三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)副勵(lì)磁機(jī)輸出回路絕緣監(jiān)測(cè)方法研究

彭立英,馮存亮,唐誠,向健

(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518124)

三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)副勵(lì)磁機(jī)輸出回路絕緣監(jiān)測(cè)方法研究

彭立英,馮存亮,唐誠,向健

(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518124)

本文針對(duì)三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)的副勵(lì)磁機(jī)輸出回路缺乏絕緣監(jiān)測(cè)措施展開研究,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)目前常用于小電流接地系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)方法對(duì)該回路的適應(yīng)性進(jìn)行分析.分析表明零序電壓監(jiān)測(cè)方法可適用于副勵(lì)磁機(jī)輸出回路的絕緣監(jiān)測(cè),最后通過Matlab仿真驗(yàn)證了零序電壓檢測(cè)原理對(duì)副勵(lì)磁機(jī)輸出回路絕緣監(jiān)測(cè)的有效性.

副勵(lì)磁機(jī);絕緣監(jiān)測(cè);零序電壓

勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部分,直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,其主要任務(wù)是根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組提供一個(gè)可控的直流電源,以滿足發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行方式下的需要.根據(jù)勵(lì)磁電源的不同,勵(lì)磁系統(tǒng)一般可分為他勵(lì)型和自勵(lì)型兩類.三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)是一種非常典型的他勵(lì)型勵(lì)磁系統(tǒng),廣泛用于大容量發(fā)電機(jī)組.

在三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)中,副勵(lì)磁機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的勵(lì)磁電源源頭,它的運(yùn)行狀況直接影響整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng).但在實(shí)際運(yùn)行中,僅對(duì)副勵(lì)磁機(jī)輸出線電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),沒有設(shè)其它保護(hù)措施.本文針對(duì)副勵(lì)磁機(jī)的結(jié)構(gòu)及輸出回路特性,結(jié)合目前主流的絕緣監(jiān)測(cè)方法,對(duì)副勵(lì)磁機(jī)的輸出回路進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)的可行性分析.通過理論對(duì)比分析,零序電壓絕緣監(jiān)測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)該回路的絕緣監(jiān)測(cè),最后通過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性.

1 三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)的主要設(shè)備包括主勵(lì)磁機(jī)、副勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)二極管、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置、滅磁裝置.其中主勵(lì)磁機(jī)的電樞、副勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子和二極管整流都是旋轉(zhuǎn)部件(安放在勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)軸上),運(yùn)行時(shí)隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn).三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)中的副勵(lì)磁機(jī)為一永磁發(fā)電機(jī),永磁磁極安裝于轉(zhuǎn)軸上,定子發(fā)出的交流電流經(jīng)可控硅整流器整流后,供給主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組.主勵(lì)磁機(jī)為一旋轉(zhuǎn)電樞型交流發(fā)電機(jī),其勵(lì)磁繞組安裝在定子上,電樞安裝在轉(zhuǎn)軸上.電樞發(fā)出的交流電流經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組.

2 三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)存在問題

三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)電源取自同軸旋轉(zhuǎn)的副勵(lì)磁機(jī),不受電力系統(tǒng)運(yùn)行情況的影響,工作可靠.但由于副勵(lì)磁機(jī)本體保護(hù)措施不夠全面加之其輸出回路缺乏相應(yīng)的監(jiān)測(cè)措施,在實(shí)際運(yùn)行中曾發(fā)生多起由于該系統(tǒng)絕緣故障導(dǎo)致設(shè)備燒毀的事件,給運(yùn)行電廠帶來重大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失.某電廠副勵(lì)磁機(jī)因缺乏有效絕緣手段而導(dǎo)致副勵(lì)磁機(jī)燒毀的現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示.

圖1 副勵(lì)磁機(jī)定子鐵芯溝槽燒毀圖

一般來說發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大軸絕緣和轉(zhuǎn)子繞組絕緣均有專門的絕緣監(jiān)測(cè)或保護(hù)裝置,同時(shí)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置也能對(duì)其整流橋輸出直流進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè),但副勵(lì)磁機(jī)及其輸出回路并沒有相關(guān)絕緣監(jiān)測(cè)及保護(hù)措施.如果副勵(lì)磁機(jī)及其定子繞組至整流橋輸入端發(fā)生絕緣故障,系統(tǒng)將無法獲知絕緣信息,只能任由故障發(fā)展,最終可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的崩潰及主設(shè)備損壞.

3 解決方案可行性分析

以某電廠為例,副勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)輸出電壓約100~400V,頻率為400Hz的中壓中頻電源,副勵(lì)磁機(jī)的中性點(diǎn)不接地,因此對(duì)其輸出回路的絕緣監(jiān)測(cè)措施可以借鑒中低壓系統(tǒng)常用的監(jiān)測(cè)方法.目前中低壓系統(tǒng)常用的監(jiān)測(cè)方法有注入式監(jiān)測(cè)、零序電流監(jiān)測(cè)、零序電壓監(jiān)測(cè).

由于副勵(lì)磁機(jī)的定子繞組雖為星形連接,但其中心點(diǎn)沒有引出,注入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有注入點(diǎn).同時(shí)由于注入式監(jiān)測(cè)引入了新的交流量,三機(jī)式勵(lì)磁系統(tǒng)中的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置含有晶閘管等非線性元件,電路錯(cuò)綜復(fù)雜,新的交流量對(duì)此裝置的影響難以預(yù)見,因此該方法不適合于副勵(lì)磁機(jī)定子繞組和輸出回路的絕緣監(jiān)測(cè).

副勵(lì)磁機(jī)的定子繞組為星形連接,中心點(diǎn)不接地,屬于小電流接地系統(tǒng).當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)接地時(shí),系統(tǒng)中的零序電流非常小,接近零.因此零序電流方法無法有效監(jiān)視系統(tǒng)的單點(diǎn)接地情況.

零序電壓監(jiān)測(cè)方法一般采用電磁式電壓互感器開口三角繞組構(gòu)成的絕緣監(jiān)測(cè)裝置來監(jiān)視系統(tǒng)的絕緣狀況.當(dāng)副勵(lì)磁機(jī)輸出回路正常運(yùn)行時(shí),回路中無零序電壓量,此時(shí)開口三角繞組的輸出電壓為零.當(dāng)輸出回路發(fā)生單相接地或兩相接地故障時(shí),系統(tǒng)的平衡特性遭到破壞,將出現(xiàn)零序分量,此時(shí)開口三角繞組的將輸出非零量,即

因此,可以根據(jù)系統(tǒng)有無零序電壓的大小來判定副勵(lì)磁機(jī)定子繞組及輸出回路的絕緣狀況.

圖2 單相故障仿真結(jié)果圖

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證零序電壓監(jiān)測(cè)方法的可行性,本文以某電站副勵(lì)磁機(jī)為基礎(chǔ)搭建仿真模型進(jìn)行分析.該副勵(lì)磁基本參數(shù)如下:額定電壓UN=200V,額定電流IN=288A,額定頻率f=400Hz,額定轉(zhuǎn)速n=3000rev/min.本文模擬了副勵(lì)磁機(jī)輸出回路發(fā)生單相接地故障和兩相接地故障時(shí),系統(tǒng)的輸出特性及零序分量情況.

工況 一:在0.5s時(shí)副勵(lì)磁機(jī)輸出端發(fā)生A相單相接地短路,0.51s故障切除,故障前后輸出電壓、輸出電流、零序電壓和零序電流波形依次如上圖2(a)、(b)、(c)、(d)所示.從圖中可以看出故障發(fā)生后,故障相的電壓降低,但故障相的電流變化很小,零序電壓比較大,零序電流比較小.

工況二:在0.5s時(shí)副勵(lì)磁機(jī)輸出端發(fā)生A、B兩相接地短路,0.51s故障切除,故障前后輸出電壓、輸出電流、零序電壓和零序電流波形依次如圖3(a)、(b)、(c)、(d)所示.從圖中可以看出故障發(fā)生后,故障相的電壓降低,但故障相的電流有一定的變化,零序電壓比較大,零序電流比較小.

5 結(jié)語

為了有效的監(jiān)測(cè)副勵(lì)磁機(jī)輸出回路的絕緣狀況,本文提出了借鑒中壓系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)該回路的有效監(jiān)視.通過對(duì)比不同的絕緣監(jiān)測(cè)原理,分析得出基于零序電壓的絕緣監(jiān)測(cè)方法適合副勵(lì)磁機(jī)回路的絕緣監(jiān)測(cè),最后的Matlab仿真實(shí)驗(yàn)表明,該方法能有效的監(jiān)視副勵(lì)磁機(jī)輸出回路的絕緣.

圖3 兩相故障仿真結(jié)果圖

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