勵磁陽極過壓保護(hù)裝置及其在三峽電廠的應(yīng)用

1、勵磁陽極過壓保護(hù)裝置及其在三峽電廠的應(yīng)用 胡先洪，章俊，陳小明（三峽水力發(fā)電廠，湖北宜昌市，443113）摘 要 本文分析了勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓的原因、種類以及各種保護(hù)措施，結(jié)合以上原理分析了三峽電廠所采用的RC阻容陽極過壓保護(hù)裝置和在實際運(yùn)行中的試驗數(shù)據(jù)，肯定了此裝置在機(jī)組安全運(yùn)行中所起到的作用。關(guān)鍵詞 勵磁系統(tǒng)過電壓；阻容保護(hù)；三峽電廠0、 引言三峽左岸電站機(jī)組設(shè)計中沒有設(shè)計勵磁陽極過電壓保護(hù),可控硅的換相過電壓加在勵磁變壓器的主絕緣上，給勵磁變的安全運(yùn)行帶來隱患，同時對可控硅勵磁系統(tǒng)的功率元件也有一定的威脅，可控硅勵磁系統(tǒng)的功率元件承受過電壓、過電流的能力較差，即使很短時間的過電壓和過電流

2、都可能導(dǎo)致元件的損壞，而且可控硅元件承受正向電壓上升率和電流上升率的能力也有一定限度，超過這個限度也可能導(dǎo)致可控硅元件的損壞，造成勵磁系統(tǒng)不能正常工作。施加在可控硅元件上的正反向瞬時峰值電壓，凡超過規(guī)定值時，都稱為過電壓。施加的正向電壓瞬時值超過可控硅元件的斷態(tài)非重復(fù)峰值電壓，達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓，或電壓值雖未達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓，但電壓上升率較大，且超過允許的阻斷電壓臨界上升率，均可造成功率元件的損壞。若加于可控硅元件的瞬時反向峰值電壓超過其非重復(fù)反向峰值電壓，而達(dá)到反向擊穿電壓，將造成功率元件的反向擊穿損壞。為了保證勵磁系統(tǒng)安全可靠地工作，延長功率元件的使用壽命，除了提高功率元件的產(chǎn)品質(zhì)量和在設(shè)計

3、時正確選擇功率元件的參數(shù)、并留有一定的安全裕度外，還必須將過電壓、過電流和電壓上升率、電流上升率限制在功率元件所允許的范圍之內(nèi)，以保證其安全可靠地運(yùn)行。三峽左岸電站11號機(jī)組勵磁變壓器因絕緣問題導(dǎo)致燒毀后，我們及時對部分機(jī)組進(jìn)行了陽極過電壓情況的測試工作，并聯(lián)合重慶大學(xué)對陽極過電壓進(jìn)行了仿真試驗，最終確定出一套陽極過電壓保護(hù)裝置的配置和相關(guān)參數(shù)，并招標(biāo)進(jìn)行了陽極過電壓保護(hù)裝置的生產(chǎn)，并在2005至2006年度C修過程中及時投運(yùn)。從已投入運(yùn)行的機(jī)組試驗看來有了很明顯的降壓效果?，F(xiàn)就此問題做一個簡短的介紹。1、 勵磁陽極過壓保護(hù)裝置原理可控硅勵磁系統(tǒng)中出現(xiàn)的過電壓現(xiàn)象，其主要原因有兩個： 由雷擊等

4、原因引起的大氣過電壓； 整流系統(tǒng)所在電路中的跳閘、合閘和可控硅元件關(guān)斷等電磁暫態(tài)過程所引起的操作過電壓和換相過電壓。其中，換向過電壓是周期性的陡脈沖信號。整流系統(tǒng)在為發(fā)電機(jī)提供勵磁電流的同時，該過電壓也將持續(xù)作用在勵磁變壓器的主絕緣上；一定條件下，其幅值有可能達(dá)到額定電壓的三倍以上。長時間的過電壓作用會引起主絕緣的絕緣性能裂化，產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，局部放電的發(fā)展將使絕緣性能劣化，最終使絕緣破壞。過電壓的保護(hù)分為交流側(cè)保護(hù)、直流側(cè)保護(hù)和元件保護(hù)三種，交流側(cè)保護(hù)又分為閉雷器、接地電容、抑制電容、阻容保護(hù)、整流式阻容保護(hù)、硒堆保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)；直流側(cè)保護(hù)分為阻容保護(hù)、整流式阻容保護(hù)、硒堆保護(hù)、壓敏電

5、阻保護(hù)；元件保護(hù)主要是在可控硅兩端并聯(lián)阻容保護(hù)。通過對勵磁系統(tǒng)過電壓抑制措施的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)壓敏電阻的抑制方式能抑制過電壓的幅值，但卻反而使過電壓的陡度增大；壓敏電阻（避雷器）等耗能元件只適合用于抑制大氣過電壓。因此我們著重對各種阻容式保護(hù)方式進(jìn)行了深入的分析。阻容保護(hù)又叫阻容吸收保護(hù)，利用電容器兩端電壓不能突變，而能儲存電能的基本特性，可以吸收瞬間的浪涌能量，限制過電壓。為了限制電容器的放電電流，降低可控硅開通瞬間電容放電電流引起的正向電流上升率di/dt ，以及避免電容與回路電感產(chǎn)生振蕩，通常在電容回路上串入適當(dāng)電阻，從而構(gòu)成阻容吸收保護(hù)，一般可抑制瞬變電壓不超過某一允許值，可作為交流

6、側(cè)、直流側(cè)以及硅元件本身的過電壓保護(hù)。用于三相交流側(cè)的阻容保護(hù)通常采用接法以減小電容量，但耐壓要求高一些。對于勵磁系統(tǒng)換向過電壓的抑制方案，國內(nèi)外已有不少單位從理論上進(jìn)行了詳盡的分析，各種抑制方案都比較成熟，其中整流式的RC濾波方式得到了廣泛的應(yīng)用。我們分析了各種過電壓抑制方案的原理及優(yōu)劣，通過建立的勵磁系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行驗證。我們分析發(fā)現(xiàn)整流式的濾波方式存在一定的缺陷，盡管它也可以把過電壓的陡度與幅值降低到一定的范圍，但其濾波效果并不能令人滿意，而三角形電路中RC支路直接夸接在兩相之間，可以很好地抑制任意兩相間的電壓沖擊，抑制后的線電壓波形幾乎沒有尖峰，陡度已大大降低，因此其濾波效果明顯比整流

7、式好得多。抑制后的過電壓不會對系統(tǒng)構(gòu)成沖擊，從濾波效果的角度上講應(yīng)該是最好的。所以我們采用濾波效果很好的三角形濾波電路。2、勵磁陽極過壓保護(hù)裝置設(shè)計三峽機(jī)組采用三角形濾波電路抑制換向過電壓，經(jīng)試驗效果明顯。三峽左岸電站機(jī)組勵磁系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)為： ALSTOM VGS額定勵磁電壓 476 V 387 V額定勵磁電流 4158 A 3779 A空載勵磁電壓 269 V 217 V空載勵磁電流 2352 A 2120 A最大勵磁電壓 1556 V 1280 V最大勵磁電流 4780 A 4334 A勵磁變低壓側(cè)額定電壓 1243 V 1024 V三峽左岸電站安裝有14臺額定容量777.8MVA的水輪發(fā)

8、電機(jī)阻，采用自并勵勵磁方式，機(jī)端電壓20KV，勵磁變?nèi)萘?´2200KVA，二次側(cè)電壓：VGS機(jī)組：1024V；ABB機(jī)組：1243V。由于陽極電壓過高，陽極尖峰過電壓水平也很高，為抑制陽極尖峰過電壓，三峽電廠委托重慶大學(xué)高壓絕緣與電工新技術(shù)研究所進(jìn)行研究，同時測控分部對7號機(jī)勵磁陽極電壓波形進(jìn)行錄波。經(jīng)過一段時間的努力，重慶大學(xué)完成研究并編著三峽左岸電站發(fā)電機(jī)勵磁陽極過電壓仿真及其抑制措施研究驗收報告。經(jīng)重慶大學(xué)和三峽電廠多次仿真和試驗并確定阻容參數(shù)后，決定在發(fā)電機(jī)勵磁變二次側(cè)安裝一套阻容吸收裝置，即陽極過電壓保護(hù)裝置，用于吸收勵磁裝置陽極側(cè)的尖峰過電壓。在方案實施前，三峽電廠技術(shù)

9、人員結(jié)合實際情況，分析重慶大學(xué)的驗收報告，確定下列接線方式以及阻容保護(hù)參數(shù)，首先分析關(guān)于采用阻容式濾波引起諧振的問題，由于可控硅只有正向電流流過，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子電感與濾波電路中的電容無法進(jìn)行能量的相互傳遞，因此，不會造成諧振。另外，根據(jù)R、L、C諧振條件，結(jié)合現(xiàn)場的參數(shù)可知，即使存在諧振，也只是諧波分量中頻率極高的成分，其能量往往很低”。我們發(fā)現(xiàn)這個研究中沒有考慮勵磁裝置在陽極回路中的幾個變壓器，盡管這些變壓器的容量小，但是它們的存在促使我們選擇阻容參數(shù)更加謹(jǐn)慎，因為這些變壓器可能會加大換相后出現(xiàn)的振蕩，也有可能引起電氣諧振。綜合上述各項因數(shù)，對于三峽勵磁陽極阻容保護(hù)，我們選擇的參數(shù)如下：R=4

10、0/500W，C=4f/AC3000V，三角形接線，其接線原理圖如圖1所示。柜體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。過壓保護(hù)裝置元器件選擇：電阻 40/ 500W，大功率無感電阻電容 4uF / AC4000V，德國電容高壓電纜 AGG-4.0/5000V，高壓電纜，耐高溫180度保險芯 FWJ-35A/1000V，高壓小電流保險勵磁過壓保護(hù)裝置功率柜勵磁變圖1，勵磁過壓保護(hù)裝置及其接線方式前視圖 側(cè)視圖 頂蓋板圖 內(nèi)部立梁位置2230mm引線開孔（環(huán)氧板） 200mm百葉窗（前門，側(cè)板、頂蓋板）立梁立梁 1000mm 800mm 800mm圖2，勵磁過壓保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖3、勵磁陽極過壓保護(hù)裝置應(yīng)用測試在

11、實際應(yīng)用中，我們在6號機(jī)(ALSTOM機(jī)組)和7號機(jī)(VGS機(jī)組)上，分別比較了投陽極過電壓保護(hù)裝置和不投陽極過電壓保護(hù)裝置之間的區(qū)別，現(xiàn)整理如下：7F的陽極過電壓保護(hù)裝置試驗是在2006年1月19日做的試驗，試驗時先是未投陽極過電壓保護(hù)裝置，測量陽極電壓波形；然后再投上陽極過電壓保護(hù)裝置，測量陽極電壓波形。以下列出了三個波形，一個是未投陽極過電壓保護(hù)裝置時，測得的陽極電壓波形；另一個是投陽極過電壓保護(hù)裝置時，測得的陽極電壓波形；最后一個是兩者的直接比較。6F的陽極過電壓保護(hù)裝置試驗是在2006年1月9日做的試驗，試驗接線方式以及步驟與7F的陽極過電壓保護(hù)裝置試驗完全一致。另外，我們也對12F

12、的陽極過電壓保護(hù)裝置進(jìn)行了測試，有關(guān)波形圖如下。試驗時采用的測試接線方式如圖3所示。測試探頭電源插座勵磁變低壓側(cè)陽極電壓電 源AC 220V隔 離變壓器示波器分壓板206：1圖3，勵磁過壓保護(hù)裝置試驗測試接線方式（1） 7F未投陽極過電壓保護(hù)裝置時的陽極電壓波形圖（圖4）7.33V7.03V（圖4）從圖4中可看出，勵磁陽極峰值電壓是7.33×206=1509.98 V換算成電壓有效值是 1509.98÷1.414=1067.88 V而勵磁變低壓側(cè)額定電壓為 1024 V從數(shù)值上看有些誤差，這是由于標(biāo)尺的取法引起的，影響并不大。勵磁陽極尖峰過電壓是 7.03×206

13、=1448.18 V（2） 7F投上陽極過電壓保護(hù)裝置時的陽極電壓波形圖（圖5）7.33V5.47V （圖5）從圖5）中可看出，投上陽極過電壓保護(hù)裝置之后勵磁陽極尖峰過電壓是 5.47×206=1126.82 V也就是說，投上陽極過電壓保護(hù)裝置之后，勵磁陽極尖峰過電壓減小了1448.18 V - 1126.82 V = 321.36 V（3） 7F投與不投陽極過電壓保護(hù)裝置時的陽極電壓波形圖比較（圖6）（圖6）從圖6中可看出，勵磁陽極尖峰過電壓減小的值為：1.56×206= 321.36 V由以上分析可看出，陽極過電壓保護(hù)裝置對陽極尖峰過電壓的減小率為：321.36 V &

14、#247; 1448.18 V × 100% = 22.2 %（4） 6F未投陽極過電壓保護(hù)裝置時的陽極電壓波形圖（圖7）8.547.41（圖7）從圖7中可看出，勵磁陽極峰值電壓是8.54×206=1759.24 V換算成電壓有效值是 1759.24 V÷1.414=1244.15 V而勵磁變低壓側(cè)額定電壓為 1243 V從數(shù)值上看有些誤差，這是由于標(biāo)尺的取法引起的，影響并不大。勵磁陽極尖峰過電壓是 7.41×206=1526.46 V（5） 6F投上陽極過電壓保護(hù)裝置時的陽極電壓波形圖（圖8）（圖8）從圖8中可看出，投上陽極過電壓保護(hù)裝置之后勵磁陽極尖

15、峰過電壓是 5.31×206=1093.86 V也就是說，投上陽極過電壓保護(hù)裝置之后，勵磁陽極尖峰過電壓減小了1526.46 V - 1093.86 V = 432.6 V（6） 6F投與不投陽極過電壓保護(hù)裝置時的陽極電壓波形圖比較（圖9）（圖9）從圖9中可看出，勵磁陽極尖峰過電壓減小的值為：2.1×206= 432.6 V由以上分析可看出，陽極過電壓保護(hù)裝置對陽極尖峰過電壓的減小率為： 432.6 V ÷ 1526.46 V × 100% = 28.3 %（7） 12F投與不投陽極過電壓保護(hù)裝置時的陽極電壓波形圖比較（圖10）投RC后未投RC波形放大后

16、讀的差值更準(zhǔn)確些，即2.19*206=415V（圖10）從圖10中可看出，投阻容保護(hù)后，電壓上升過程明顯變平，即過電壓的電壓上升率變小。而過電壓的dv/dt變小，對變壓器和可控硅器件絕緣沖擊就小的多。 4、結(jié)論綜上所述，三峽電廠的陽極過壓保護(hù)裝置對勵磁變低壓側(cè)的尖峰電壓起到了很好的減小作用，其效果非常明顯，減小尖峰值300-400V，減小率達(dá)到了22%以上，更為重要的是，阻容保護(hù)明顯降低了過電壓的上升率，極大地減小了可控硅換向過電壓的危害。在運(yùn)行初期，曾因柜內(nèi)溫度過高（正常運(yùn)行時柜內(nèi)溫度接近90）而再次更改結(jié)構(gòu)設(shè)計，后對柜體內(nèi)的通風(fēng)條件進(jìn)行了有效的改造，現(xiàn)如今，在環(huán)境溫度18時，柜內(nèi)最高也只有30左右。三峽電廠勵磁陽極過壓保護(hù)裝置，抑制了因晶閘管換向產(chǎn)生的尖峰過電壓，避免了勵磁系統(tǒng)陽極過電壓對勵磁變壓器的絕緣損害，有效保證了勵磁系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。 參考文獻(xiàn)1 樊俊，陳忠，涂光瑜. 同