臂熔斷器熔斷，從而導(dǎo)致雙橋退出乃至跳機(jī)。

對(duì)于上述微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來說，不管其整流通道是并列運(yùn)行還是主備運(yùn)行方式，均存在單整流橋短路時(shí)引起相鄰整流器或備用整流橋同時(shí)故障的可能。

3 理論計(jì)算與分析

3.1 三相整流橋一臂擊穿時(shí)短路電流

如圖3(a)，設(shè)正當(dāng)?shù)?管向第1管換流時(shí)，第5管被擊穿(永久性導(dǎo)通)。取這時(shí)wt=0，各相電勢(shì)波形及各管導(dǎo)通情況如圖，下面分兩個(gè)階段討論短路電流計(jì)算[2]。

圖3 一臂擊穿短路電流計(jì)算

式中:E為相電勢(shì)有效值。

A為積分常數(shù)，由初始條件決定。

設(shè)橋臂擊穿是在橋空載情況下發(fā)生，即當(dāng)t=0，i=0，由此初始條件可求出A，即

Im2為兩相短路電流周期分量的幅值。

2.2 快速熔斷器選擇及保護(hù)功能分析

在分析可控硅故障過程中，必須分析可控硅的熔斷器。在選擇與可控硅元件串聯(lián)的快速熔斷器時(shí)，主要考慮快熔的額定電壓和額定電流，其額定電流經(jīng)驗(yàn)選擇公式如下［3］:

式中:Kri取值1.25～1.54;Id為可控硅整流柜額定輸出電流。

同時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算，副勵(lì)磁機(jī)的三相穩(wěn)態(tài)短路電流約為交流側(cè)額定線電流的1.55倍，即I(3)m=1.55Il，聯(lián)合2.1節(jié)中最后一式，則，可控硅一臂短路時(shí)沖擊電流約為:

由上述對(duì)比可知，可控硅一臂短路時(shí)各相沖擊電流都大于快速熔斷器的額定電流，如果兩個(gè)整流橋并列運(yùn)行，則B相的沖擊電流均分在并列的兩個(gè)支路上，約1.55Il，已經(jīng)超過了熔斷器的額定電流。實(shí)際上，由于兩個(gè)整流橋的導(dǎo)通特性存在差異，可能某個(gè)整流橋的A+臂電流更大，這也可能加劇了1.1節(jié)中故障模式的發(fā)生。但是，快速熔斷器的重要指標(biāo)為I2t，文獻(xiàn)［1］及前文分析則中在分析熔斷器可能通過的短路電流，而忽視了熔斷器所在可控硅支臂上的導(dǎo)通時(shí)間。尤其是對(duì)于中頻勵(lì)磁電源而言，其交流電源周期更短，考慮每個(gè)支臂的導(dǎo)通時(shí)間，其結(jié)果還未知。以某核電站400Hz勵(lì)磁電源為例，結(jié)合圖1中的故障模式進(jìn)行分析。當(dāng)整流橋單一支臂短路故障并下一個(gè)導(dǎo)通階段時(shí)，兩個(gè)橋的B+臂分別流過1.55Il的短路電流，由于交流勵(lì)磁電源的周波為2.5ms，正常運(yùn)行時(shí)每個(gè)支臂的其最大導(dǎo)通周期也只有0.8333ms，下一個(gè)脈沖到來時(shí)A+臂的晶閘管即被反向電壓關(guān)斷，B+臂導(dǎo)通，A+臂晶閘管在1.6667 ms才會(huì)重新導(dǎo)通。而快速熔斷器的熔斷時(shí)間約幾毫秒，由I2t可知，短路的C+支臂一直流過短路電流，其快速熔斷器熱積累效應(yīng)明顯，而A+臂或B+臂重復(fù)再經(jīng)歷導(dǎo)通、關(guān)斷的脈沖周期，電流倍數(shù)小且導(dǎo)通時(shí)間短(小于0.8333ms)，因此，結(jié)合電流和導(dǎo)通時(shí)間這兩個(gè)關(guān)鍵因素考慮，非故障相支臂的熱功率實(shí)際只有故障支臂熱功率的1/12，甚至更小，相應(yīng)支臂的快速熔斷器熔斷幾率極低。針對(duì)這種情況，有的廠家也充分考慮措施，如ABB公司采用“fire all command(全觸發(fā))”來確保至少故障晶閘管的保險(xiǎn)絲被燒斷，一旦轉(zhuǎn)換到備用整流器，故障晶閘管橋?qū)⒈环怄i。

同樣的，對(duì)于單通道熱備用的通道配置模式，如圖2，當(dāng)單臂擊穿短路在下一個(gè)脈沖形成兩相短路時(shí)，兩個(gè)支臂的電流相等，故障支臂的快熔熱積累時(shí)間比非故障相大，非故障支臂的熱功率約為故障支臂的1/4，存在一定的熔斷幾率。如果采用三個(gè)整流橋并聯(lián)運(yùn)行方式，則B相的沖擊電流由三個(gè)并聯(lián)橋的B+臂均分，約0.03Il，小于熔斷器的額定電流，且非故障相導(dǎo)通時(shí)間短，發(fā)生單橋一臂短路故障擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)基本不會(huì)發(fā)生。

3 結(jié)論

從上述分析可知，雙橋并聯(lián)運(yùn)行模式中，某橋發(fā)生一臂短路故障時(shí)，非故障相支臂熔斷器熔斷幾率極低，故障支臂的熔斷器能夠正確切除故障。雙橋主備運(yùn)行模式中，某橋發(fā)生一臂短路故障時(shí)，非故障相支臂的熔斷器存在一定的熔斷幾率。而三橋并聯(lián)運(yùn)行模式中，基本不會(huì)發(fā)生非正常熔斷風(fēng)險(xiǎn)。

［1］ 李基成．現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］．中國電力出版社，2009．

［2］ 樊俊，等．同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)磁原理及應(yīng)用［M］．水利電力出版社，1980．

［3］ 楊秀杰．可控硅整流器的快速熔斷器保護(hù)［J］．大電機(jī)技術(shù)，2002(61)．

［4］ 陳濟(jì)東，等．大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行［M］．原子能出版社，1994．

Reliability analysis of AVR Structure Configuration for Large Capacity Generator w ith Brushless Excitation

TANGCheng
(China Nuclear Power Technology Research Institute Co．，Ltd，Shenzhen 518124，China)

This paper introduces kinds of regulator with different redundant configuration，and presents the risk of AVR fully fault down if there is short circuit in one of the rectifier bridges．After calculating the Short－ circuit current aswell as analyzing the characteristic of bridge and fast fuse，the fault possibility of AVRswith different configuration are presented in this paper．

excitation system;short circuit;rectifier bridge;structure;reliability

TM76

B

1004－289X(2013)05－0076－04

2013－08－01