西霞院電站勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁原理及過(guò)電壓保護(hù)研究

崔培磊 王嘉雨 王帥琦 王志剛 洪羽

（黃河水利水電開(kāi)發(fā)總公司，河南 鄭州 450000）

西霞院電站勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁原理及過(guò)電壓保護(hù)研究

崔培磊 王嘉雨 王帥琦 王志剛 洪羽

（黃河水利水電開(kāi)發(fā)總公司，河南 鄭州 450000）

本文詳細(xì)介紹西霞院電站勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)配置，滅磁裝置的組成，描述事故停機(jī)時(shí)過(guò)壓保護(hù)與滅磁裝置配合的工作過(guò)程。

水輪發(fā)電機(jī)組；勵(lì)磁系統(tǒng)，過(guò)電壓保護(hù)；滅磁裝置

西霞院水電站是小浪底水利樞紐的配套工程，位于小浪底水電站下游約16km處，下距鄭州116km。水電站為河床式廠房，最大高度為51.5m，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為35MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量140MW，多年平均發(fā)電量5.83億kW·h。最大水頭14.35m，最低水頭5.83m，額定水頭11.5m，電站保證出力45.6MW。2007年底4臺(tái)發(fā)電機(jī)全部投入運(yùn)行。

隨著我國(guó)電力事業(yè)不斷發(fā)展，發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越被重視，而發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是其關(guān)鍵。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障事故停機(jī)時(shí)，發(fā)變組保護(hù)能將發(fā)電機(jī)快速?gòu)南到y(tǒng)中隔離開(kāi)來(lái)，但發(fā)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)慣性仍然存在，儲(chǔ)藏在轉(zhuǎn)子繞組中的磁場(chǎng)不能迅速消失。勵(lì)磁電流突變會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中形成暫態(tài)過(guò)電壓。因此，發(fā)生事故停機(jī)后，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)將機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組的磁場(chǎng)能減至最低，這就是發(fā)電機(jī)滅磁。

勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)是確保發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和整流橋避免引起過(guò)電壓的重要回路。當(dāng)發(fā)電機(jī)在甩負(fù)荷時(shí)電壓上升過(guò)高，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，通過(guò)滅磁裝置滅磁，保護(hù)機(jī)組免受過(guò)電壓危害。近年來(lái)，隨著發(fā)電機(jī)容量不斷增大，對(duì)滅磁及過(guò)壓保護(hù)的要求也逐漸提高。因此，發(fā)電機(jī)滅磁［1］及過(guò)壓保護(hù)也得到了快速發(fā)展，種類、形式也相對(duì)較多。目前，較常用的滅磁方式有逆變滅磁、滅磁開(kāi)關(guān)滅磁、壓敏電阻滅磁等；過(guò)壓保護(hù)按吸收元件分阻容保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)和硒堆保護(hù)等形式。

西霞院電廠勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)組成主要包括：阻容吸收過(guò)電壓保護(hù)、兩套獨(dú)立的受觸發(fā)器控制的氧化鋅壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)以及三角形連接非線性壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)組成。阻容吸收過(guò)電壓保護(hù)、三角形連接非線性壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)主要用于吸收勵(lì)磁系統(tǒng)整流橋換相引起的交流側(cè)尖峰電壓；位于直流側(cè)兩套獨(dú)立的受觸發(fā)器控制的氧化鋅壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)，主要用于保護(hù)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓［2］和滅磁。滅磁方式采用逆變滅磁、滅磁開(kāi)關(guān)滅磁、壓敏電阻滅磁多種形式相結(jié)合的方法，機(jī)組正常停機(jī)時(shí)由調(diào)節(jié)器控制三相全控橋式整流電路逆變滅磁，在事故停機(jī)時(shí)由滅磁開(kāi)關(guān)和壓敏電阻配合滅磁。以下對(duì)西霞院電廠勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁及過(guò)電壓保護(hù)原理進(jìn)行介紹。

1 阻容吸收過(guò)電壓保護(hù)回路（GRC）和三角形連接非線性壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)回路（RY01-03）

阻容吸收過(guò)電壓保護(hù)回路（GRC）和三角形連接非線性壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)回路（RY01-03）組成了勵(lì)磁系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)（如圖1所示）。GRC回路在低電壓下工作，減少小電流對(duì)設(shè)備的影響；非線性壓敏電阻（氧化鋅產(chǎn)品）耐壓能力較強(qiáng)，可以直接吸收大電流，減小其對(duì)設(shè)備的沖擊。

圖1 GRC和RY01-03過(guò)壓保護(hù)原理圖

1.1 GRC工作原理

如圖1所示，GRC回路工作為三相全控整流橋，其在換相過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)短路電流，引發(fā)交流回路上電感元件過(guò)電壓，因此GRC整流回路需要集成額外的阻容吸收元件。

集成阻容吸收元件工作原理：整流換相時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)短路電流，通過(guò)二極管D1至D6，被電容C3吸收，使回路得到緩沖，從而不會(huì)在LB側(cè)次級(jí)繞組產(chǎn)生過(guò)電壓。換相結(jié)束，C3吸收的電能流向電阻R3并被消耗掉。電容C3、電阻R3為主要阻容吸收元件，圖中的C1-R1與C2-R2為兩組輔助阻容吸收元件。主阻容吸收元件主要吸收換相最大短路電流能量，輔助阻容吸收元件主要吸收勵(lì)磁繞組其他原因引起的短路電流。

1.2 阻容回路設(shè)計(jì)原理

二極管D1至D6作用：①使電容吸收電能流向阻容吸收元件，避免短路電流影響整流電路；②防止回路中電感與阻容吸收器電容產(chǎn)生振蕩；③三相回路可同時(shí)使用一個(gè)可靠電容，達(dá)到節(jié)約資源的目的。

通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，將GRC回路各元件參數(shù)設(shè)置如表1所示，能達(dá)到最優(yōu)的吸收短路電流效果。

表1 GRC回路設(shè)備參數(shù)

1.3 氧化鋅壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)回路

氧化鋅壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)回路，見(jiàn)圖1中RY01-03部分。勵(lì)磁回路交流側(cè)氧化鋅壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)回路采用壓敏電阻三角形接線方式，主要用于吸收大能量的過(guò)電壓。如同期并網(wǎng)斷路器合閘瞬時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓、機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)電壓、線路被雷擊過(guò)電壓等。

勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓，可能是機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行遇到如下情況：①發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)在同期不完全情況下并網(wǎng)，或發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作突然跳閘甩負(fù)荷，定子電流大幅變化，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓；②發(fā)電機(jī)出線出現(xiàn)相間短路、接地或遇到被雷擊時(shí)，發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作，同樣會(huì)造成機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)致勵(lì)磁過(guò)電壓；③當(dāng)發(fā)電機(jī)三相電流不對(duì)稱時(shí)，發(fā)電機(jī)定子會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，產(chǎn)生一個(gè)與定子磁場(chǎng)反方向的負(fù)序磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子則以兩倍的轉(zhuǎn)速切割磁場(chǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱、振動(dòng)加劇，也會(huì)使勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓。

所述情況均為機(jī)組非正常運(yùn)行或遇突發(fā)故障，這樣只會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)短時(shí)間過(guò)電壓，氧化鋅壓敏電阻正適合這種短時(shí)電壓突變情況，在瞬時(shí)電流突變情況下，氧化鋅非線性伏安特性，使勵(lì)磁系統(tǒng)電壓不會(huì)過(guò)高，阻斷大電流沖擊特性良好；短時(shí)間電流突變情況消失后，氧化鋅壓敏電阻過(guò)流能力迅速下降，直至保護(hù)中連接器的可控硅關(guān)斷為止。

圖2 過(guò)電壓保護(hù)回路二次圖

如過(guò)電壓保護(hù)原理如圖2所示，在直流側(cè)設(shè)置了兩套氧化鋅壓敏電阻，61支路、62支路均為受觸發(fā)器控制的氧化鋅壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)回路；轉(zhuǎn)子運(yùn)行中也會(huì)產(chǎn)生反向過(guò)電壓故障，這時(shí)在三相橋式SCR可控硅整流電路側(cè)并聯(lián)一個(gè)單向?qū)ǖ亩O管，可以避免這一故障。勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)SCR回路不導(dǎo)通，正向勵(lì)磁電壓被SCR阻隔，反方向雖然有二極管D導(dǎo)通，但勵(lì)磁電壓反向電壓峰值較低，所以氧化鋅壓敏電阻FR長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低壓狀態(tài)下，荷電率很低，可保證其長(zhǎng)期工作壽命，不易老化。正向過(guò)電壓沖擊時(shí)，通過(guò)分壓電阻R使觸發(fā)器CF動(dòng)作，輸出觸發(fā)脈沖使SCR觸發(fā)導(dǎo)通，F(xiàn)R的過(guò)流能力下降至接近0，遠(yuǎn)小于維持SCR導(dǎo)通狀態(tài)的數(shù)值，SCR自行關(guān)閉，氧化鋅壓敏電阻回路復(fù)歸關(guān)斷。二極管60D導(dǎo)通限制反向過(guò)電壓，過(guò)電壓現(xiàn)象結(jié)束后恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)。通過(guò)調(diào)整R的阻值來(lái)設(shè)定正向過(guò)電壓保護(hù)過(guò)壓值。設(shè)計(jì)時(shí)，可將滅磁開(kāi)關(guān)兩側(cè)的正向過(guò)壓保護(hù)過(guò)壓值設(shè)置為相同，這樣在滅磁開(kāi)關(guān)合閘期間，過(guò)電壓保護(hù)速度就會(huì)大大提高。

2 滅磁原理

機(jī)組正常停機(jī)時(shí)，在跳開(kāi)機(jī)組出口開(kāi)關(guān)前，隨著降負(fù)荷過(guò)程勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將勵(lì)磁電流調(diào)整至降低范圍，當(dāng)機(jī)組出口開(kāi)關(guān)跳閘后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制三相全控整流橋進(jìn)入逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子回路中剩余磁通經(jīng)過(guò)三相全控整流橋返回交流側(cè)而被消耗掉。在這個(gè)滅磁過(guò)程中，滅磁開(kāi)關(guān)并不用跳開(kāi)，整流橋控制原理如圖3所示。

當(dāng)機(jī)組因事故停機(jī)時(shí)，滅磁開(kāi)關(guān)會(huì)在保護(hù)動(dòng)作下跳閘。滅磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，轉(zhuǎn)子內(nèi)仍存在大量的磁通，一部分磁通能量在帶有滅弧功能的滅磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)消耗，剩余部分通過(guò)氧化鋅壓敏電阻消耗。滅磁過(guò)程如圖2所示，當(dāng)滅磁開(kāi)關(guān)FMK跳閘后，60D導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子內(nèi)剩余磁場(chǎng)能量經(jīng)過(guò)多對(duì)電阻及非線性電阻被消耗掉。

3 結(jié)語(yǔ)

西霞院水電廠各機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)自2007年投產(chǎn)以來(lái)至今未發(fā)生重大故障，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，充分證明了這套過(guò)電壓保護(hù)裝置的實(shí)用性，使其成為同類機(jī)組設(shè)計(jì)、技改的范例。

圖3 整流橋逆變狀態(tài)控制原理

［1］ 許其品.大型發(fā)電機(jī)組合滅磁方式［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007（15）：70-73.

［2］ 胡新軍.300WM發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)回路的改進(jìn)及分析［J］.華中電力，2014（5）：32-33.

Study on Demagnetization Principle and Overvoltage Protection of Excitation System in Xixiayuan Power Station

Cui PeileiWang JiayuWang ShuaiqiWang ZhigangHong Yu
（The Yellow River Water Conservancy and Hydropower Development Corporation，Zhengzhou Henan 450000）

This paper introduced the structure and working principle of over voltage protection and demagne?tization device power station excitation system of Xixiayuan,summarized the operation over voltage protec?tion and deexcitation device of the excitation system.

turbine generator；excitation system；demagnetization；overvoltage protection

TM862

A

1003-5168（2017）11-0136-03

2017-09-03

崔培磊（1987-），男，本科，工程師，研究方向：水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度；王嘉雨（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：水電站運(yùn)行管理及維護(hù)。