某大型水轮发电机励磁系统的灭磁及过电压保护原理Microsoft Word 文档

某电厂机组励磁系统过电压保护及灭磁

摘要：文章详细介绍了某水电厂机组励磁系统过电压保护及灭磁装置的构成及其工作原理，总结了励磁系统过电压保护及灭磁装置的运行效果。

关键词：水力发电机组；励磁系统；灭磁；过电压；保护

1 某水电厂励磁（转子）过电压保护及灭磁方案

某电厂励磁系统为南瑞电控公司生产的机端自并励、三相全控桥式整流系统，励磁调节器为该公司的SAVR-2000型双微机励磁调节器。灭磁方式采用灭磁开关灭磁、压敏电阻灭磁、逆变灭磁等方式，机组正常停机时由调节器控制三相全控桥式整流电路逆变灭磁，在事故停机时由压敏电阻和灭磁开关（移能型）联合灭磁。过电压保护采用直流侧的压敏电阻和交流侧的阻容吸收过电压保护装置，其原理图如电路图1所示。

图1：棉花滩水电厂励磁（转子）过电压保护及灭磁原理图

1.1阻容吸收保护原理

根据可控硅三相全控整流桥的工作原理，在可控硅换相过程中，由于在换相的两相之间存在瞬间短路电流，这一瞬间短路电流将不可避免地在交流回路的电感上产生换相过电压，因此，在三相全控整流桥的交流侧设计阻容吸收保护回路，其原理如图2。

在可控硅换相过程中，任意二相电流突变而在LB次级绕组产生的过电压，都可以经过二极管D1~D6对电容C3充电，从而得到缓冲，限制了过电压。而换相后，C3上的电荷经过R3释放掉，等待下一个周期再次吸收。

图2：阻容吸收保护原理图

二极管D1~D6的作用：①防止C上的电荷向励磁回路释放，避免叠加可控硅换相时的瞬间短路电流，损坏可控硅管；②避免电容C

和回路电感产生振荡；③使三相共用一组体积大、价格高的高压电容C3，节省资金。

C1和R1回路及C2和R2回路的作用：使C1C2 C3形成串联回路对转子回路进行滤波。

GRC回路各设备参数如表1

表1：GRC回路设备参数

励磁绕组在实际运行中还有可能遭受以下过电压：

①定子出口开关非同期并网，或突然甩负荷跳闸，使定子电流发生阶跃突变，使发电机气隙及铁心中磁通急剧变化，进而在交链的转子励磁绕组中感应出过电压；

②定子出线短路、接地，或遭雷击等事故时，定子侧产生各种故障过电压，这些过电压会经过定子绕与转子绕组的耦合、励磁变初级与次级绕组的耦合，感应到转子回路里。

③发电机异步运行时，电子电流产生的旋转磁场与转子绕组有相对运动，导体切割磁力线产生过电压，据有关资料介绍，这种过电压是一正弦波，对于水轮发电机可达几万伏。

④发电机三相负载不对称时，定子三相电流不对称二引起的过电压。

对于以上四种过电压，只是偶然发生的，因此用ZnO压敏电阻来保护最适合，因为压敏电阻有优良的非线性伏安特性，它在大电流冲击下残压不高，保护特性好，在过电压消失后，ZnO压敏电阻的续流迅速大幅度下降到mA级，可使过电压保护跨接器中可控硅自行关断。如图1所示，在直流侧设置了三套ZnO压敏电阻，其中GB01、GB02是受触发器控制的ZnO压敏电阻过电压保护回路；GB03是快速灭磁的吸能元件，配合DM4-4移能型灭磁开关，达到快速移能灭磁功效，同时兼作吸收运行转子中转子回路的反向过电压。

图3：ZnO压敏电阻过电压保护回路原理图

图3是受触发器控制的ZnO压敏电阻过电压保护回路原理图，如图所示，正常运行时1SCR （2SCR）不通，正向励磁电压被SCR阻隔，反方向虽然有二极管D导通，但励磁电压反方向电压峰值很低，所以ZnO压敏电阻FR承受电压不高，荷电率和低，可保证其长期工作寿命，不易老化。正向过电压袭来时，通过分压电阻R1（R2）使触发器CF动作，输出触发脉冲使SCR 触发导通，FR的续流即下降到mA级，小于SCR 的维持电流，SCR自行截止，ZnO压敏电阻回路复归关断。反向过电压由二极管D导通限压，同样自动恢复截止。正向过压保护动作电压值可以通过改变R1的阻值来调整。设计时，将灭磁开关两侧的正向过压保护动作电压设置成一样，在灭磁开关合闸时提高了回路的快速保护性。灭磁开关跳闸后，直流侧的GB02回路通过D导通，帮助吸收转子绕组的磁能。

1.3灭磁原理

在机组正常停机过程中，灭磁开关不会跳闸，三相全控整流桥在励磁调节器的控制下进入逆变工作状态，转子回路的剩余磁场经过三相全控整流桥返回到交流侧而消耗掉。事故停机时，灭磁开关会跳闸，当灭磁开关断开时，转子中大量的剩余磁场需要在短时间内消除，为此，除了采用带灭弧罩的灭磁开关外，系统还设计了灭磁电阻来灭磁。如图4所示，当灭磁开关DM4-D跳闸后，转子内磁场经3D导通后在一组电阻3R1~3Rn及一组非线性电阻3FR1~3FRn上消耗掉，同时，过电压保护回路GB02的FR也在2D导通下投入，达到快速灭磁的效果。

图4：灭磁电阻原理图

2结束语

某水电厂励磁系统自2001年投产以来至今，机组运行可靠、稳定，达到了“无人值班，少人值守”的目标。这充分显示了该过电压保护装置的可靠性，使其成为同类机组设计、技改的范例。