佟林暉，李國(guó)良

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

1 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓的來(lái)源

1.1 可控硅整流橋產(chǎn)生的換相過(guò)電壓

可控硅三相全波整流橋的原理如圖 1所示，其整流輸出的直流電壓Uf波形如圖2所示（電源頻率50Hz）。圖1中勵(lì)磁變壓器LB次級(jí)相電勢(shì)分別為ua、ub、uc，LB的漏感以及線路電感折合到次級(jí)繞組用集中電感Lb表示。正常運(yùn)行時(shí)K1～K6六個(gè)元件輪流導(dǎo)通。

圖1 可控硅全控橋整流原理圖

圖2 勵(lì)磁電壓波形圖

圖3 K1、K2硅管電流波形圖

圖4 GRC保護(hù)原理圖

1.2 定子側(cè)或轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)通斷產(chǎn)生的操作過(guò)電壓

定子出口開關(guān)非同期并網(wǎng)或突然甩負(fù)荷跳閘，使定子電流發(fā)生階躍突變，發(fā)電機(jī)氣隙及鐵心中磁通急劇變化，在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組LQ中感應(yīng)出過(guò)電壓。

轉(zhuǎn)子側(cè)的滅磁開關(guān)跳閘滅磁，使勵(lì)磁電流快速下降，也會(huì)在勵(lì)磁繞組LQ的電感及勵(lì)磁變LB漏感中感應(yīng)出較高的過(guò)電壓。

1.3 定子出線短路或雷擊等產(chǎn)生故障過(guò)電壓

定子出線短路、接地，或遭雷擊等事故時(shí)，定子側(cè)產(chǎn)生故障過(guò)電壓。這些過(guò)電壓會(huì)經(jīng)過(guò)定子繞組和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組LQ間的耦合感應(yīng)到轉(zhuǎn)子回路。

1.4 發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生滑差過(guò)電壓

同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中失磁，轉(zhuǎn)子會(huì)在高于同步轉(zhuǎn)速下異步運(yùn)轉(zhuǎn)，靠阻尼繞組的作用變成異步發(fā)電機(jī)。在有功負(fù)荷突然變化時(shí)，功率角發(fā)生突然變化或發(fā)生失步振蕩的過(guò)程中，也有暫時(shí)的異步運(yùn)行。這時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組 LQ的導(dǎo)體與定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，此過(guò)電壓是一個(gè)正弦波，其幅值

式中：f2——異步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子滑差感應(yīng)電壓的電頻率，一般小于20Hz；

w——LQ的串聯(lián)匝數(shù)；

Ф——定子電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的主磁通；kw——LQ的繞組系數(shù)。

由于LQ的匝數(shù)w較多，Ehm較大，據(jù)有關(guān)資料[1]分析，在水輪發(fā)電機(jī)可達(dá)幾萬(wàn)伏。

1.5 定子三相負(fù)載不對(duì)稱（或非全相）運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生不對(duì)稱過(guò)電壓

發(fā)電機(jī)定子三相負(fù)載不對(duì)稱或一相斷路（非全相）運(yùn)行時(shí)，定子三相電流不對(duì)稱。這組不對(duì)稱的三相電流，可以分解成三組對(duì)稱的三相電流：“正序分量”、“負(fù)序分量”和“零序分量”。這三組對(duì)稱的電流流過(guò)發(fā)電機(jī)定子繞組，分別產(chǎn)生空間相隔 120o電角度的磁場(chǎng)。由矢量分析可知，零序電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)為零。正序及負(fù)序電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)分別在空間作正向和反向的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生正序和負(fù)序磁通。轉(zhuǎn)子繞組LQ是以正向同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，它與正序磁通相對(duì)靜止、與負(fù)序磁通以兩倍同步轉(zhuǎn)速相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該過(guò)電壓的幅值可用式（1）計(jì)算，式中的f2=100Hz，Φ為定子不對(duì)稱電流產(chǎn)生的負(fù)序磁通。

2 轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)

對(duì)上述 5種過(guò)電壓可采取不同的保護(hù)措施進(jìn)行有針對(duì)性的保護(hù)。

2.1 阻容吸收保護(hù)

第一種換相過(guò)電壓，頻率高達(dá)300Hz，而且是長(zhǎng)期連續(xù)的，可采用GRC型阻容吸收過(guò)壓保護(hù)器，用于吸收可控硅的換相過(guò)電壓。這種保護(hù)方式可將換相過(guò)電壓限制到陽(yáng)極電壓峰值的1.5倍以下。

根據(jù)上述1.1條關(guān)于換相過(guò)電壓的分析，其產(chǎn)生的原因在勵(lì)磁變的漏感及線路電感，所以把GRC放在整流橋的交流側(cè)效果比較好，如圖 4所示。因換相過(guò)電壓的產(chǎn)生只決定于并聯(lián)橋臂中最后截止的那只可控硅，與并聯(lián)橋臂的多少無(wú)關(guān)。在可控硅換相t3～t4階段，LB次級(jí)繞組任意二相電流突變產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，都可以經(jīng)過(guò)二極管D1～D6對(duì)電容C充電，從而得到緩沖，降低di/dt，限制了過(guò)電壓。t4時(shí)刻后，C上的電荷向電阻R釋放，等待下一個(gè)周期再次吸收。

2.2 壓敏電阻保護(hù)

上述第 2～5四種過(guò)電壓，都不是長(zhǎng)期連續(xù)而是偶然發(fā)生的，適合用ZnO壓敏電阻來(lái)保護(hù)。ZnO有優(yōu)良的非線性伏安特性（見圖 5），一方面在大電流沖擊下殘壓不高，保護(hù)特性好；另外當(dāng)過(guò)電壓消失后，ZnO的續(xù)流迅速大幅度下降到mA級(jí)，可使過(guò)電壓保護(hù)跨接器中的可控硅管自行關(guān)斷。

圖5 三種電阻的伏安特性

圖6 異步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組等值電路

2.3 過(guò)電壓保護(hù)的吸能容量

上述第 1～3種過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間都在毫秒級(jí)，能量不大。第4～5種持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，能量較大。

發(fā)生滑差過(guò)電壓時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)幅值Ehm如式(1)所示，由于Φ及w均較大，如LQ外電路開路（如可控硅整流橋反向不通，也相當(dāng)于開路），則LQ的端電壓就等于Ehm，將擊穿絕緣或可控硅。如在LQ兩端跨接 ZnO電阻，則其電壓被限制，勵(lì)磁繞組的等值電路如圖6所示。圖中Eh為滑差感應(yīng)電勢(shì)，有效值Eh= 4.44f2wΦKw，Rf是LQ的內(nèi)電阻，Lfσ是LQ的漏電感，Rv是外接的ZnO壓敏電阻的等效靜態(tài)電阻值(隨電流大小而變，電流大時(shí)阻值小)。則回路電流有效值

式中：Xfσ=2πf2Lfσ，是 LQ 的漏電抗。

分子、分母中轉(zhuǎn)子滑差電頻率f2消掉，w、Kw及Lfσ均是發(fā)電機(jī)的固有參數(shù)，Φ取決于定子并網(wǎng)的電壓及電機(jī)參數(shù)等，基本為固定值，最后得出Ih近似為恒值，與滑差頻率無(wú)關(guān)。即異步運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組LQ可近似視作一個(gè)恒流源（如f2＜5，由于Eh及Xfσ均減小，電阻相對(duì)變大不可忽略，故Ih減小，更趨安全）。

式中：u——ZnO兩端電壓瞬時(shí)值，V；

I——ZnO內(nèi)流通的電流瞬時(shí)值，A；t——時(shí)間，s；

T——異步運(yùn)行工況持續(xù)時(shí)間，s。

式(2)中由 ZnO選擇的殘壓決定，一般為1～3kV；

由發(fā)電機(jī)參數(shù)決定，一般為幾千安，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可取=（0.7～0.8）IfN；

T取決于發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間[3]，一般為125ms；

由此可算出W的大小。一般發(fā)電機(jī)的滅磁能容量遠(yuǎn)大于滑差過(guò)電壓的能量。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子快速滅磁兼過(guò)電壓保護(hù)裝置中，滅磁及過(guò)電壓保護(hù)所用的吸能限壓ZnO元件是公用的，所以只要滅磁能容量滿足了，過(guò)電壓保護(hù)自然能滿足，不必再作仔細(xì)的計(jì)算。

不對(duì)稱過(guò)電壓能量的理論計(jì)算方法與上述方法相似。由于 Ih的值基本與滑差頻率無(wú)關(guān)，不對(duì)稱運(yùn)行的負(fù)序磁通Φ-比異步運(yùn)行時(shí)的正序磁通小，也就是不對(duì)稱過(guò)電壓的電流小于滑差過(guò)電壓；而不對(duì)稱工況的持續(xù)時(shí)間則取決于繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的該過(guò)電壓保護(hù)的吸能容量小于滑差過(guò)電壓，同樣不會(huì)超過(guò)滅磁裝置的吸能容量。如果過(guò)電壓保護(hù)的吸能限壓ZnO元件是與滅磁兼用的，則只要滅磁能容量滿足了，過(guò)電壓能量也就滿足。

上述分析是對(duì)水輪發(fā)電機(jī)而言。汽輪發(fā)電機(jī)由于其轉(zhuǎn)子整體鍛造的鐵心中可產(chǎn)生的渦流阻尼作用，削弱了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的感應(yīng)電勢(shì)，其滑差過(guò)電壓及不對(duì)稱過(guò)電壓幅值不高[4]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)該幅值 Uhm＜（3.5～4）UfN（額定勵(lì)磁電壓），對(duì)轉(zhuǎn)子絕緣及勵(lì)磁回路元件不造成危害，所以汽輪發(fā)電機(jī)允許較長(zhǎng)時(shí)間（可達(dá)15min）的異步運(yùn)行而不跳閘[4]。

綜上所述，發(fā)電企業(yè)可根據(jù)自己電廠的實(shí)際情況采用不同的保護(hù)方式組合或保護(hù)定值以達(dá)到保護(hù)轉(zhuǎn)子的目的。

[1]李基成. 現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)[M]. 水利電力出版社, 1987.

[2]李自淳. 淮南化肥廠630kW同步電動(dòng)機(jī)用壓敏電阻啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告[R]. 合肥：中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所, 1988.

[3]王維儉. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基本原理[M]. 清華大學(xué)出版社, 1991.

[4]史家燕. 國(guó)產(chǎn)TQN-100-2型汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行試驗(yàn)報(bào)告[R]. 合肥：中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所, 1982.