范星座

（中廣核能源開發(fā)有限責(zé)任公司成都分公司，四川成都610091）

跨接器主要參數(shù)要求及選擇

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（中廣核能源開發(fā)有限責(zé)任公司成都分公司，四川成都610091）

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)功能是勵(lì)磁系統(tǒng)必須具備的重要功能之一。跨接器是常見采用的轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)電路。本文針對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)跨接器，介紹了其主要參數(shù)要求及選擇。

轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)；勵(lì)磁系統(tǒng)跨接器；碳化硅；觸發(fā)

1 概述

當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)短路或勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如機(jī)端三相短路、失磁或低勵(lì)造成失步等，就會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出負(fù)向的磁場電流，進(jìn)而產(chǎn)生反向過電壓。機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)滑差將在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)正向磁場，在勵(lì)磁繞組產(chǎn)生正向過電壓。若該能量無法釋放，感應(yīng)電壓快速上升，會(huì)達(dá)到轉(zhuǎn)子繞組耐壓試驗(yàn)電壓的數(shù)倍，嚴(yán)重威脅轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子所連接設(shè)備的安全。

2 跨接器組成

跨接器，國外習(xí)慣稱為CROWBAR，一般由可控硅閥、電流傳感器組成，串聯(lián)滅磁電阻后跨接在轉(zhuǎn)子兩端。見圖1。

圖1 跨接器接線圖

2.1 滅磁電阻

滅磁電阻可采用線性電阻或非線性電阻，在非線性電阻的選擇上，國內(nèi)常采用ZnO，國外常采用SiC。

2.2 可控硅閥

正向控制元件一般由二極管構(gòu)成。

反向控制元件一般由可控硅構(gòu)成，反向控制元器件的選擇與滅磁電阻的類型有關(guān)，在采用線性電阻、SiC時(shí)，由于其特性較軟，在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，容易通流引起發(fā)熱，故反向元器件選擇采用可控硅，在采用ZnO時(shí)，由于其特性較硬，反向元器件一般選擇采用二極管。

2.3 可控硅觸發(fā)器

反向過電壓觸發(fā)器回路一般由R和CF所組成的過電壓測量回路動(dòng)作，發(fā)出觸發(fā)脈沖，可控硅KPT導(dǎo)通，F(xiàn)R2進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的反向過電壓，保護(hù)轉(zhuǎn)子不受損害。

2.4 熔斷器RD、線性電阻R1及二極管D2

正向過電壓保護(hù)回路熔斷器RD的熔斷時(shí)間一般小于2 ms并且熔絲電壓足夠高，當(dāng)部分支路產(chǎn)生故障，其相應(yīng)熔斷器快速熔斷，產(chǎn)生的電壓將故障支路的短路電流迅速迫入其他支路，故障支路被切除。線性電阻R1和二極管D2在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)降低非線性電阻FR1的荷電率，延緩閥片老化。

2.5 線性電阻R2、非線性電阻FR2及二極管D1

當(dāng)產(chǎn)生正向過電壓時(shí)，保護(hù)轉(zhuǎn)子繞組絕緣不被損壞，一般讓D1的動(dòng)作電壓大于D2的動(dòng)作電壓。2.6電流檢測器

當(dāng)使用碳化硅電阻時(shí)，因?yàn)樘蓟桦娮璧穆╇娏鬏^大，一般會(huì)大于跨接器回路可控硅的維持電流，為了防止碳化硅電阻跨接器動(dòng)作后不能可靠返回，最常見的方法也是在跨接器回路裝設(shè)過電流檢測器，一旦電流長時(shí)間大于設(shè)定值就跳閘滅磁。

由于跨接器用于滅磁和轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)，工作時(shí)間較短，一般不超過10 s，可以不采用散熱器，而是直接壓裝。

3 跨接器主要參數(shù)要求

3.1 跨接器動(dòng)作電壓值

過電壓保護(hù)動(dòng)作值的選擇原則如下：在任何情況下應(yīng)高于最大整流電壓的峰值；應(yīng)保證勵(lì)磁繞組兩端過電壓的瞬時(shí)值不超過出廠試驗(yàn)時(shí)繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的70%。整流電壓的峰值就是陽極電壓的峰值，其最大值要考慮允許過電壓的倍數(shù)，比如1.5倍數(shù)；勵(lì)磁電壓的瞬時(shí)值是整流電壓峰值與cos a角的乘積值。

3.2 放電電阻的選擇

放電電阻一般同滅磁電阻共用，滅磁電阻又分為線性電阻和非線性電阻，而非線性電阻又分為氧化鋅電阻和碳化硅電阻，因此，滅磁電阻的選擇比較復(fù)雜，其基本要求見《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》。如果放電電阻不同滅磁電阻共用，比如國內(nèi)的有些轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置，選用氧化鋅電阻，則要選擇氧化鋅電阻的電壓值和能容量，其電壓值要高于滅磁電壓值，要小于跨接器的動(dòng)作電壓值；其能容量選擇比較困難，一般選擇100 kJ～200 kJ（千焦耳）即可。

3.3 跨接器的返回措施

當(dāng)轉(zhuǎn)子過電壓大于跨接器動(dòng)作值時(shí)，跨接器動(dòng)作并將轉(zhuǎn)子電壓限制為放電電阻兩段的電壓，在此電壓的作用下，放電電阻將流過所要吸收的過電壓能量，如果需要吸收的過電壓能量大于放電電阻的極限能量，就必須采取措施，最常見的措施就是檢測放電電阻的電流，一旦這個(gè)電流大于設(shè)定值就跳閘滅磁，這種方法也是處理轉(zhuǎn)子異步過電壓的最好方法。當(dāng)跨接器動(dòng)作后轉(zhuǎn)子過電壓消失，放電電阻承受正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)子電壓，對(duì)于氧化鋅放電電阻來說，由于其正常轉(zhuǎn)子電壓下的漏電流很小，大大小于可控硅的維持電流，此時(shí)跨接器能可靠返回；對(duì)于碳化硅放電電阻來說，其正常轉(zhuǎn)子電壓下的漏電流很大，大大大于可控硅的維持電流，此時(shí)跨接器暫時(shí)不能返回，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓變?yōu)榱慊蛘咚矔r(shí)值變極性后才能返回。具體來說，正向過電壓動(dòng)作后，轉(zhuǎn)子電壓等于零或者其瞬時(shí)值變?yōu)樨?fù)值時(shí)才能返回；反向過電壓動(dòng)作后，轉(zhuǎn)子電壓等于零或者其瞬時(shí)值變?yōu)檎禃r(shí)才能返回；為了防止碳化硅電阻跨接器動(dòng)作后不能可靠返回，最常見的方法也是在跨接器回路裝設(shè)過電流檢測器，一旦電流長時(shí)間大于設(shè)定值就跳閘滅磁。

4 跨接器主要參數(shù)選擇

4.1 非線性滅磁電阻容量的選擇

空載勵(lì)磁繞組儲(chǔ)能：

W0＝0.5×L0×If02=0.5Rf0×Td0×If02

強(qiáng)勵(lì)時(shí)，勵(lì)磁繞組的儲(chǔ)能，考慮到飽和及耗能分配影響，應(yīng)乘以相應(yīng)系數(shù)

WC＝0.5×LC×（KV×IfN）2

WC＝0.5×KSKRRf0Td0×(KV×IfN)2

式中IfN——額定勵(lì)磁電流

If0——空載勵(lì)磁電流

Td0——發(fā)電機(jī)空載時(shí)間常數(shù)

KV——強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)

KS——強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁繞組飽和系數(shù)，一般取KS＝0.4水電取0.6

KR——滅磁時(shí)由滅磁電阻分擔(dān)的磁場總?cè)萘浚话闳R＝0.7

Rf0——?jiǎng)?lì)磁繞組電阻（75°）

考慮20%裕度。

4.2 非線性滅磁電阻殘壓的選擇

通常非線性電阻最大殘壓U殘一般不低于勵(lì)磁繞組出廠試驗(yàn)電壓的30%，不高于50%。

U殘＝UfN×（3～5），可控硅整流一般選4，二極管整流一般選3；

U10mA＝U殘/1.5。

滅磁閥片的動(dòng)作電壓值約為U殘×1/1.2～1.3

因此要求非線性滅磁電阻閥片一般應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

（1）閥片單片容量20kJ，最低電壓不低于280V；

（2）閥片流過100 A的電壓和流過10 mA的電壓比值僅為1.5倍；

（殘壓比K＝U殘/U10mA＝1.5）

（3）漏電流小，二分之一U10mA電壓下的電流I=1/2 U10mA＜50μA；

（4）閥片能在持續(xù)運(yùn)行電壓Ue＝0.75 U10mA下工作；

（5）選取閥片數(shù)量時(shí)應(yīng)注意考慮安裝方式，一般一條組件上壓裝4組（殘壓低于1 000 V時(shí)最多可壓裝5組），每組中最多可串連3片（殘壓低于800 V時(shí)最多2片），每組單獨(dú)配一個(gè)熔絲；也可采用雙抽頭式，即一條組件上壓裝8組，每兩組共用一個(gè)熔絲。

4.3 過電壓保護(hù)器殘壓的選擇

U非全相＝U殘×1.5

4.4 KPT、D1及D2參數(shù)選擇

可控硅KPT、二極管D1、D2，其參數(shù)選?。?/p>

IfN＞1000A時(shí)，二極管D1、D2選ZP1000A/3200V，KPT選1000A/3200V；

500A＜IfN＜1000A時(shí)，二極管D1、D2選ZP800A/ 3200V，KPT選8 00A/3200 V；

IfN＜500 A時(shí)，二極管D1、D2選ZP500A/2500V，KPT選500A/2500V。

4.5 跨接器邏輯控制

由于轉(zhuǎn)子過壓分正向過壓和反向過壓，所以CT電流傳感器測量的電流也對(duì)應(yīng)有兩個(gè)方向。當(dāng)轉(zhuǎn)子反向過壓或事故跳閘時(shí)，測量的電流方向?yàn)樨?fù)；當(dāng)正向過壓時(shí)測量的電流方向?yàn)檎?。該電流的方向影響到?lì)磁系統(tǒng)中兩個(gè)保護(hù)的不同動(dòng)作邏輯。

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子反向過壓，過壓值大于反向過電壓整定值時(shí)，R-CF觸發(fā)可控硅KPT將非線性電阻FR2接入轉(zhuǎn)子，將轉(zhuǎn)子電壓限制為FR2兩端的電壓，同時(shí)霍爾傳感器CT檢測電流經(jīng)過，該電流顯示值如果大于保護(hù)定值，系統(tǒng)發(fā)出“轉(zhuǎn)子過壓故障”信號(hào)。

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)滑差并造成轉(zhuǎn)子正向過壓，過壓值大于正向過電壓整定值動(dòng)作值時(shí)，F(xiàn)R2非線性接入轉(zhuǎn)子，將轉(zhuǎn)子電壓限制為FR2非線性電阻兩端的電壓。同時(shí)霍爾傳感器CT檢測電流經(jīng)過，送出信號(hào)給調(diào)節(jié)器，進(jìn)行相應(yīng)邏輯處理。

5 結(jié)論

在國內(nèi)，大型發(fā)電機(jī)組中可恢復(fù)型跨接器應(yīng)用較多，特別是在應(yīng)用SiC作為滅磁電阻的情況下，通過正確的原理設(shè)計(jì)、合理的參數(shù)設(shè)置和適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法，驗(yàn)證該功能的可靠性，能夠有效實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)，避免不必要的機(jī)組停機(jī)。

發(fā)電機(jī)的滅磁既要考慮到可靠性，同時(shí)也要兼顧滅磁的快速性。

宜采用線性加非線性滅磁方案。

滅磁容量的計(jì)算必須依照發(fā)電機(jī)的參數(shù)，根據(jù)發(fā)電機(jī)的五階模型對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路、發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵(lì)和發(fā)電機(jī)負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)3種工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

[1]王丹，陸繼明，毛承雄.三峽水輪發(fā)電機(jī)組滅磁方案研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，（6）：39-42.

[2]DL/T 583-2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件[S].

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TM864

A

1672-5387（2017）02-0012-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.02.004

2015-07-24

范星座（1977-），男，工程師，從事電站安全生產(chǎn)管理工作。