拉西瓦励磁系统过电压及其保护配置
【摘 要】 励磁系统在正常运行中可能有多方面的原因引起励磁回路过电压，威胁着可控硅、二极管硅整流励磁装置及同步电机转子励磁绕组的安全工作，必须分别采取抑制过电压的相关措施。本文结合拉西瓦电厂UNITROL5000型励磁系统分析了励磁系统回路过电压产生原因、交流侧RC阻容吸收、直流侧跨接器保护过电压的配置及原理。
中国论文
【关键词】 励磁系统 过电压 阻容吸收 跨接器
1 引言
对于大型发电机自并励励磁系统来说，在运行中常因一些故障或其它的原因使励磁系统三相全控整流桥交流侧和直流侧（转子）出现过电压。励磁回路的元器件在高纹波波动电压和尖峰过电压长期作用下，寿命大大缩短，发电机转子和整流励磁装置在过电压的作用下有可能被击穿损坏，从而导致励磁系统可靠性下降。随着发电机励磁电压的不断提高和可控硅静止式励磁系统的广泛使用，同步发电机转子回路的过电压问题更加显得突出，为了保证整流励磁装置、励磁变、发电机转子等设备的安全，分析励磁系统过电压产生的原因，并采取相应的措施和保护方法，对发电机组和电力系统的安全运行具有重要的意义。
2 励磁回路过电压产生的原因
2.1 大气过电压
来自交流电入侵的大气过电压，其能量通常较大，通过电容耦合和电磁感应传输到变压器的整流桥侧;输电线路遭受雷击或静电感应过电压时，若主中过电压保护不完善，则可能通过励磁电源变压器引入至励磁系统回路。
2.2 操作过电压
来自交流电入侵的操作过电压，亦可通过电容耦合和电磁感应传输到变压器的整流桥侧;励磁电源变压器高压侧合闸的瞬间，由于高压绕组与低压绕组之间的分布电容与低压绕组对铁芯之间的分布电容及励磁系统对地的分布电容的耦合，也会产生过电压;当从高压侧断开空载变压器时，如果没有足够大的能容器件来吸收变压器的磁场能量，激磁电流及与其成比例的磁通量突然消失，将使变压器绕组感应很高的瞬变过电压;另外，当整流装置的负载被切除，或整流装置直流侧开关断开时，在交流电源回路的电感上，特别是整流变压器的漏抗上，将因电流突然中断而产生过电压。
2.3 直流侧转子过电压
来自整流桥阻塞负向磁场电流通路引起的正向过电压，以及磁场励磁电流突然中断引起的反向过电压。当发电机处于低励磁工况下，定子回路突然发生短路、非同期并列，滑极失步等大的扰动时，转子励磁绕组中将感生交流分量电流，若励磁绕组中电流瞬时值剧烈摆动，在某段时间内减小而过零力图变负时，由于整流桥阻塞负向电流通路，造成绕组磁链急变而感生正向过电压，即以反压的形式施加于整流桥的硅元件上。
2.4 换相过电压（或关断过电压）
处于导通状态下的硅元件，有积蓄载流子存在，当施加反向电压时，原积蓄载流子的电荷量Qr（通常称Qr为反向恢复电荷，快速元件的Qr很少，而大功率、高电压的硅元件的Qr可达数百微库，并随结温的升高而增加）从硅元件流出形成反向恢复电流iR。此恢复电流迅速截断时，在电路中流过此电流的会感应出高电压，即由于积蓄效应引起的过电压。
3 励磁系统交流侧过电压保护原理
随着技术的发展，我国励磁阳极（交流侧）过压保护先后选用过多种配置。通过工程实践，目前励磁阳极过电压保护比较常用的主要有两种：阳极电源回路装设压敏电阻和阳极电源回路装设阻容吸收器。
3.1 压敏电阻保护
在阳极回路装设压敏电阻，利用压敏电阻的非线性特性，吸收过电压尖峰。原理图如图1，R，C器件是可控硅本身的阻容保护，RD是保险，YM是压敏电阻，可以采用三角形接线，也可采用星形接线。
压敏电阻电压的选择，一般取阳极电压峰值的1.5至2.0倍，拉西瓦励磁阳极额定电压为814V，这样压敏电压应选为2100至2900伏，浪涌电流很大。为防止压敏电阻击穿短路，在回路中还串联快速保险RD。按照这种方式整定的过电压保护，刚好躲过可控硅换相过电压尖峰毛刺。可见压敏电阻过电压保护，无法吸收可控硅换相过电压，只能吸收阳极操作过电压和可控硅熔断器熔断所产生的过电压。如果降低压敏电压，则压敏电阻的能容无法满足要求。还有一点也至关重要，压敏电阻不能降低过电压尖峰毛刺的前沿陡度。
3.2 阻容吸收器保护
在励磁阳极侧装设阻容吸收器，利用电容稳压和充电特性，吸收励磁阳极过电压尖峰毛刺达到保护目的。阻容吸收器有两种类型，一种是普通型阻容保护，另一种是整流型（也称阻断式）阻容保护。
3.2.1 普通型阻容保护
在图2中由三组R1C1组成普通型阻容保护，不仅能有效吸收阳极过电压尖峰毛刺，而且还能降低这些过电压尖峰毛刺的前沿陡度。阻容保护接线方式，依据电容电压水平来选择三角形接线或星形接线。由于普通型阻容保护只能限制阳极电源的差模过电压，即线路与线路之间的过电压毛刺，因此可采用三个C2电容组成星形接线过电压吸收器，可以抑制阳极回路的共模过电压，即线路对大地的过电压。
普通型阻容保护器件少，电阻发热量小，过电压吸收效果好，还能降低过电压尖峰陡度。但RC参数受交流侧电感（如励磁变、自用变，以及定子和发电机出口回路）影响，计算复杂。一旦出现故障，分析难度较大。
3.2.2 整流型阻容保护
拉西瓦电站励磁系统采用整流型阻容吸收器过电压保护，接线原理见图3，阻容保护结构图见图4，它是在三相全控桥阳极输入侧并联一个三相全波二极管整流桥电路，其输出接电阻R3和电容C3负载，当阳极电源产生过电压尖峰，经整流二极管被电容抑制，过电压之后电容上的电荷能量经电阻进行释放，等待下一个过电压尖峰的来临。
3.2.3 拉西瓦电站阻容保护的优点
拉西瓦电站整流型RC阻容吸收器过电压保护接线简单，损耗小，既可吸收整流桥交流侧过电压，也可吸收可控硅整流桥换相尖峰过电压，可限制可控硅两端的电压上升率，有效防止误导通。对于阳极过电压而言，电容起到低阻滤波作用，电阻起到放电作用，同时，反向二极管还能有效阻断与交流侧电感的电气谐振危害。 4 直流侧过电压保护
拉西瓦励磁系统直流侧（转子）过电压保护：由跨接器，非线性电阻（FDR），跨接器过流保护等组成。
4.1 跨接器原理
励磁系统跨接器就是转子过电压保护装置，其基本电路及其原理是：一组正反向并联的可控硅串联一个放电电阻（非线性电阻）后再并联在励磁绕组两段，当可控硅的触发器电路检测到转子过电压后，立即发出触发脉冲使可控硅导通，利用放电电阻吸收过电压能量。拉西瓦励磁系统跨接器控制回路图见图5。
跨接器组成：（1）V1：承受正向过电压;（2）两个反并联的V2、V3： 承受反向过电压;（3）触发板（产生触发脉冲的电路板）：UNS 0017，触发板中最主要的设备是：转折二极管（BOD：break over diode）。
4.2 非线性电阻
非线性电阻一般有两种：碳化硅电阻和氧化锌电阻。
拉西瓦电站励磁系统采用六并两串的碳化硅电阻作为非线性电阻，用于吸收转子正向过电压和反向过电压的能量。按发电机空载失控误强励这种最严重的极限工况来计算，拉西瓦电站励磁系统非线性电阻具有1.2倍安全裕量，在极端情况下也能保护碳化硅电阻和励磁系统的安全。
4.3 过电压时的工作原理
（1）正向过电压。发电机端出现故障，如短路、错误的同步或异步运行，转子绕组都会感应出很高的交流电势。采用整流式励磁装置时，因为整流器不能反向导通，发电机的转子回路将会产生很高的过电压。又因为发电机转子绕组的电感量很大，在转子电流大幅度变化或突然中断时，转子绕组也能产生自感过电压。过电压，对发电机转子绝缘、励磁装置的性能非常不利，必须限制到足够安全的水平，而且应低于整流器可控硅的峰值反向电压。
跨接器动作电压值：过电压保护动作值的选择原则如下：在任何情况下应高于最大整流电压的峰值;应保证励磁绕组两端过电压的瞬时值不超过出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的70%。整流电压的峰值就是阳极电压的峰值，其最大值要考虑允许过电压的倍数，比如1.5倍数;励磁电压的瞬时值是整流电压峰值与cos a角的乘积值;拉西瓦励磁系统跨接器动作电压整定为3000V。
当转子出现正向大于3000V过电压时， 转折二极管导通，触发板发出触发脉冲，V1被触发导通，跨接器动作，将非线性电阻并入转子两端，从而起到消能降压的作用。
（2）反向过电压。拉西瓦电站励磁系统在正常停机时采用改变导通角大小实现逆变灭磁。在电气事故时将通过跳灭磁开关实现快速移能灭磁，但由于转子是一个储能的大电感，在跳开灭磁开关后转子当于直流恒流源，它产生一个反电动势作用在转子回路中，触发板发出触发脉冲，与之相连的可控硅V2、V3被触发，立即将灭磁电阻（SiC）串联到转子回路中。同时，流过跨接器的电流增大，达到动作值，跨接器过流保护动作，发灭磁开关跳闸令使灭磁开关断开，转子过压能量消耗在非线性电阻上。
4.4 拉西瓦电站励磁系统跨接器保护的优点
（1）正反向过压保护采用可控硅跨接器，整定方法简单，无须维护。（2）采用独特的熄灭线技术，转子出现瞬间过电压动作时，可由用户选择停机或不停机处理方式。（3）跨接器动作后能可靠返回。
5 结束语
拉西瓦电站是*河上游单机容量、总装机容量最大的电站，首批两台机组自2009年5月发电至今，运行情况良好，其UNITROL 5000型励磁系统所采用的过电压保护配置能有效的防止各种过电压，提高了励磁系统及机组运行安全性、稳定性和可靠性。
参考文献
[1]章俊，胡先洪，陈小明.励磁阳极过压保护装置及其在三峡电厂的应用[J].水电站机电技术，2007年06期.
[2]李自淳.发电机转子回路过电压保护国内外方案比较[J].中国电力，1994（12）.
[3]UNITROL 5000 Excitation System.
作者简介：杨临辉（1985―），女，汉族，甘肃临洮人，本科，工程师，长期从事水电站机电安装调试工作。