轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)的有關(guān)問(wèn)題分析

李大公，熊尚峰，洪權(quán)，李輝，吳晉波

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007)

1 轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)原理

該保護(hù)的主要原理是過(guò)壓感應(yīng)板檢測(cè)到過(guò)電壓后導(dǎo)通與非線性滅磁電阻串聯(lián)的可控硅，將非線性滅磁電阻并聯(lián)接入轉(zhuǎn)子兩端。利用非線性滅磁電阻的伏安特性來(lái)鉗制轉(zhuǎn)子電壓。目前常用的轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)分為單向型和雙向型，基本原理一致，本文以南瑞電控公司和ABB 公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)為例，說(shuō)明轉(zhuǎn)子過(guò)電壓原理。

圖1 是南瑞電控公司的滅磁及過(guò)壓保護(hù)原理圖，60FR 為主滅磁電阻，安裝在轉(zhuǎn)子側(cè)(以滅磁開(kāi)關(guān)斷口為分界點(diǎn))，61FR 為輔助滅磁電阻，安裝在可控硅側(cè)。60FR 和61FR 均為氧化鋅非線性電阻。CF2(CF1)為轉(zhuǎn)子過(guò)壓感應(yīng)板。當(dāng)轉(zhuǎn)子正向過(guò)壓大于定值時(shí)，CF2(CF1)動(dòng)作導(dǎo)通可控硅60SCR(61SCR)，60CT(61CT)流過(guò)電流時(shí)發(fā)出轉(zhuǎn)子過(guò)壓動(dòng)作信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓反向時(shí)，通過(guò)60D(61D)將非線性電阻接入轉(zhuǎn)子兩端。圖1 中與60FR 串聯(lián)的開(kāi)關(guān)接點(diǎn)是滅磁開(kāi)關(guān)輔助接點(diǎn)。因圖1 中只有單向觸發(fā)回路，因此稱為單向型保護(hù)。

圖2 為ABB 公司的滅磁及過(guò)壓保護(hù)原理圖〔2〕。V1 和V2 分別為正向和反向可控硅，A02 為轉(zhuǎn)子過(guò)壓感應(yīng)板，R02 為非線性滅磁電阻。K1，K2，K3分別接入不同的跳閘信號(hào)(保護(hù)動(dòng)作、滅磁開(kāi)關(guān)跳閘、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障)，在跳閘信號(hào)動(dòng)作時(shí)導(dǎo)通V1，V2，將非線性電阻接入轉(zhuǎn)子兩端。正常運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)超過(guò)A02 板定值的過(guò)電壓時(shí)，A02板將導(dǎo)通V1 或V2，使非線性電阻接入轉(zhuǎn)子兩端。因圖2 中轉(zhuǎn)子雙向均有觸發(fā)回路，因此稱為雙向型保護(hù)。

圖1 南瑞電控滅磁及過(guò)壓保護(hù)原理圖

圖2 ABB 滅磁及過(guò)壓保護(hù)原理圖

單向型保護(hù)主要考慮正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子不應(yīng)出現(xiàn)反向電壓，因此轉(zhuǎn)子出現(xiàn)反向電壓時(shí)直接通過(guò)二極管將非線性電阻接入轉(zhuǎn)子兩端，成本較低。但如果勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)的換相電壓峰值經(jīng)常超過(guò)非線性電阻的U10mA電壓，那么建議采用雙向型轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)。因?yàn)榇藭r(shí)在正常運(yùn)行或逆變滅磁時(shí)，都會(huì)使非線性電阻的荷載率大大提高，非線性電阻將提前老化。

轉(zhuǎn)子過(guò)電壓感應(yīng)板的主要核心元件是BOD 管，英文全稱是Breakover Diode，中文名是折返二極管。目前只有國(guó)外少量廠家在生產(chǎn)。圖3 為BOD伏安特性曲線。

圖3 BOD 伏安特性曲線

當(dāng)施加在BOD 管的陽(yáng)極與陰極之間的電壓差值達(dá)到其本身的轉(zhuǎn)折電壓(VBO)時(shí)，該管導(dǎo)通，能夠通過(guò)很大的尖峰脈沖電流;而當(dāng)通過(guò)的電流減小到低于其維持電流時(shí)，則自動(dòng)阻斷。BOD 管的型號(hào)規(guī)格眾多，從600 V(有的廠家可低至400 V)到2 500 V，每100 V 分成一種規(guī)格，每種規(guī)格的動(dòng)作誤差范圍保持在±50 V;而2 600 V 以上，則每200 V 分成一個(gè)規(guī)格，每種規(guī)格的動(dòng)作誤差范圍保持在±100 V?？梢哉f(shuō)，BOD 管的覆蓋范圍比較廣，可以滿足不同等級(jí)、不同參數(shù)機(jī)組的需要。

圖1 中CF 板的電路及其元器件封裝資料如圖4 所示。

圖4 CF 板電路圖

圖4 中元器件封裝資料如表1。

表1 過(guò)電壓感應(yīng)板元器件列表

假設(shè)CF 板端口3 接可控硅的門極，1 接轉(zhuǎn)子“+”，4 接轉(zhuǎn)子“－”。

BOD 導(dǎo)通時(shí)，門極電壓為:

BOD 阻斷時(shí)，門極電壓為:

因過(guò)壓整定值一般不超過(guò)3 000 V，U34的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可控硅的觸發(fā)電壓(一般為2 V 左右)。

ABB 生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)板原理與CF 板類似，在此不再贅述。

2 整定原則

轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)的整定，除了要考慮過(guò)電壓感應(yīng)板的定值外，還要考慮非線性電阻的U10mA電壓的選擇。

以250 MW 的水輪機(jī)組為例，額定轉(zhuǎn)子電壓為389 V，勵(lì)磁變二次額定電壓為780 V，額定轉(zhuǎn)子電流為1 693A，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為2。

2.1 過(guò)電壓感應(yīng)板定值

過(guò)電壓感應(yīng)板定值應(yīng)高于最大整流電壓的峰值，同時(shí)還應(yīng)高于滅磁裝置正常動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓值;應(yīng)低于可控硅整流橋的最大允許電壓，應(yīng)與轉(zhuǎn)子可耐受電壓相匹配且不得超過(guò)出廠試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁繞組對(duì)地試驗(yàn)電壓幅值的70%。過(guò)電壓感應(yīng)板定值應(yīng)高于正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的最高換相電壓，按運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，取勵(lì)磁變二次電壓U2n的2.5 倍〔3〕。

同時(shí)按照GB/T7409.3—2007 中5.23 項(xiàng)的規(guī)定〔4〕，該定值不得超過(guò)出廠試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁繞組交流對(duì)地試驗(yàn)電壓幅值的70%。

取過(guò)電壓感應(yīng)板定值為3 000 V。

2.2 滅磁電阻U10 mA 電壓

對(duì)于非線性電阻，2 個(gè)重要的技術(shù)參數(shù):

U10mA——非線性電阻流過(guò)10 mA 電流所對(duì)應(yīng)的電壓;

U殘壓——非線性電阻流過(guò)100 A 電流所對(duì)應(yīng)的電壓。

一般來(lái)說(shuō)，U殘壓與U10mA的比值為1.5。

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T583—2006 中4.2.14項(xiàng)的規(guī)定〔5〕，在滅磁過(guò)程中，勵(lì)磁繞組反向電壓一般不低于出廠試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁繞組對(duì)地試驗(yàn)電壓幅值的30%，不高于50%。則非線性電阻的殘壓選擇范圍為:

即U10mA電壓的范圍為1 100～1 833 V。

為確保滅磁開(kāi)關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)磁場(chǎng)能量順利轉(zhuǎn)移，非線性電阻殘壓的選擇宜低不宜高，取U10mA=1 300 V。

3 試驗(yàn)方法

過(guò)電壓保護(hù)定值一般在機(jī)組投運(yùn)前需要進(jìn)行檢查，機(jī)組投運(yùn)年限較長(zhǎng)后也應(yīng)檢查。圖5 為對(duì)圖1所示轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)進(jìn)行檢測(cè)的試驗(yàn)接線圖。

圖5 轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)試驗(yàn)接線圖

試驗(yàn)時(shí)將CF 板和非線性電阻與其他元件隔離，將與可控硅反并聯(lián)的60D 二極管斷開(kāi)接線，按U10mA=1 300 V，計(jì)算限流電阻阻值。

為使觸發(fā)板中的其他電阻不過(guò)流，取R22電阻最大電流為回路電流，非線性電阻的殘壓為1300×1.5=1950(V)，此時(shí)回路電阻R=U/I=1950/0.23=8478(Ω)，因此試驗(yàn)中限流電阻選取8.5 kΩ。

試驗(yàn)中可控硅的關(guān)斷應(yīng)該是在過(guò)壓發(fā)生之后轉(zhuǎn)子側(cè)電壓降低、非線性電阻阻斷、流經(jīng)可控硅的電流急劇下降而使得可控硅被關(guān)斷。由于試驗(yàn)過(guò)程中所加高壓采用交流正弦信號(hào)，電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)，BOD觸發(fā)板電壓很低，此時(shí)的電流不足以維持BOD 導(dǎo)通，因此，試驗(yàn)中的BOD 在電壓“過(guò)零點(diǎn)”自然阻斷。但應(yīng)注意試驗(yàn)中過(guò)壓時(shí)間不要持續(xù)太長(zhǎng)。計(jì)算試驗(yàn)動(dòng)作值時(shí)應(yīng)注意取交流電壓的峰值。

還有一個(gè)簡(jiǎn)便的試驗(yàn)方法可以直接對(duì)過(guò)壓感應(yīng)板進(jìn)行檢測(cè)。用電子式絕緣檢測(cè)表對(duì)過(guò)壓感應(yīng)板進(jìn)行加壓，因絕緣檢測(cè)表允許輸出電流很小，不會(huì)對(duì)過(guò)壓感應(yīng)板造成損害。此時(shí)電子式絕緣檢測(cè)表的輸出電壓就是過(guò)壓感應(yīng)板的動(dòng)作值。

4 故障分析

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)的故障率較低，但也曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一些危害機(jī)組安全的故障。

4.1 干擾信號(hào)引起轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)誤動(dòng)

投運(yùn)2 臺(tái)250 MW 水電機(jī)組4年后，發(fā)現(xiàn)氧化鋅滅磁電阻特性與投產(chǎn)時(shí)相比變化較大，已不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的能容，且轉(zhuǎn)子過(guò)壓經(jīng)常發(fā)動(dòng)作信號(hào)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查和長(zhǎng)時(shí)間試運(yùn)，最終確定轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)誤動(dòng)原因?yàn)楦蓴_信號(hào)引起，將轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)中的可控硅門極連線由普通線芯改為雙絞線，故障消失。

4.2 機(jī)端空載誤強(qiáng)勵(lì)引起轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)中的感應(yīng)板燒損

150MW 的水電機(jī)組，在運(yùn)行中因水機(jī)故障，帶90 MW 有功跳閘。跳閘后運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子過(guò)壓感應(yīng)板燒損。通過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)組跳閘時(shí)，跳閘方式為逆變不跳滅磁開(kāi)關(guān)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器處于定角度(逆變角為150°)運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)機(jī)組超速，最高頻率超過(guò)70 Hz。因該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖輸出為固定頻率(50 Hz)輸出方式，在機(jī)組頻率變化時(shí)，實(shí)際觸發(fā)角度已發(fā)生變化，從150°逐漸變化到強(qiáng)勵(lì)區(qū)，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生誤強(qiáng)勵(lì)，引起定子和轉(zhuǎn)子過(guò)壓。因轉(zhuǎn)子過(guò)壓時(shí)間持續(xù)超過(guò)5 s，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)壓感應(yīng)板燒損。

4.3 元件劣化引起轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)誤動(dòng)

600MW 火電機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)偶爾動(dòng)作，檢查轉(zhuǎn)子運(yùn)行參數(shù)無(wú)變化。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子過(guò)壓感應(yīng)板上匹配電阻阻值已發(fā)生變化，根據(jù)計(jì)算，在匹配阻值發(fā)生變化情況下，BOD 管阻斷時(shí)，可控硅門極承受電壓已大大超過(guò)設(shè)計(jì)值。當(dāng)勵(lì)磁快速調(diào)整時(shí)，使轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)誤動(dòng)。

5 結(jié) 論

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重要保護(hù)設(shè)備。該保護(hù)一般安裝在勵(lì)磁屏柜內(nèi)，需要加入高電壓對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，一般電廠對(duì)其檢查較少。本文討論了目前常用的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)原理、整定原則及試驗(yàn)方法，并對(duì)多起轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)引起的故障進(jìn)行了介紹、分析，供同行參考。

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〔4〕GB/T7409.3—2007． 大中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件〔S〕． 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

〔5〕DL/T583—2006． 大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件〔S〕． 北京:中國(guó)電力出版社，2006.