許立長(zhǎng),李 巖,陳利江

(1.潤(rùn)電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000；2.華潤(rùn)電力(溫州)有限公司，浙江 溫州 325000；3.南陽鴨河口發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 南陽 474671)

0 引言

目前關(guān)于轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)的研究主要分為兩種，第一類是關(guān)于轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)電源的研究，文獻(xiàn)〔1〕針對(duì)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)提出一種試驗(yàn)裝置，通過在交流電源出口加入可控硅堆，在轉(zhuǎn)子過電壓回路依次加入正向觸發(fā)電壓和反向觸發(fā)電壓，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子過電壓回路雙向觸發(fā)。該裝置雖然實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路測(cè)試，但需要額外加入裝置，增加試驗(yàn)裝置的復(fù)雜性和儀器的重量，給現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員增加了額外負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)〔2〕設(shè)計(jì)了一種二倍壓整流回路，為實(shí)際轉(zhuǎn)子過電壓回路測(cè)試提供一種方法。文獻(xiàn)〔3〕在試驗(yàn)電源中加入限流電阻，進(jìn)而保證試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)人員的安全。第二類是關(guān)于轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)方法的研究，文獻(xiàn)〔4〕在crowbar電路進(jìn)行過電壓試驗(yàn)，為實(shí)際試驗(yàn)提供一種思路。也有專家提出直接對(duì)BOD(轉(zhuǎn)折二極管)回路進(jìn)行轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)，間接驗(yàn)證轉(zhuǎn)子過電壓回路動(dòng)作的正確性。轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)不僅需要驗(yàn)證BOD回路動(dòng)作正確性，還需要對(duì)BOD回路所控制的晶閘管的極性正確性進(jìn)行驗(yàn)證，所以在轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)過程中需要對(duì)所接支路的正確性進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)證，進(jìn)而保證發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁過電壓情況下轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路正確動(dòng)作。

在上述文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)回路進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際裝置的回路特性，對(duì)實(shí)際中轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)提供技術(shù)指導(dǎo)，進(jìn)而更好模擬實(shí)際中轉(zhuǎn)子過電壓的工況，達(dá)到校驗(yàn)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)動(dòng)作正確性的目的。

1 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理

發(fā)電機(jī)在滅磁過程、晶閘管換相過程、異步運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)子過電壓，這些過程中產(chǎn)生的過電壓若超過限值，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子本體和轉(zhuǎn)子回路的設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞。為避免這些過電壓對(duì)轉(zhuǎn)子造成的不可逆性損害，在轉(zhuǎn)子回路設(shè)置轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路，將轉(zhuǎn)子過電壓抑制在較低水平。

圖1為ABB公司的轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理圖，V1為正向可控硅，V2為反向可控硅，A02是一個(gè)由轉(zhuǎn)折二極管(V1000)組成的過電壓觸發(fā)板，F(xiàn)02是轉(zhuǎn)子正反向?qū)ňчl管。在-A02中，V1000是一個(gè)BOD。在-F02中，T1是檢測(cè)晶閘管是否導(dǎo)通以及導(dǎo)通電流是否超過整定值的互感器。正常運(yùn)行中，若出現(xiàn)超過BOD整定值的過電壓時(shí)，BOD觸發(fā)V1和V2將滅電阻并聯(lián)在轉(zhuǎn)子兩端，吸收轉(zhuǎn)子能量。正反過電壓觸發(fā)路徑如圖1中虛線所示。

圖1 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)BOD觸發(fā)導(dǎo)通原理圖

由上述描述可以看出，轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路是一種壓控導(dǎo)通回路。當(dāng)電壓滿足閾值時(shí)，跨接器導(dǎo)通，將暫態(tài)能量迅速損耗。當(dāng)電壓較低時(shí)，退出跨接器導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路保持開路狀態(tài)。

2 試驗(yàn)原理及過程

2.1 試驗(yàn)原理

轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路試驗(yàn)是模擬實(shí)際中產(chǎn)生的過電壓，將人工產(chǎn)生的過電壓加在轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路上，測(cè)試BOD回路是否會(huì)正確動(dòng)作。

圖4為端橫梁錨固塊豎向應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，豎向拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在端橫梁靠近跨中一側(cè)人洞周邊區(qū)域，最大值達(dá)到9.8 MPa；豎向壓應(yīng)力最大值為24.5 MPa，位于錨墊板下方。

試驗(yàn)電源主要有正弦交流電源和直流電源。交流試驗(yàn)電源是應(yīng)用調(diào)壓器經(jīng)升壓變將試驗(yàn)交流電升壓，電源頻率保持工頻不變。正弦交流電可以實(shí)現(xiàn)BOD回路的雙向觸發(fā)，避免直流電試驗(yàn)過程中需要倒換正負(fù)極的情況出現(xiàn)。直流試驗(yàn)電源是在交流試驗(yàn)電源基礎(chǔ)上加入整流硅堆，將交流轉(zhuǎn)化為直流電加入BOD回路中。當(dāng)試驗(yàn)電源輸出電流較大或串聯(lián)阻抗較小時(shí)，會(huì)觸發(fā)試驗(yàn)電源內(nèi)部的過流保護(hù)，控制電源的輸出電流，將電流降低為最小值。

上述兩種方法在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)BOD回路的觸發(fā)，進(jìn)而將晶閘管導(dǎo)通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子過電壓回路保護(hù)校驗(yàn)的效果，但實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子過電壓一般為高頻過電壓，與試驗(yàn)電源中電源頻率不一致。當(dāng)轉(zhuǎn)子過電壓回路旁側(cè)接有阻容緩沖回路(以下簡(jiǎn)稱為RC回路)時(shí)，電源的能量將從RC回路流走，無法升壓。

本次試驗(yàn)采用的試驗(yàn)電源為正弦交流電源，試驗(yàn)接線如圖2所示。在過壓發(fā)生之后，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓降低，非線性電阻阻斷，流經(jīng)可控硅的電流急劇下降，由于試驗(yàn)中使用的電源為高壓正弦交流信號(hào)，此時(shí)在電壓過零點(diǎn)時(shí)，A02過壓觸發(fā)板電壓很低，電流已不足以維持A02過壓觸發(fā)板中的BOD導(dǎo)通，因此，試驗(yàn)中的BOD在電壓過零點(diǎn)時(shí)可自然阻斷，隨后跟隨正弦波進(jìn)入下一方向的導(dǎo)通，如此反復(fù)導(dǎo)通。但應(yīng)注意試驗(yàn)中過壓時(shí)間不要持續(xù)太長(zhǎng)，計(jì)算試驗(yàn)動(dòng)作值時(shí)應(yīng)取交流電壓的峰值。

圖2 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)及試驗(yàn)接線

2.2 試驗(yàn)條件

某電廠的機(jī)組勵(lì)磁裝置為ABB UN-6800，其轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)動(dòng)作值為2 500 V，按照試驗(yàn)規(guī)程要求，轉(zhuǎn)子過電壓試驗(yàn)時(shí)需要模擬故障時(shí)產(chǎn)生的過電壓，測(cè)試轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路是否正確動(dòng)作。試驗(yàn)時(shí)為保證安全，需要將無關(guān)回路斷開，保證試驗(yàn)過程中人身和設(shè)備安全。試驗(yàn)時(shí)主要的條件有：

(1)斷開發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)碳刷，試驗(yàn)時(shí)配置安全人員看護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)，避免其他人員誤碰發(fā)電機(jī)。

(2)斷開滅磁開關(guān)，避免將轉(zhuǎn)子過電壓傳遞到交流側(cè)。

(3)試驗(yàn)儀器需要接地，避免人員觸電。

2.3 試驗(yàn)過程和結(jié)果

2.3.1RC回路投入

完成儀器接線后，在正負(fù)極之間施加交流電壓，當(dāng)跨接器旁側(cè)RC緩沖回路投入時(shí)，試驗(yàn)時(shí)逐漸加壓至60 V時(shí)，內(nèi)部限流保護(hù)回路動(dòng)作，無法繼續(xù)升壓。

所以在試驗(yàn)電源容量有限且內(nèi)部設(shè)置過流保護(hù)的前提下，試驗(yàn)中加入RC回路后會(huì)導(dǎo)致升壓至一定階段后過流保護(hù)啟動(dòng)，無法將電壓升至動(dòng)作值。

2.3.2RC回路解除

RC回路解除后，逐漸升壓至2 500 V，觀察錄波儀所顯示的實(shí)時(shí)電壓以及波形，電源內(nèi)部限流動(dòng)作后，迅速降壓至最低值。試驗(yàn)波形如圖3。

從圖3的錄波波形可以看出，當(dāng)電壓波峰達(dá)到2 500 V時(shí)，BOD動(dòng)作，導(dǎo)通晶閘管回路，電壓下降到0。裝置按設(shè)計(jì)要求動(dòng)作，動(dòng)作電壓為2 500 V，動(dòng)作誤差范圍在合理范圍內(nèi)。

圖3 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)波形圖

3 仿真驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證所提方法的正確性，在仿真平臺(tái)上搭建同樣參數(shù)的仿真模型，仿真模型如圖4所示。從圖4可以看出，仿真主要對(duì)BOD回路進(jìn)行模擬。觸發(fā)閾值用不大于模塊≤模擬，用電壓模塊測(cè)量加入的模擬電壓量，當(dāng)電壓高于觸發(fā)閾值時(shí)，將觸發(fā)閾值通過NOT模塊轉(zhuǎn)化為開關(guān)量信號(hào)，觸發(fā)導(dǎo)通回路的短路動(dòng)作，導(dǎo)通回路電阻較小，非線性電阻使用避雷器模塊模擬。

圖4 轉(zhuǎn)子過電壓回路仿真示意圖

通過圖4的模型進(jìn)行仿真分析，將仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析兩者結(jié)果的異同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法的進(jìn)一步改進(jìn)。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)，在仿真系統(tǒng)中搭建模型，對(duì)晶閘管的波形進(jìn)行觸發(fā)模擬，可以得出對(duì)應(yīng)的波形如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)晶閘管沒有觸發(fā)時(shí)，示波器輸出電壓略低于2 500 V，當(dāng)電壓升高至觸發(fā)定值2 500 V后，晶閘管觸發(fā)，電源內(nèi)部過流保護(hù)啟動(dòng)，示波器顯示輸出電壓基本在0附近。與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形比較一致。

圖5 仿真系統(tǒng)的模擬波形

圖6為非線性電阻兩端電壓，可以看出，晶閘管導(dǎo)通前，非線性電阻兩端電壓低于500 V，主要壓降由晶閘管分擔(dān)。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，支路壓降主要在非線性電阻上。

圖6 非線性電阻電壓

4 試驗(yàn)影響因素分析

4.1 RC回路對(duì)試驗(yàn)的影響

目前RC回路投入后對(duì)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)試驗(yàn)主要影響，是目前試驗(yàn)電源由于成本原因還無法實(shí)現(xiàn)完全模擬現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)子過電壓波形，而使用頻率穩(wěn)定的電源，頻率穩(wěn)定的電源本身容量有限，而RC支路分流后會(huì)導(dǎo)致電源過流保護(hù)觸發(fā)，無法繼續(xù)升壓。接有示波器回路的RC回路的示波器輸出電壓波形如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)帶有RC支路后，試驗(yàn)電源在緩慢試驗(yàn)過程中，當(dāng)電流大于15 mA，即觸發(fā)電源內(nèi)部過流保護(hù)后，試驗(yàn)電壓無法繼續(xù)上升，此時(shí)RC支路中電容支路發(fā)生充放電的聲音，說明加壓過程中主要能量在RC支路中，試驗(yàn)電源內(nèi)部過流動(dòng)作，無法進(jìn)一步加壓。因此，應(yīng)將RC支路解開才能正常進(jìn)行試驗(yàn)。

圖7 帶RC支路的示波器電壓

4.2 試驗(yàn)電源頻率對(duì)試驗(yàn)的影響

根據(jù)試驗(yàn)原理可以得出，在忽略RC回路電阻的情況下，試驗(yàn)電源頻率和試驗(yàn)動(dòng)作電流之間的關(guān)系為：

Iaction>nUaction2πfC

(2)

其中：Iaction為電源內(nèi)部過流保護(hù)動(dòng)作電流；n為可靠系數(shù)，取1.4；Uaction為BOD回路動(dòng)作電壓。

根據(jù)式(2)可以得出電源內(nèi)部的電壓頻率應(yīng)滿足如下條件：

f

(3)

根據(jù)式(3)可以計(jì)算出電源頻率低于一定值時(shí)，可以在RC回路不切除的前提下BOD回路能夠正確動(dòng)作。根據(jù)本文已有的參數(shù)，可以計(jì)算出最低頻率的限制值為

f=0.68 Hz

(4)

從公式(4)可以看出，電源頻率需保持較低的水平，才能保證試驗(yàn)時(shí)接入RC支路后試驗(yàn)時(shí)BOD能夠?qū)ā檫M(jìn)一步驗(yàn)證此分析的有效性，建立相關(guān)模型，在仿真平臺(tái)中進(jìn)行試驗(yàn)。電源頻率0.58Hz下的觸發(fā)波形如圖8所示。從圖8可以看出，在低頻率0.58 Hz電源下，RC回路阻抗相對(duì)較大，進(jìn)而導(dǎo)致RC支路分流能力下降，沒能觸發(fā)試驗(yàn)電源內(nèi)部保護(hù)啟動(dòng)，進(jìn)而保證在低頻率情況下帶RC支路的試驗(yàn)成功進(jìn)行。

圖8 電源頻率0.58 Hz下的觸發(fā)波形

需要指出的是，轉(zhuǎn)子過電壓一般是高頻過電壓，實(shí)際發(fā)生轉(zhuǎn)子過電壓時(shí)，在晶閘管支路沒有觸發(fā)前，RC支路會(huì)分流大量電流，啟動(dòng)保護(hù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的功能。當(dāng)然，實(shí)際轉(zhuǎn)子過電壓發(fā)生時(shí)能量遠(yuǎn)大于試驗(yàn)電源提供的能量，在RC支路分流明顯的前提下依然觸發(fā)BOD回路保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，此時(shí)需要晶閘管支路和滅磁電阻加入保護(hù)回路，消耗過電壓過程產(chǎn)生的多余能量,RC支路和跨接器回路共同作用保護(hù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的安全。

5 結(jié)束語

本文對(duì)某廠ABB UN-6800型號(hào)勵(lì)磁裝置轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)跨接器試驗(yàn)時(shí)RC回路投切問題做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)，并分析了試驗(yàn)電源頻率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明，為了使試驗(yàn)?zāi)苷＿M(jìn)行，當(dāng)使用常規(guī)交流電源時(shí)，必須將RC回路預(yù)先解除。

目前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注BOD回路動(dòng)作的準(zhǔn)確性，但對(duì)晶閘管的安裝極性錯(cuò)誤、滅磁的V-I特性較差的情況下導(dǎo)通波形缺乏詳細(xì)的展示，這一點(diǎn)有待于進(jìn)一步研究。因此，應(yīng)該對(duì)晶閘管極性和非線性電阻的V-I特性進(jìn)行密切關(guān)注，增加相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)非破壞性測(cè)量手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，才能保證設(shè)備的運(yùn)行安全。