發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置試驗(yàn)方法研究

薛貴平

摘 要：目前，大中型同步發(fā)電機(jī)多采用可控硅靜止勵磁的方式，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，勵磁繞組在多種情況下都可能遭受過電壓。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置作為大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重要保護(hù)，還承擔(dān)著滅磁的作用。為了保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置能夠可靠工作，需要對其工作性能進(jìn)行定期檢查。本文詳細(xì)介紹了發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)裝置的原理、試驗(yàn)前現(xiàn)場應(yīng)具備的條件及具體的試驗(yàn)方法，為電廠提供了一種操作簡單、安全可靠的試驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子過電壓;滅磁;定期檢驗(yàn)

Abstract：At present，large and medium-sized synchronous generators mostly adopt the static excitation method of thyristor.When the generator is running，the excitation winding may suffer from overvoltage under various conditions.The generator rotor overvoltage protection device，as an important protection for the rotor of a large generator，also assumes the role of demagnetization.In order to ensure that the generator rotor overvoltage protection device can work reliably，its working performance needs to be checked regularly.This article introduces in detail the principle of generator overvoltage protection device，the conditions and specific test methods that should be available on site before the test，and provides a simple，safe and reliable test method for power plants.

Key words：Rotor overvoltage;Demagnetization;Periodic inspection

1? 引言

隨著我國電力建設(shè)的高速發(fā)展，發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量不斷增大，進(jìn)口原裝和組裝的勵磁裝置及附帶的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)裝置（跨接器）占有比率越來越高[1]。作為發(fā)電機(jī)主保護(hù)的轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置，一直是各發(fā)電集團(tuán)和發(fā)電單位關(guān)注的重點(diǎn)。為了保證發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置的可靠工作，對該裝置進(jìn)行正確的定期檢驗(yàn)是發(fā)電機(jī)正常工作的前提。通過轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)，可驗(yàn)證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置是否按邏輯要求動作以及實(shí)際測試出在過電壓情況下的保護(hù)動作值[2]。

2? 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置工作原理

目前，大中型同步發(fā)電機(jī)多采用可控硅靜止勵磁的方式，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，勵磁繞組在下列情況下可能遭受過電壓：（1）發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非同期并網(wǎng)或發(fā)電機(jī)突然跳閘甩負(fù)荷，使得定子電流發(fā)生階躍性突變，這時發(fā)電機(jī)鐵芯及氣隙中磁通急劇變化，進(jìn)而在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中感應(yīng)出過電壓;（2）發(fā)電機(jī)定子繞組出現(xiàn)接地、短路，或遭雷擊等異常事故時，定子側(cè)將產(chǎn)生故障過電壓，定子故障過電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的耦合、勵磁變原邊與副邊繞組的耦合，感應(yīng)到轉(zhuǎn)子回路里;（3）發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行時，由定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子繞組運(yùn)動，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生過電壓，根據(jù)相關(guān)資料介紹，對于水輪發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生達(dá)幾萬伏的正弦波過電壓;（4）發(fā)電機(jī)三相負(fù)載不對稱時，定子三相電流不對稱會引起過電壓。若不采取適當(dāng)措施抑制這些可能出現(xiàn)的過電壓，則極有可能擊穿發(fā)電機(jī)勵磁繞組或可控硅整流橋，從而造成發(fā)電機(jī)事故停機(jī)和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置是采用擊穿二極管（BOD）作為過電壓監(jiān)測元件，當(dāng)BOD監(jiān)測到電壓高于其動作值后，該元件導(dǎo)通，觸發(fā)跨接器投入，將滅磁電阻與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子并聯(lián)，利用滅磁電阻來鉗制轉(zhuǎn)子電壓，從而起到過電壓保護(hù)作用。滅磁開關(guān)電源側(cè)的過電壓保護(hù)主要是抑制能量比較小的瞬間過電壓：滅磁開關(guān)轉(zhuǎn)子側(cè)過電壓保護(hù)主要抑制非全相運(yùn)行和短時異步運(yùn)行過電壓。過電壓保護(hù)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正向、反向過電壓時均能起到保護(hù)作用[4]。

在機(jī)組正常停機(jī)時，由勵磁調(diào)節(jié)器控制三相全控橋式整流電路逆變滅磁，轉(zhuǎn)子回路的剩余磁場經(jīng)過三相全控整流橋返回到交流側(cè)而消耗掉。在事故停機(jī)時，滅磁開關(guān)在保護(hù)動作下跳閘，當(dāng)滅磁開關(guān)斷開時，轉(zhuǎn)子中大量的剩余磁場需要在短時間內(nèi)消除，為此，除了采用帶滅弧罩的滅磁開關(guān)外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了滅磁電阻來滅磁。這些操作都是開關(guān)本身的機(jī)械聯(lián)鎖裝置完成的，不需要任何外部操作電路，提高了整個滅磁系統(tǒng)的可靠性。

轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)一般配置在勵磁設(shè)備內(nèi)部，圖1為某火電廠轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理圖。其中，TR1（TR2、TR3、TR4）為觸發(fā)元件，V1（V2、V3、V4）為晶閘管，V5為二極管，RV1（RV2）為滅磁電阻。

3? 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)

在發(fā)電機(jī)定期檢修過程中，通過試驗(yàn)?zāi)M發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓情況，驗(yàn)證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置是否能夠按裝置邏輯要求動作，并且驗(yàn)證跨接器的過電壓動作值是否滿足過電壓保護(hù)定值，通常情況下過電壓保護(hù)裝置廠家規(guī)定過電壓動作值允許偏差為±10%。試驗(yàn)前現(xiàn)場需具備的條件包括：（1）確認(rèn)發(fā)電機(jī)組已停機(jī);（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)、碳刷已經(jīng)完全解開;（3）滅磁開關(guān)已經(jīng)跳開;（4）直流側(cè)及交流側(cè)刀閘已斷開;（5）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)相關(guān)回路絕緣合格;（6）試驗(yàn)所用的儀器儀表檢驗(yàn)合格;（7）其他相關(guān)安全措施已執(zhí)行到位[5]。

3.1? 模擬整流側(cè)出現(xiàn)過電壓情況下的跨接器動作情況

打開跨接器兩端與直流銅排的連接螺栓（圖1中L03、L04兩點(diǎn)），將滅磁過電壓測試儀電壓輸出端口接在圖1所示L03、L04兩個斷開點(diǎn)處，并將便攜式電量記錄分析儀接入滅磁過電壓測試儀的錄波端口。

跨接器的動作電壓定值為3000V。由于跨接器由觸發(fā)元件TR4、晶閘管V4、二極管V5以及滅磁電阻RV2組成，可消除轉(zhuǎn)子正、反方向的過電壓，所以試驗(yàn)時通過滅磁過電壓測試儀加交流電壓同時作用于跨接器正反方向，進(jìn)行導(dǎo)通測試。

逐步升高滅磁過電壓測試儀輸出電壓，監(jiān)視示波器顯示的電壓實(shí)時值，直至在錄波儀上觀察到裝置動作，試驗(yàn)所得跨接器動作波形如圖2所示。

從波形圖可以看出，在交流電壓作用下，跨接器正反方向元件均動作。動作電壓為2808V。滿足過電壓保護(hù)裝置廠家規(guī)定的過電壓動作值允許偏差為±10%的要求。

3.2? 模擬轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)正向過電壓情況下的跨接器動作情況

打開跨接器兩端與直流銅排的連接螺栓（圖1中A、B兩點(diǎn)），將滅磁過電壓測試儀電壓輸出端口接在圖1所示A、B兩個斷開點(diǎn)處，并將便攜式電量記錄分析儀接入滅磁過電壓測試儀的錄波端口。

跨接器的動作電壓定值為2800V。由于跨接器由觸發(fā)元件TR3、晶閘管V3及滅磁電阻RV3組成，可消除轉(zhuǎn)子正方向的過電壓，所以試驗(yàn)時通過滅磁過電壓測試儀加交流電壓作用于跨接器正反方向，進(jìn)行導(dǎo)通測試。

逐步升高滅磁過電壓測試儀輸出電壓，監(jiān)視示波器顯示的電壓實(shí)時值，直至在錄波儀上觀察到裝置動作，試驗(yàn)所得跨接器動作波形如圖3所示。

從波形圖可以看出，在交流電壓作用下，正向電壓條件下跨接器元件動作。動作電壓為2690V。滿足過電壓保護(hù)裝置廠家規(guī)定的過電壓動作值允許偏差為±10%的要求。

3.3? 模擬轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)反向過電壓情況下的跨接器動作情況

打開跨接器兩端與直流銅排的連接螺栓（圖1中L01、L02兩點(diǎn)），將滅磁過電壓測試儀電壓輸出端口接在圖1所示L01、L02兩個斷開點(diǎn)處，并將便攜式電量記錄分析儀接入滅磁過電壓測試儀的錄波端口。

跨接器的動作電壓定值為2000V。由于跨接器由觸發(fā)元件TR1、晶閘管V1、晶閘管V2及滅磁電阻RV1組成，可消除轉(zhuǎn)子反方向的過電壓，所以試驗(yàn)時通過滅磁過電壓測試儀加交流電壓作用于跨接器正反方向，進(jìn)行導(dǎo)通測試。

逐步升高滅磁過電壓測試儀輸出電壓，監(jiān)視錄波儀顯示的電壓實(shí)時值，直至在示波器上觀察到裝置動作，試驗(yàn)所得跨接器動作波形如圖4所示。

由圖可見，在交流反向電壓作用下跨接器元件動作。動作電壓為2106V。滿足過電壓保護(hù)裝置廠家規(guī)定的過電壓動作值允許偏差為±10%的要求。

3.4? RV滅磁過電壓保護(hù)組件回路測試

RV滅磁過電壓保護(hù)組件由19個氧化鋅非線性電阻組成，每個氧化鋅非線性電阻串接一個快速熔斷器。通過測量元件壓敏電壓，在同樣外部條件下與初始值比較，若壓敏電壓變化率大于10%，則視為元件老化失效。當(dāng)失效元件數(shù)量大于整體數(shù)量的20%時應(yīng)更換整個非線性電阻。

拆除與非線性電阻串聯(lián)的快速熔斷器，將滅磁過電壓測試儀直流電壓輸出端口接在非線性滅磁電阻RV的兩端，逐漸升高儀器輸出的直流電壓，測試當(dāng)非線性電阻漏電流達(dá)到10mA時的壓敏電壓U10mA。

4? 結(jié)論

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置作為一種重要的電氣保護(hù)裝置，不可避免會隨其使用年限的增加而逐漸老化并終止壽命。因此，提供一種安全、簡單、可靠的轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置定期試驗(yàn)方法是十分必要和緊迫的。

本文介紹了發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)裝置的原理、試驗(yàn)前現(xiàn)場應(yīng)具備的條件及具體的試驗(yàn)方法。通過發(fā)電機(jī)定期檢修過程的機(jī)會，試驗(yàn)分別驗(yàn)證了模擬整流側(cè)出現(xiàn)過電壓、轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)正向過電壓、轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)反向過電壓情況下的跨接器動作情況，同時對非線性滅磁電阻的壓敏電壓進(jìn)行了測試。

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