高原水電站勵(lì)磁系統(tǒng)整流回路過電壓解決方法

陳秋林，馬大海，劉德翼，胡 濤，王 勇

（華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司，西藏 山南 856400）

1 序言

西藏位于青藏高原西南部，平均海拔在4 000 m以上，被稱為“世界屋脊”。西藏水能資源蘊(yùn)藏量十分豐富。位于西藏境內(nèi)的雅魯藏布江是中國最長(zhǎng)的高原河流（流域平均海拔約4 000 m），是世界上海拔最高的大河之一，水能資源蘊(yùn)藏量達(dá)1.13億kW。

目前正在開發(fā)的雅魯藏布江中游河段海拔在4 500～3 000 m之間，已建成的藏木水電站海拔3 300 m，正在建設(shè)的加查水電站、大古水電站海拔都在3 000 m以上。隨著海拔高度增加，大氣壓力下降，空氣密度和濕度相應(yīng)地減少，對(duì)電氣設(shè)備影響最大的是設(shè)備絕緣能力下降。為了保證高原水電站安全運(yùn)行，對(duì)于電站電氣設(shè)備，特別是涉網(wǎng)的高電壓設(shè)備，需要提高絕緣等級(jí)才能滿足運(yùn)行要求。

勵(lì)磁系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)最重要控制設(shè)備，它的可控硅整流回路產(chǎn)生的換相尖峰過電壓幅值大，其峰值電壓幅值遠(yuǎn)大于勵(lì)磁回路的絕緣能力，直接關(guān)系到勵(lì)磁及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的絕緣安全。如何解決該過電壓?jiǎn)栴}，保證勵(lì)磁系統(tǒng)在高原環(huán)境下安全運(yùn)行，本文做了重點(diǎn)介紹。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)概述

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁變壓器、自動(dòng)調(diào)節(jié)器、可控整流裝置、起勵(lì)裝置、滅磁及過電壓保護(hù)裝置，以及交流側(cè)過電壓吸收裝置等組成，原理接線如圖1所示。

圖1 可控硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

這種勵(lì)磁系統(tǒng)制造簡(jiǎn)單，布置方便，工作可靠，維護(hù)便利，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)響應(yīng)速度快。近年來我國大中型水輪發(fā)電機(jī)組基本上都采用這種勵(lì)磁系統(tǒng)。

勵(lì)磁系統(tǒng)采用可控硅全控制整流方式，可控硅在開通和關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生過電壓，特別在可控硅換相期間，由于有勵(lì)磁變漏感，以及勵(lì)磁變至整流柜電纜電感等原因，會(huì)產(chǎn)生較高換相尖峰過電壓。尖峰過電壓數(shù)值能達(dá)到數(shù)千伏，頻率為6倍交流電源頻率。大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓高、勵(lì)磁電流大，產(chǎn)生換相尖峰過電壓幅值更高，疊加在勵(lì)磁變副邊電壓上，數(shù)值會(huì)達(dá)到幾千甚至上萬伏，如果不采取有效保護(hù)方式，對(duì)勵(lì)磁回路、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的絕緣會(huì)造成極大損壞，極端情況下，會(huì)擊穿可控硅和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的絕緣。

3 可控硅整流電路產(chǎn)生過電壓原因

將整流電路簡(jiǎn)化，考慮勵(lì)磁變漏感、勵(lì)磁變至整流柜電纜電感，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組等效為電阻和電感串聯(lián)，如圖2所示。

圖2 可控硅整流回路原理圖

圖中Ea、Eb、Ec分別是勵(lì)磁變?nèi)噍敵鲭妷?，La、Lb、Lc是勵(lì)磁變漏感和電纜電感之和。為了分析方便，將圖1中的VT1～VT6共6只可控硅分別用+A、+B、+C、-A、-B、-C 代替。x、r是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電感和電阻。根據(jù)電力電子整流電路原理，整流橋工作過程為（+A-B）→（+A-C）→（+B-C）→（+B-A）→（+C-A）→（+C-B），一個(gè)周期內(nèi)全控橋整流可控硅有6次換相。

下面，以線電勢(shì)Eba為例，分析（+A-C）→（+B-C）換相過程。

（1）（+A-C）：當(dāng) +A-C 相工作時(shí)，+A-C 相兩只可控硅導(dǎo)通，其它可控硅處在截止?fàn)顟B(tài)，電流Id流向如圖3(A)所示：+A→x→r→-C。

圖3 可控硅換相過程示意圖一

（2）（+A-C）→（+B-C）換相過程。換相開始前瞬間，ia=If，ib=i=0，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是大電感性負(fù)載，根據(jù)電感電流不能突變?cè)?，直流?cè)電流If在換相過程中基本保持不變。ib逐漸上升ia逐漸減少，這個(gè)過程中出現(xiàn)了+A、+B、-C 3只可控硅導(dǎo)通的情況。電流If的流向如圖3(B)所示的（+A、+B）→x→r→-C。

換相過程中，出現(xiàn)了+A和+B共同導(dǎo)通的情況，Ea、Eb經(jīng)+A、+B可控硅出現(xiàn)了短時(shí)的短路時(shí)刻，Ea、Eb之間出現(xiàn)了換相短路電流i，換相短路電路流向如圖3(C)所示。

隨著換相過程繼續(xù)進(jìn)行，ia=If-i逐漸減少，最終ia=0，+A相可控硅完全關(guān)斷，+A相換相至+B相。整流可控硅由（+A-C）換相至（+B-C）。而ib=i逐漸上升，最終達(dá)到ib=If，+A、+B可控硅換相完成，如圖4（B）所示。

圖4 可控硅換相過程示意圖二

在換相結(jié)束前+A相可控硅關(guān)斷瞬間，由于可控硅元件內(nèi)部載流子電荷效應(yīng)，+A相可控硅反向阻斷能力不能立刻恢復(fù)，因此有很大的反向電流流過。當(dāng)+A相可控硅恢復(fù)阻斷能力時(shí)，反向電流迅速減小，di/dt絕對(duì)值可達(dá)100 A/μs，這樣大的電流突變，會(huì)在被關(guān)斷回路電感La和Lb上產(chǎn)生很高的感應(yīng)尖峰電壓，即換相尖峰過電壓?？煽毓桕P(guān)斷瞬間等效電路如圖5（A）所示。

圖5 可控硅關(guān)斷及整流輸出電壓示意圖

圖5（A）等效電路中，+A相可控硅電流突然關(guān)斷的瞬間，由于回路存在電感，在電感La、Lb上產(chǎn)生反電勢(shì)ELa和ELb，電勢(shì)極性正好與陽極電勢(shì)Eab極性相同，即換相尖峰電壓正向疊加在陽極電勢(shì)Eab上形成很高的尖峰過電壓。

（3）（+B-C）換相結(jié)束后，如圖 4(B)所示，電流流向?yàn)?B→x→r→-C。

三相可控硅全控整流橋輸出電壓表達(dá)式Uf=1.35U2cosα，式中：

U2——?jiǎng)?lì)磁變副邊電壓；

Uf——可控硅整流輸出電壓；

α——可控硅控制角，整流輸出電壓時(shí)可控硅控制角范圍 0～90°。圖 5（B）是控制角 60°時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓波形。

圖中Δu是上文中分析的換相尖峰電壓Uf疊加在整流輸出波形上。一個(gè)周期內(nèi)有6次換相尖峰電壓疊加。

4 過電壓保護(hù)及吸收方式

大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅整流回路裝設(shè)的保護(hù)和吸收回路有兩種，一種是交流側(cè)加裝三相RC吸收裝置如圖6（A）所示。

圖6 可控硅整流過電壓吸收回路示意圖

圖6（A）由3只高壓電容和3只大功率電阻組成Y型或△型并聯(lián)在可控硅整流橋交流側(cè)。優(yōu)點(diǎn)是回路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是：①電容、電阻的參數(shù)不好配合。由于電容是交流的，電容容量受到限制，單只高壓電容容量一般為1～3.3 μF，需要采取多只電容并聯(lián)才能達(dá)到設(shè)計(jì)的容量。②與電容串聯(lián)的電阻發(fā)熱嚴(yán)重，需要功率比較大，對(duì)器件安裝位置有極大的要求，要想達(dá)到設(shè)計(jì)的理想換相過電壓吸收效果，需要專門設(shè)置一個(gè)柜體用于安裝RC過電壓吸收裝置。③由于勵(lì)磁變漏感和電纜電感，如果電容參數(shù)沒有選擇好，容易造成串聯(lián)諧振過電壓。

另一種是交直流側(cè)加裝反向阻斷式RC吸收裝置,如圖6（B）所示，由交流側(cè)壓敏電阻、可控硅整流橋硅元件吸收RC回路、反向阻斷式RC吸收網(wǎng)絡(luò)等3部分組成。

（1）交流側(cè)壓敏電阻RVa～c主要用于限制和吸收整流橋交流側(cè)的尖峰過電壓。

（2）可控硅整流橋硅元件兩端并聯(lián)RC吸收回路，保護(hù)可控硅元件在開通和關(guān)斷瞬間不會(huì)被過電壓擊穿。

（3）反向阻斷式RC吸收網(wǎng)絡(luò)由圖中二極管D1～D6組成整流橋，電阻R1電容C1組成換相尖峰電壓充電、放電回路，電阻R2、R3電容C2、C3組成整流橋橋臂輔助放電回路。與前者相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）同等吸收效果情況下，只需要交流側(cè)電容C容量的1/3。C1為直流回路電容，為了達(dá)到理想的換相尖峰電壓吸收效果，電容容量可選擇30 μF甚至更大。

2）放電電阻只有一個(gè)，R1消耗功率為前者的1/3，更利于柜體內(nèi)安裝布置。

3）避免了交流側(cè)電容放電導(dǎo)致可控硅換相的di/dt增大。

4）避免了電容和交流回路產(chǎn)生諧振。

反向阻斷式RC吸收裝置任何一相交流回路因換相引起的尖峰過電壓均可經(jīng)過二極管整流橋D1～D6對(duì)電容C1進(jìn)行充電，使得過電壓尖峰得到抑制和吸收，換向后電容上的電荷能量經(jīng)電阻R1釋放。一個(gè)周期內(nèi)完成充電、放電過程，下一次換相尖峰過電壓到來后繼續(xù)吸收和能量釋放。只要R1、C1的參數(shù)選擇合適，完全可以達(dá)到理想的吸收換相尖峰過電壓效果。

可控硅每次換相所產(chǎn)生尖峰過電壓能量為W=0.5LI2。式中：

L——?jiǎng)?lì)磁變漏感和電纜電感；

I——換相前的線路電流。

U2e——?jiǎng)?lì)磁變額定電壓；

I2——?jiǎng)?lì)磁變額定電流=1.15×0.816I=0.938 4I（1.15為勵(lì)磁變?nèi)萘窟x取15%余量，0.816為三相全橋的整流系數(shù)，I為勵(lì)磁變副邊額定電流）；

Uk——?jiǎng)?lì)磁變阻抗電壓；

f——電源頻率（取50 Hz）。

C——C1的電容值；

U1——換相尖峰電壓；

U——吸收尖峰能量后的電壓，即為勵(lì)磁變副邊額定電壓經(jīng)二極管整流橋D1～D6整流后的電壓。

設(shè)U2e為勵(lì)磁變副邊額定電壓，C1電容吸收后U2e峰值為K1倍，電容C1通過電阻R1放電后U1幅值為K2倍，則上式變換為：

綜合前面公式變換為下式：

則換相尖峰電壓吸收電容C1的計(jì)算式為:

t——放電時(shí)間，在50 Hz系統(tǒng)中為3.3 ms；

τ——C1、R1放電回路的時(shí)間常數(shù)，τ=RC。

電阻R1計(jì)算式R=τ/C式中τ取電容C1的放電時(shí)間。

5 典型工程應(yīng)用

四川阿壩州某水電站海拔2 500 m，屬于高海拔地區(qū)。水電站機(jī)組相關(guān)參數(shù)：額定功率50 MW，額定電壓13.8 kV，額定負(fù)載時(shí)勵(lì)磁電壓/電流：464 V/606 A，額定空載時(shí)勵(lì)磁電壓300 V。勵(lì)磁變?nèi)萘? 000 kVA，電壓變比13.8 kV/0.75 kV，短路阻抗Uk=6.3%。根據(jù)前面推導(dǎo)的公式計(jì)算如下：

（1）勵(lì)磁變漏感

（2）勵(lì)磁變至整流柜電纜等效電感L2

交流電纜為ZR-YJV-3×120 mm2銅芯電纜，長(zhǎng)度50 m，每相3根并聯(lián)。

根據(jù)電力電纜電感計(jì)算公式，電纜電感由自感、導(dǎo)線電感和金屬護(hù)套電感組成。每相電纜電感為

（3）交流回路等效總電感L=L1+2L2=212.9×10-6（H）

（4）可控硅換相尖峰電壓

可控硅型號(hào)5STP12F4200，額定電壓4 200 V，額定同態(tài)平均電流1 150 A，di/dt＜100 A/μs，開通時(shí)間tρ≈ 5～20 μs。

額定空載時(shí)勵(lì)磁電流300 A折算到每只可控硅通過的電流為110.1 A，額定負(fù)載時(shí)勵(lì)磁電流660 A折算到每只可控硅通過的電流為222.4 A（折算系數(shù)為 0.367）。

計(jì)算發(fā)電機(jī)在空載狀態(tài)和額定負(fù)載狀態(tài)，可控硅開通時(shí)間為5 μs、10 μs和20 μs時(shí)電流變化率di/dt見表 1。

表1 單位：A/μs

根據(jù)換相尖峰電壓計(jì)算式△U=Ldi/dt，選擇可控硅開通時(shí)間20 μs分別計(jì)算。發(fā)電機(jī)在空載時(shí)發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)

勵(lì)磁變副邊電壓U2e=750 V，峰值電壓可控硅在額定負(fù)載時(shí)換相尖峰電壓2 367.4 V，如果可控硅在60°時(shí)換相，換相尖峰電壓此時(shí)正好疊加在勵(lì)磁變副邊電壓的波峰上為3 427.9 V。

（5）電壓吸收電容C1

設(shè)計(jì)時(shí)，希望換相尖峰電壓能完全被電容C1吸收，取吸收后的電壓倍數(shù)K2為基準(zhǔn)值（K2=1），尖峰電壓K1=2 367.4/1 060.5=2.23。則

式中I2=660 A×1.15×0.816=568.7 A，為額定勵(lì)磁電流折算到可控硅交流側(cè)，考慮15%的裕量。

由于電容規(guī)格問題，選取電容C1為30 μF/2 800 V。

（6）放電電阻R1

選取電阻R1為600 Ω，功率選擇2 kW。

（7）可控硅整流橋橋臂RC回路及輔助放電回路電阻R2、R3電容C2、C3

輔助橋臂放電回路R2、C2、R3、C3可以將部分的尖峰電壓通過轉(zhuǎn)子及過壓保護(hù)回路吸收，保護(hù)可控硅功率器件，其作用與并聯(lián)在橋臂上的RC回路相同，其參數(shù)也與其相似。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式取R=R2=R3=10 Ω/100 W，電容C=C2=C3=1.5 μF/2 000 V（此處不再展開計(jì)算）。

（8）交流側(cè)壓敏電阻RVa～c

交流側(cè)壓敏電阻RVa～c用于限制和吸收整流橋交流側(cè)過電壓，其過電壓值動(dòng)作閾值按躲過發(fā)電機(jī)1.3倍過電壓時(shí)勵(lì)磁變副邊電壓峰值選取，其動(dòng)作值為

該電站投運(yùn)時(shí)發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)載，勵(lì)磁電流660 A，勵(lì)磁電壓474 V，勵(lì)磁變壓器副邊電壓750 V，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)做了錄波，見圖7。

圖7

圖7（A）是可控硅整流橋交流側(cè)電壓，圖中可控硅換相時(shí)，除了在交流側(cè)產(chǎn)生電壓缺口外（換相時(shí)兩只可控硅造成兩相瞬時(shí)短路），換相尖峰電壓Ldi/dt完全被C1電容吸收了，沒有疊加在交流側(cè)電壓上。

圖7（B）是阻斷式吸收回路C1兩端的電壓波形。二極管整流橋D1～D6整流后電壓峰值電壓△u=81.6 V。前面計(jì)算的發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)可控硅換相尖峰電壓2 367.4 V，被完全吸收的有2 285.8 V。

該電站3臺(tái)機(jī)組于2009年7月份相繼投運(yùn)，截止至2020年勵(lì)磁系統(tǒng)已連續(xù)11年一直安全穩(wěn)定運(yùn)行，沒有出現(xiàn)過一次事故。說明在高海拔地區(qū)，勵(lì)磁變副邊電壓過高情況下，反向阻斷式RC吸收裝置完全可以吸收可控硅換相尖峰過電壓。

6 總結(jié)

隨著西部大開發(fā)建設(shè)力度的增加，未來在西藏高海拔地區(qū)建設(shè)和投產(chǎn)的電站會(huì)越來越多，高海拔地區(qū)造成電氣設(shè)備絕緣能力下降。采取的措施一方面是提高設(shè)備絕緣能力，按高一級(jí)絕緣能力選型，但是提高了設(shè)備的造價(jià)。另一方面是對(duì)設(shè)備的過電壓采用技術(shù)手段加以吸收，完全可以保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文介紹的大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)反向阻斷式RC吸收回路，通過科學(xué)合理地選擇器件參數(shù)，完全可以吸收可控硅回路換相時(shí)產(chǎn)生的尖峰過電壓，使勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的絕緣不受損壞，保證勵(lì)磁系統(tǒng)在高海拔地區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了設(shè)備可靠性。