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        跨接器主要參數(shù)要求及選擇

        2017-07-31 21:07:37范星座
        水電站機(jī)電技術(shù) 2017年2期
        關(guān)鍵詞:過壓可控硅過電壓

        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

        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)

        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??缃悠魇浅R姴捎玫霓D(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(chǎng)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(chǎng),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(guó)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(guó)內(nèi)常采用ZnO,國(guó)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(cè)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(cè)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(cè)器,一旦電流長(zhǎng)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(guó)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(cè)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(cè)器,一旦電流長(zhǎng)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(chǎng)總?cè)萘?,一般取KR=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?jī)山M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(cè)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(cè)量的電流方向?yàn)樨?fù);當(dāng)正向過壓時(shí)測(cè)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(cè)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(cè)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(guó)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].

        [3]李先彬.電力系統(tǒng)自動(dòng)化[M],1981.

        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。

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