勵磁變壓器的過電壓保護(最終稿)

1、勵磁變壓器的過電壓保護李自淳 夏維珞 符仲恩（科大創(chuàng)新公司科聚分公司，安徽 合肥 230088）摘 要 本文分析了勵磁變壓器絕緣擊穿的原因，探討了過電壓保護的方法，介紹阻容吸收器和三相限壓器互補組合的一種有效過電壓保護措施。關鍵詞 變壓器；過電壓；保護1 前言隨著同步發(fā)電機自并勵靜止整流勵磁方式的不斷推廣，勵磁變壓器的用量逐漸增多。隨之勵磁變絕緣擊穿的事故也有所上升，特別是進口勵磁變，由于其設計裕量較小，而且大都是三相同體，更容易發(fā)生擊穿。勵磁變壓器的運行工況與普通變壓器有何不同？為什么它的絕緣容易擊穿？用什么方法可以有效地保護它不被過電壓擊穿？這些就是本文所要探討的問題。2 勵磁變壓器運行中

2、過電壓的來源2.1 可控硅整流橋產(chǎn)生的換相過電壓勵磁變壓器的運行工況與普通變壓器有一個很大的不同，就是在運行中其次級連續(xù)地、頻繁地發(fā)生瞬間短路和開路，造成其輸出電流頻繁地高低起伏，產(chǎn)生極大的di/dt，由于繞組具有一定漏電感，所以在繞組內(nèi)感應出連續(xù)、頻繁的過電壓。圖1為葛洲壩二江電廠7#水發(fā)機（125MW）勵磁并聯(lián)變二次a、b兩相間線電壓uab錄波圖。從圖中可看出，在正常的正弦波電壓上疊加了一連串的過電壓尖峰，特別是在tc和tf時刻，正反向過電壓峰值達到了正弦波峰值的2.3倍以上（最大值超出圖框不可知）。如此高的過電壓，重復頻率為100Hz，連續(xù)不斷地作用在勵磁變的繞組上，必將使絕緣疲勞老化，

3、最后導致?lián)舸?。要探討這過電壓的來源，就得從勵磁變的負載可控硅整流橋和發(fā)電機勵磁繞組來分析?？煽毓枞嗳卣鳂騽畲诺脑砣鐖D2所示，其整流輸出的直流電壓uf波形如圖3所示（電源頻率50Hz）。圖2中勵磁變壓器LB次級相電勢分別為ua、ub、uc，LB的漏感以及線路電感折合到次級繞組用集中電感Lb表示。正常運行時K1K6六只管子輪流導通。假定在t1時刻前，K1和K6導通；在t1時刻K2管子收到觸發(fā)脈沖，此時圖2 可控硅全控橋整流原理圖 圖3 勵磁電壓波形圖圖1 葛洲壩二江電廠7#機勵磁變二次線電壓uab錄波圖(未裝GRC)Y軸：電壓500V/格 X軸：時間2ms/格交流陽極電壓（相電壓）ubua

4、，故K2管承受正向電壓，K1管承受反向電壓，換流趨勢是K2管導通，K1管截止。但是由于K1管在導通期間晶體內(nèi)積存了大量的少數(shù)載流子（電子和空穴），不能立即恢復截止，這樣在短時間內(nèi)K1和K2同時導通。此時a、b兩相間產(chǎn)生瞬時的短路，uab0，短路電流id 增長速度did/dt =（ub-ua）/2Lb。短路期間整流輸出電壓的瞬時值uf = (uac+ubc) / 2，為a、b兩相對c相線電壓的平均值（考慮勵磁變LB次級a、b兩相的短路阻抗壓降相同）。K1、K2兩硅管電流的波形見圖4。t1時刻前K1管電流iK1等于勵磁電流If，K2管電流iK2為零；t1時刻K2管觸發(fā)導通，其電流iK2上升，同時i

5、K1下降，開始換流過程。由于發(fā)電機勵磁繞組LQ大電感的影響，勵磁電流If可視作恒值。根據(jù)柯?；舴蚬?jié)點定律， iK1 + iK2 = If = 恒值。換流的快慢即iK1及iK2的變化率（同時也是短路電流id的增長率）diK/dt = (ub-ua)/2Lb。到t2時刻iK1降到零，iK2=If，似乎換流可以結(jié)束了。但此時K1內(nèi)還積存有大量的少數(shù)載流子，不能恢復截止，故短路電流id繼續(xù)增長，iK1變?yōu)樨撝?，ik2 If。到t3時刻K1反向電流達到最大值，積存的少數(shù)載流子迅速復合完畢，立即恢復截止，故K1反向電流立即回零，K2的正向電流也產(chǎn)生一個“猛跌”回到If（據(jù)實驗觀察，t3t4僅幾個µ

6、;s）。硅管電流ik1和ik2同時也是電感Lb內(nèi)的電流，由于t3t4此電流變化率極大，故在電感Lb中感應出極高的換相過電壓Du=-Lb。據(jù)了解，如不采取適當措施，Du可達到整流變二次電壓正弦波峰值的13倍。可以看出t1 t4就是LB二次輸出短路的過程，也即圖1中tc0tc的過程，稱為“重疊區(qū)”。圖1中，tc0tc及tf0tf為ab相的輸出短路，uab降到幾乎為零；ta及td前為ac相的輸出短路，tb及te前為bc相的輸出短路，此時uab也均下降，但不為零，過電壓也不太高（此時換相過電壓發(fā)生在ac相或bc相之間），詳細可參閱“電力電子技術”的有關書籍1。2.2 其它過電壓除了上述勵磁整流變壓器特

7、有的換相過電壓外，其它普通變壓器可能出現(xiàn)的過電壓，如開關投切的操作過電壓、從高壓電網(wǎng)竄入的大氣過電壓、高壓出線短路、接地等的故障過電壓等等，也都能作用到勵磁變壓器上。圖4 K1、K2硅管電流波形圖 圖5 GRC保護原理圖 3勵磁變壓器的過電壓保護3.1 概述目前國際公認的最先進的過電壓保護器件是氧化鋅壓敏電阻（或稱非線性電阻ZnO）組成的無間隙避雷器。但在勵磁變的過電壓保護上存在以下實際問題：3.1.1 電力部行業(yè)標準DL/T 583-1995大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術條件中4.5.2 b）規(guī)定：“非線性電阻負荷率不大于60%”；3.0.18規(guī)定：“非線性電阻負荷率，指在額定工

8、況下，非線性電阻承受電壓的峰值與壓敏電壓（又稱動作電壓）之比”?？梢奪nO在額定工況下是不導通動作的，不能長期、連續(xù)、頻繁地動作，否則會引起ZnO快速老化擊穿短路。對上述100Hz的頻繁連續(xù)的換相過電壓不能用ZnO來吸收。3.1.2 對其它過電壓，是偶發(fā)的、短暫的，很適合用ZnO來保護。但按國標GB11032交流無間隙金屬氧化物避雷器生產(chǎn)的普通避雷器（MOA）仍不能直接用來保護勵磁變。因為：a) MOA均跨接在相與地之間，對相間過電壓要經(jīng)過兩只MOA串聯(lián)限壓，殘壓為相-地的兩倍，超出了絕緣的耐受程度，不能有效地保護相間絕緣；b) 國標所列的參數(shù)均是針對電力系統(tǒng)額定電壓的，而勵磁變二次電壓隨發(fā)電

9、機參數(shù)而變，套不上標準，買不到合適的定型產(chǎn)品。針對以上問題，我公司開發(fā)了專用的產(chǎn)品GRC系列阻容吸收器和SXY系列三相限壓器，下面分別介紹。3.2 GRC系列阻容吸收器2對于上述100Hz的頻繁、連續(xù)的換相過電壓，可用阻容吸收器來限制。因為阻容沒有“負荷率”和老化的問題，只要電阻的散熱功率足夠，就可以連續(xù)吸收過電壓。其原理電路見圖5。勵磁變LB二次繞組任意兩相電流突變產(chǎn)生過電壓時，都可以經(jīng)過二極管D1D6對電容C充電，從而得到緩沖，降低di/dt，減小了過電壓。過電壓消失后，C上的電荷向電阻R釋放，等待下一個周期再次吸收。二極管D1D6的作用一是可使三相共用一組R、C，節(jié)省體積大、價格高的高壓

10、電容；二是防止C上的電荷向勵磁回路釋放，避免在可控硅換相重疊瞬間兩相短路時，C突然放電產(chǎn)生極大的di/dt，損壞可控硅管；三是可以避免電容C和回路電感產(chǎn)生振蕩。本方案的原理電路并不新鮮，一般教科書1中早有介紹，但其阻容參數(shù)的選擇卻有一番研究。教科書中選擇C容量的出發(fā)點是吸收整流變空載拉閘時漏感的磁能，但實際上機端自并勵系統(tǒng)的勵磁整流變不可能有這種工況，所以這種容量計算在這里就無實際意義。這里要吸收的是可控硅換相時反向恢復電流在勵磁變漏感及引線電感中產(chǎn)生的磁能，如本文2.1所分析的。詳細的分析計算比較繁雜，限于篇幅不擬在這里探討。我們經(jīng)過仔細的理論分析和大量的實際驗證，掌握了根據(jù)限壓要求及電路參

11、數(shù)計算C的容量、R的阻值及功率WR的方法，可以較準確地配置RC參數(shù)以達到理想的換相過電壓吸收效果，并保證GRC安全可靠地長期運行。如葛洲壩二江電廠共有125MW及170MW的水發(fā)機12臺，由于有串聯(lián)勵磁變串接在并聯(lián)勵磁變的二次側(cè)，加大了圖2中的折合電感Lb，使換相過電壓特別高（見圖1）。經(jīng)我們多次反復計算及試驗，在勵磁變二次側(cè)加裝了合適的GRC，使換相過電壓大幅度下降。圖6是7#機加裝GRC后勵磁變二次側(cè)a、b兩相間線電壓uab的錄波圖，圖ta、tb、tctf各瞬間均與圖1對應。可以看出最高的換相過電壓尖峰（tc及tf時刻）從正弦波峰值的2.3倍以上降到1.42倍，差不多降低了一半；電阻表面溫

12、升低于120ºK，電廠感到滿意，決定給所有機組均裝設GRC。圖6 與圖1相同情況的錄波圖（加裝GRC）又如廣西浮石水電廠，勵磁變二次線電壓為470V.AC，運行后發(fā)現(xiàn)換相過電壓尖峰高達1800V，致使整流柜續(xù)流二極管多次燒毀造成停機。后來加裝我們專門設計的GRC，換相過電壓尖峰降到690V，電阻表面溫升低于100ºK，電廠非常滿意。經(jīng)過多年來100余臺發(fā)電機使用GRC的結(jié)果證明，經(jīng)專門設計的本保護器可將換相過電壓尖峰限制到勵磁變二次線電壓正弦波峰值的1.5倍以下，有效地保護了勵磁變的安全。3.3 SXY系列三相限壓器3上述的GRC阻容吸收器能吸收連續(xù)而頻繁的換相過電壓，但其

13、一次性吸收的能容量有限。而且隨著吸收能量的增加,電容器C兩端電壓會不斷升高,沒有限壓的功能。對于偶然出現(xiàn)的較大能量沖擊的過電壓，就起不到有效的保護作用。在這種情況下，ZnO就顯示出它的突出優(yōu)點，它具有優(yōu)越的非線性伏安特性（見圖7），其限壓性能好，動作時間短（50ns），通流吸能容量大（300J/cm3），壽命長，體積小，維護簡便，性能穩(wěn)定，是目前國際公認的最先進的過電壓保護元件。我們利用它制成四星形聯(lián)接的SXY系列“三相限壓器”(見圖8)。分別跨接在勵磁變的一次側(cè)及二次側(cè)，可以有效地限制勵磁變相間及相地過電壓的幅值，保證在大能量過電壓的沖擊下，勵磁變相間絕緣和相地絕緣的安全！ 圖7 ZnO閥片

14、的伏安特性圖 圖8 三相限壓器（SXY）保護原理圖 我們自己生產(chǎn)的ZnO閥片性能占國內(nèi)領先，容許荷電率高，殘壓比低，漏電流小，能容量大。我們可以根據(jù)不同勵磁變的參數(shù)（容量、一二次額定電壓、阻抗壓降等），設計非標的適用的三相限壓器，來滿足不同勵磁變的保護需要。4 總結(jié)GRC阻容吸收器和SXY三相限壓器都可用作勵磁變的過電壓保護，二者各有千秋。GRC可以吸收頻繁、連續(xù)的換相過電壓，但不能限壓，一次性吸能容量不大；SXY則反之。所以把兩者并聯(lián)組合使用，起到互補作用，可形成有效的保護。GRC吸收頻繁連續(xù)的換相過電壓，可降低額定工況下SXY非線性電阻承受電壓的峰值，有利于降低SXY中ZnO的荷電率，也便于SXY采用較低殘壓的ZnO，