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)
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
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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
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。
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