珊溪电站4×50MW发电机转子灭磁及过电压保护装置改造

董合慧

(浙江珊溪经济发展有限责任公司,浙江 温州 325000)

同步发电机励磁系统中的转子灭磁及过电压保护装置是发电机组内部故障的最后保护装置。当发电机发变组单元接线方式的主变压器或励磁系统发生故障,如励磁变压器故障、发电机滑环短路、励磁主回路短路及元件故障、发电机励磁调节器误强励故障等,灭磁开关应迅速跳开,以达到灭磁的目的。

珊溪电站为引水式地面厂房,装设有4台50 MW的水轮发电机组、2台220 kV升压变压器。电站的电能经220 kV和110 kV输电线路送入系统,主要供电范围为温州市区,电站在系统中担负调峰、调相、事故备用等任务。珊溪电站励磁系统中的灭磁装置是选用20世纪90年代产品,该装置中仅有氧化锌非线性灭磁电阻已达使用年限,在实际运行中存在着一定的问题,如:2006年,珊溪电站因励磁装置故障发生失磁、大滑差异步运行,造成灭磁氧化锌电阻部分损伤的事故。目前电站励磁装置运行工况良好。

1 存在问题

1.1 灭磁电阻老化

灭磁氧化锌ZnO非线性电阻作为发电机转子灭磁及过电压保护元件并联于转子绕组上,长期运行将会出现以下工况:

(1)正常工作中承受长期励磁电压的作用会使氧化锌(ZnO)阀片产生静态老化,其老化速度的快慢可以用漏电流或功率损耗的增长速度来衡量。漏电流增加会使氧化锌(ZnO)阀片温度升高,由于氧化锌(ZnO)阀片具有电压负温度系数,其温升与漏电流的上升及老化速度成正比关系,一旦产生恶性循环,氧化锌(ZnO)阀片将发生热击穿短路和炸裂。

(2)在事故工况下承受灭磁能量和过电压的冲击而产生动态老化,对氧化锌(ZnO)阀片是一种温度效应。

不管是静态老化还是动态老化均会使氧化锌(ZnO)阀片的晶粒结构发生变化,造成V-A特性严重退化。因此,氧化锌非线性电阻性能的好坏,使用寿命的年限,将直接关系到发电企业的安全运行。

根据CB1187—88《MYN型高能氧化锌压敏电阻器》、GB/T16528—1996《压敏电阻器用氧化锌陶瓷材料》和GB/T19193—1997《电子设备用压敏电阻器》规定:氧化锌(ZnO)非线性电阻的使用寿命一般为8～10 a,氧化锌非线性电阻泄漏电流大于50μΑ或超过原来出厂测试数据的2倍,则认为阀片严重老化;氧化锌非线性电阻的U10mA电压与原来测试数据误差应保证在5%之内,超过5%则必须定期检测,如果超过10%则设备必须退出运行,因为能量冲击对阀片的晶体的破坏是不可恢复的,氧化锌非线性电阻在大能量冲击下若U10mA电压变化较大,则其能容量将会发生改变,当机组发生空载误强励或机端出现三相短路等严重工况下灭磁,则氧化锌非线性电阻将会因为能容量不够而损坏甚至烧毁,进而破坏转子绝缘等重大事故。

鉴于以上情况,针对珊溪电厂使用已达8 a的氧化锌(ZnO)非线性电阻进行更换改造,以避免因灭磁电阻原因出现事故。

1.2 转子侧过电压

原灭磁装置中氧化锌非线性电阻既有灭磁功能同时又具有正向过电压保护作用,但对于发电机非全相及大滑差异步运行等工况时,由定子负序电流产生的磁场对于转子绕组有相对运动,在转子绕组中感应很强的电势,如转子有闭合回路,将产生感应电流。这样,来自电网和机械的能量透过气隙源源不断地输入到转子绕组中,而灭磁氧化锌阀片所具备的能量是远远不够的,在极短的时间内就将全部阀片烧损。因为灭磁氧化锌阀片的能容量的匹配是为转子最大磁场能量释放而设计的。在上述情况下,阀片烧损短路后熔断器熔丝也将全部熔断,转子绕组开路有两种可能后果:

(1)转子绝缘被击穿,因为最后一支路熔丝熔断时也将产生大于4 400V高压,造成转子绝缘击穿。

(2)转子绝缘可能不被击穿,但阻尼绕组有可能被烧坏。

1.3 可控硅整流直流侧过电压

在静止可控硅励磁系统中,励磁电源输出的大小由可控硅的导通角控制。在可控硅换相关断过程中,由电路中激发起电磁能量的互相转换和传递,其直流侧产生了尖峰过电压,该尖峰过电压的峰值可达阳极电压的3倍左右,容易引起转子系统软击穿事故,甚至引起器件烧毁和停机事故。

由于尖峰过电压时间短(仅几微秒),能量小 (几个焦耳),一般对绝缘形成不了直接击穿,多为闪络放电,形成非金属性击穿,事故后绝缘能恢复,但故障点不易查找。对于可控硅微秒级上升前沿的尖峰电压来说,通过变压器高低压线圈的匝间杂散电容耦合也可产生感应过电压或反射波叠加过电压。在脉冲变压器的一侧是可控硅几千伏的高压电位,另一侧是十几伏的低压电子线路,稍有一点电位扰动,就会从高压侧传到低压侧,引起电子回路的紊乱。这种在高低压悬殊的连接点、隔离点产生的感应过电压也是可控硅电源特有的,所以励磁故障多从脉冲变压器处产生、发展。曾经发现这种因过电压而不动声色得将脉冲变压器发生击穿,但更多的是故障发生后找不到脉冲变压器的击穿点。

2 改造方案

对原灭磁电阻进行更换同时在转子侧加装非全相及大滑差异步运行保护器,在电源侧加装尖峰过电压吸收器SPA。

2.1 灭磁组件更换

将原灭磁组件更换为灭磁残压为900 V,2串40并共80片,标称能量为1.6兆焦的灭磁组件;

2.2 加装非全相及大滑差异步运行保护器

“非全相及大滑差异步运行保护器”在发电机出现大滑差异步运行或非全相运行时快速动作,构成转子续流通道,避免转子绕组开路,将过电压限制在安全范围。在发电机正常运行和转子灭磁工况下,因保护器导通电压高于灭磁氧化锌电阻导通电压,不参与灭磁,不吸收灭磁能量。当出现非全相或大滑差异步运行而产生剧烈正反向过电压时,保护器内部的氧化锌电阻阀片导通而将发电机转子绕组的电压限制在安全范围,而非全相及大滑差异步运行保护器具有一个特殊的特性,在吸收一定的能量后,将会改变非线性特性曲线,自动降低导通电压,低于灭磁氧化锌电阻导通电压,使灭磁氧化锌电阻退出工作。始终确保在故障情况下经过保护器的电流在转子中产生抵消定子反转磁场的相反磁场。同时该装置可对转子侧正向过电压进行保护,将两种过电压保护合二为一,克服了国内同类产品无法保护非全相及大滑差异步运行过电压的缺点。

伏安特性曲线如图1。

非全相及大滑差异步运行保护器:U残=1350 V U10mA=900 V

二极管D2、KPT:、3.2 kV/1 kA 电阻R2:10 K/100 W

电阻R-1、 R-2、:2.1 K/100 W

CF动作值过电压设定值必需满足:

小于70%的转子对地试验电压幅值0.7×172 V×10×=1703 V(最低不小于1 500 V)和可控硅正、反向阻断电压的最小值2500 V。

过电压CF动作设定值为:1300 V。

图1 伏安特性曲线图

2.3 加装直流侧尖峰过电压吸收器SPA

直流侧尖峰过电压吸收器采用高能氧化锌阀片与阻容串联组合而成,充分利用氧化锌的非线性伏安特性,将电压限制在一定范围内的特点,同时考虑到尖峰电压的能量分布,利用电容两端电压不能突变的特点,将尖峰电压的前段高电压部分的能量吸收在尖峰吸收器的氧化锌组件中,其他能量由氧化锌和电容共同吸收。在尖峰电压过去以后,电容的能量通过电阻快速释放掉。SPA的原理接线如图2所示:RC组成一个高频通道,将可控硅换相时产生的高频尖峰电压传输给氧化锌非线性电阻FR4,FR4动作吸收尖峰电压,并且限制高频尖峰电压不超过一定的幅值,从而保证了可控硅换相时不会引起转子回路的过高电压。回路中的FR5是RC支路的保护元件,因为在特定频率下,支路有可能产生谐振而出现过高的电压,致使RC元件损坏。当电压超过FR5动作电压时,FR5动作保护RC元件。

图2 SPR的原理接线图

FR4:U残=820V=585 V

电容C:20 uF/630 V 电阻R:100 Ω/100 W

3 结 语

珊溪电厂50MW发电机转子灭磁及过电压保护装置经过改造后,更加全面、完善地保护发电机。在更换原有氧化锌灭磁电阻的同时,加装转子侧非全相及大滑差异步运行保护器和直流电源侧加装尖峰过电压吸收器,是一个完备的保护方案,具有国内同类产品所无法比拟的优点。已在国内众多的大型电厂实际运行中得到验证,并被写入电力系统的设计规程。