董合慧

(浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司,浙江 溫州 325000)

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)裝置是發(fā)電機(jī)組內(nèi)部故障的最后保護(hù)裝置。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)變組單元接線方式的主變壓器或勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生故障,如勵(lì)磁變壓器故障、發(fā)電機(jī)滑環(huán)短路、勵(lì)磁主回路短路及元件故障、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器誤強(qiáng)勵(lì)故障等,滅磁開關(guān)應(yīng)迅速跳開,以達(dá)到滅磁的目的。

珊溪電站為引水式地面廠房,裝設(shè)有4臺50 MW的水輪發(fā)電機(jī)組、2臺220 kV升壓變壓器。電站的電能經(jīng)220 kV和110 kV輸電線路送入系統(tǒng),主要供電范圍為溫州市區(qū),電站在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)相、事故備用等任務(wù)。珊溪電站勵(lì)磁系統(tǒng)中的滅磁裝置是選用20世紀(jì)90年代產(chǎn)品,該裝置中僅有氧化鋅非線性滅磁電阻已達(dá)使用年限,在實(shí)際運(yùn)行中存在著一定的問題,如:2006年,珊溪電站因勵(lì)磁裝置故障發(fā)生失磁、大滑差異步運(yùn)行,造成滅磁氧化鋅電阻部分損傷的事故。目前電站勵(lì)磁裝置運(yùn)行工況良好。

1 存在問題

1.1 滅磁電阻老化

滅磁氧化鋅ZnO非線性電阻作為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)元件并聯(lián)于轉(zhuǎn)子繞組上,長期運(yùn)行將會出現(xiàn)以下工況:

(1)正常工作中承受長期勵(lì)磁電壓的作用會使氧化鋅(ZnO)閥片產(chǎn)生靜態(tài)老化,其老化速度的快慢可以用漏電流或功率損耗的增長速度來衡量。漏電流增加會使氧化鋅(ZnO)閥片溫度升高,由于氧化鋅(ZnO)閥片具有電壓負(fù)溫度系數(shù),其溫升與漏電流的上升及老化速度成正比關(guān)系,一旦產(chǎn)生惡性循環(huán),氧化鋅(ZnO)閥片將發(fā)生熱擊穿短路和炸裂。

(2)在事故工況下承受滅磁能量和過電壓的沖擊而產(chǎn)生動態(tài)老化,對氧化鋅(ZnO)閥片是一種溫度效應(yīng)。

不管是靜態(tài)老化還是動態(tài)老化均會使氧化鋅(ZnO)閥片的晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,造成V-A特性嚴(yán)重退化。因此,氧化鋅非線性電阻性能的好壞,使用壽命的年限,將直接關(guān)系到發(fā)電企業(yè)的安全運(yùn)行。

根據(jù)CB1187—88《MYN型高能氧化鋅壓敏電阻器》、GB/T16528—1996《壓敏電阻器用氧化鋅陶瓷材料》和GB/T19193—1997《電子設(shè)備用壓敏電阻器》規(guī)定:氧化鋅(ZnO)非線性電阻的使用壽命一般為8～10 a,氧化鋅非線性電阻泄漏電流大于50μΑ或超過原來出廠測試數(shù)據(jù)的2倍,則認(rèn)為閥片嚴(yán)重老化;氧化鋅非線性電阻的U10mA電壓與原來測試數(shù)據(jù)誤差應(yīng)保證在5%之內(nèi),超過5%則必須定期檢測,如果超過10%則設(shè)備必須退出運(yùn)行,因?yàn)槟芰繘_擊對閥片的晶體的破壞是不可恢復(fù)的,氧化鋅非線性電阻在大能量沖擊下若U10mA電壓變化較大,則其能容量將會發(fā)生改變,當(dāng)機(jī)組發(fā)生空載誤強(qiáng)勵(lì)或機(jī)端出現(xiàn)三相短路等嚴(yán)重工況下滅磁,則氧化鋅非線性電阻將會因?yàn)槟苋萘坎粔蚨鴵p壞甚至燒毀,進(jìn)而破壞轉(zhuǎn)子絕緣等重大事故。

鑒于以上情況,針對珊溪電廠使用已達(dá)8 a的氧化鋅(ZnO)非線性電阻進(jìn)行更換改造,以避免因滅磁電阻原因出現(xiàn)事故。

1.2 轉(zhuǎn)子側(cè)過電壓

原滅磁裝置中氧化鋅非線性電阻既有滅磁功能同時(shí)又具有正向過電壓保護(hù)作用,但對于發(fā)電機(jī)非全相及大滑差異步運(yùn)行等工況時(shí),由定子負(fù)序電流產(chǎn)生的磁場對于轉(zhuǎn)子繞組有相對運(yùn)動,在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)很強(qiáng)的電勢,如轉(zhuǎn)子有閉合回路,將產(chǎn)生感應(yīng)電流。這樣,來自電網(wǎng)和機(jī)械的能量透過氣隙源源不斷地輸入到轉(zhuǎn)子繞組中,而滅磁氧化鋅閥片所具備的能量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,在極短的時(shí)間內(nèi)就將全部閥片燒損。因?yàn)闇绱叛趸\閥片的能容量的匹配是為轉(zhuǎn)子最大磁場能量釋放而設(shè)計(jì)的。在上述情況下,閥片燒損短路后熔斷器熔絲也將全部熔斷,轉(zhuǎn)子繞組開路有兩種可能后果:

(1)轉(zhuǎn)子絕緣被擊穿,因?yàn)樽詈笠恢啡劢z熔斷時(shí)也將產(chǎn)生大于4 400V高壓,造成轉(zhuǎn)子絕緣擊穿。

(2)轉(zhuǎn)子絕緣可能不被擊穿,但阻尼繞組有可能被燒壞。

1.3 可控硅整流直流側(cè)過電壓

在靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)中,勵(lì)磁電源輸出的大小由可控硅的導(dǎo)通角控制。在可控硅換相關(guān)斷過程中,由電路中激發(fā)起電磁能量的互相轉(zhuǎn)換和傳遞,其直流側(cè)產(chǎn)生了尖峰過電壓,該尖峰過電壓的峰值可達(dá)陽極電壓的3倍左右,容易引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軟擊穿事故,甚至引起器件燒毀和停機(jī)事故。

由于尖峰過電壓時(shí)間短(僅幾微秒),能量小 (幾個(gè)焦耳),一般對絕緣形成不了直接擊穿,多為閃絡(luò)放電,形成非金屬性擊穿,事故后絕緣能恢復(fù),但故障點(diǎn)不易查找。對于可控硅微秒級上升前沿的尖峰電壓來說,通過變壓器高低壓線圈的匝間雜散電容耦合也可產(chǎn)生感應(yīng)過電壓或反射波疊加過電壓。在脈沖變壓器的一側(cè)是可控硅幾千伏的高壓電位,另一側(cè)是十幾伏的低壓電子線路,稍有一點(diǎn)電位擾動,就會從高壓側(cè)傳到低壓側(cè),引起電子回路的紊亂。這種在高低壓懸殊的連接點(diǎn)、隔離點(diǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓也是可控硅電源特有的,所以勵(lì)磁故障多從脈沖變壓器處產(chǎn)生、發(fā)展。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種因過電壓而不動聲色得將脈沖變壓器發(fā)生擊穿,但更多的是故障發(fā)生后找不到脈沖變壓器的擊穿點(diǎn)。

2 改造方案

對原滅磁電阻進(jìn)行更換同時(shí)在轉(zhuǎn)子側(cè)加裝非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器,在電源側(cè)加裝尖峰過電壓吸收器SPA。

2.1 滅磁組件更換

將原滅磁組件更換為滅磁殘壓為900 V,2串40并共80片,標(biāo)稱能量為1.6兆焦的滅磁組件;

2.2 加裝非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器

“非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器”在發(fā)電機(jī)出現(xiàn)大滑差異步運(yùn)行或非全相運(yùn)行時(shí)快速動作,構(gòu)成轉(zhuǎn)子續(xù)流通道,避免轉(zhuǎn)子繞組開路,將過電壓限制在安全范圍。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行和轉(zhuǎn)子滅磁工況下,因保護(hù)器導(dǎo)通電壓高于滅磁氧化鋅電阻導(dǎo)通電壓,不參與滅磁,不吸收滅磁能量。當(dāng)出現(xiàn)非全相或大滑差異步運(yùn)行而產(chǎn)生劇烈正反向過電壓時(shí),保護(hù)器內(nèi)部的氧化鋅電阻閥片導(dǎo)通而將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的電壓限制在安全范圍,而非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器具有一個(gè)特殊的特性,在吸收一定的能量后,將會改變非線性特性曲線,自動降低導(dǎo)通電壓,低于滅磁氧化鋅電阻導(dǎo)通電壓,使滅磁氧化鋅電阻退出工作。始終確保在故障情況下經(jīng)過保護(hù)器的電流在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生抵消定子反轉(zhuǎn)磁場的相反磁場。同時(shí)該裝置可對轉(zhuǎn)子側(cè)正向過電壓進(jìn)行保護(hù),將兩種過電壓保護(hù)合二為一,克服了國內(nèi)同類產(chǎn)品無法保護(hù)非全相及大滑差異步運(yùn)行過電壓的缺點(diǎn)。

伏安特性曲線如圖1。

非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器:U殘=1350 V U10mA=900 V

二極管D2、KPT:、3.2 kV/1 kA 電阻R2:10 K/100 W

電阻R-1、 R-2、:2.1 K/100 W

CF動作值過電壓設(shè)定值必需滿足:

小于70%的轉(zhuǎn)子對地試驗(yàn)電壓幅值0.7×172 V×10×=1703 V(最低不小于1 500 V)和可控硅正、反向阻斷電壓的最小值2500 V。

過電壓CF動作設(shè)定值為:1300 V。

圖1 伏安特性曲線圖

2.3 加裝直流側(cè)尖峰過電壓吸收器SPA

直流側(cè)尖峰過電壓吸收器采用高能氧化鋅閥片與阻容串聯(lián)組合而成,充分利用氧化鋅的非線性伏安特性,將電壓限制在一定范圍內(nèi)的特點(diǎn),同時(shí)考慮到尖峰電壓的能量分布,利用電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn),將尖峰電壓的前段高電壓部分的能量吸收在尖峰吸收器的氧化鋅組件中,其他能量由氧化鋅和電容共同吸收。在尖峰電壓過去以后,電容的能量通過電阻快速釋放掉。SPA的原理接線如圖2所示:RC組成一個(gè)高頻通道,將可控硅換相時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰電壓傳輸給氧化鋅非線性電阻FR4,FR4動作吸收尖峰電壓,并且限制高頻尖峰電壓不超過一定的幅值,從而保證了可控硅換相時(shí)不會引起轉(zhuǎn)子回路的過高電壓?；芈分械腇R5是RC支路的保護(hù)元件,因?yàn)樵谔囟l率下,支路有可能產(chǎn)生諧振而出現(xiàn)過高的電壓,致使RC元件損壞。當(dāng)電壓超過FR5動作電壓時(shí),FR5動作保護(hù)RC元件。

圖2 SPR的原理接線圖

FR4:U殘=820V=585 V

電容C:20 uF/630 V 電阻R:100 Ω/100 W

3 結(jié) 語

珊溪電廠50MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)裝置經(jīng)過改造后,更加全面、完善地保護(hù)發(fā)電機(jī)。在更換原有氧化鋅滅磁電阻的同時(shí),加裝轉(zhuǎn)子側(cè)非全相及大滑差異步運(yùn)行保護(hù)器和直流電源側(cè)加裝尖峰過電壓吸收器,是一個(gè)完備的保護(hù)方案,具有國內(nèi)同類產(chǎn)品所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。已在國內(nèi)眾多的大型電廠實(shí)際運(yùn)行中得到驗(yàn)證,并被寫入電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)程。