转子过电压保护的有关问题分析

2013-07-11李大公熊尚峰洪权李辉吴晋波

湖南电力 2013年2期

李大公，熊尚峰，洪权，李辉，吴晋波

(湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙410007)

1 转子过电压保护原理

该保护的主要原理是过压感应板检测到过电压后导通与非线性灭磁电阻串联的可控硅，将非线性灭磁电阻并联接入转子两端。利用非线性灭磁电阻的伏安特性来钳制转子电压。目前常用的转子过压保护分为单向型和双向型，基本原理一致，本文以南瑞电控公司和ABB 公司生产的转子过电压保护为例，说明转子过电压原理。

图1 是南瑞电控公司的灭磁及过压保护原理图，60FR 为主灭磁电阻，安装在转子侧(以灭磁开关断口为分界点)，61FR 为辅助灭磁电阻，安装在可控硅侧。60FR 和61FR 均为氧化锌非线性电阻。CF2(CF1)为转子过压感应板。当转子正向过压大于定值时，CF2(CF1)动作导通可控硅60SCR(61SCR)，60CT(61CT)流过电流时发出转子过压动作信号。当转子电压反向时，通过60D(61D)将非线性电阻接入转子两端。图1 中与60FR 串联的开关接点是灭磁开关辅助接点。因图1 中只有单向触发回路，因此称为单向型保护。

图2 为ABB 公司的灭磁及过压保护原理图〔2〕。V1 和V2 分别为正向和反向可控硅，A02 为转子过压感应板，R02 为非线性灭磁电阻。K1，K2，K3分别接入不同的跳闸信号(保护动作、灭磁开关跳闸、励磁调节器故障)，在跳闸信号动作时导通V1，V2，将非线性电阻接入转子两端。正常运行时，如果出现超过A02 板定值的过电压时，A02板将导通V1 或V2，使非线性电阻接入转子两端。因图2 中转子双向均有触发回路，因此称为双向型保护。

图1 南瑞电控灭磁及过压保护原理图

图2 ABB 灭磁及过压保护原理图

单向型保护主要考虑正常运行时转子不应出现反向电压，因此转子出现反向电压时直接通过二极管将非线性电阻接入转子两端，成本较低。但如果励磁调节时的换相电压峰值经常超过非线性电阻的U10mA电压，那么建议采用双向型转子过压保护。因为此时在正常运行或逆变灭磁时，都会使非线性电阻的荷载率大大提高，非线性电阻将提前老化。

转子过电压感应板的主要核心元件是BOD 管，英文全称是Breakover Diode，中文名是折返二极管。目前只有国外少量厂家在生产。图3 为BOD伏安特性曲线。

图3 BOD 伏安特性曲线

当施加在BOD 管的阳极与阴极之间的电压差值达到其本身的转折电压(VBO)时，该管导通，能够通过很大的尖峰脉冲电流;而当通过的电流减小到低于其维持电流时，则自动阻断。BOD 管的型号规格众多，从600 V(有的厂家可低至400 V)到2 500 V，每100 V 分成一种规格，每种规格的动作误差范围保持在±50 V;而2 600 V 以上，则每200 V 分成一个规格，每种规格的动作误差范围保持在±100 V。可以说，BOD 管的覆盖范围比较广，可以满足不同等级、不同参数机组的需要。

图1 中CF 板的电路及其元器件封装资料如图4 所示。

图4 CF 板电路图

图4 中元器件封装资料如表1。

表1 过电压感应板元器件列表

假设CF 板端口3 接可控硅的门极，1 接转子“+”，4 接转子“－”。

BOD 导通时，门极电压为:

BOD 阻断时，门极电压为:

因过压整定值一般不超过3 000 V，U34的电压远远低于可控硅的触发电压(一般为2 V 左右)。

ABB 生产的转子过电压保护板原理与CF 板类似，在此不再赘述。

2 整定原则

转子过电压保护的整定，除了要考虑过电压感应板的定值外，还要考虑非线性电阻的U10mA电压的选择。

以250 MW 的水轮机组为例，额定转子电压为389 V，励磁变二次额定电压为780 V，额定转子电流为1 693A，强励倍数为2。

2.1 过电压感应板定值

过电压感应板定值应高于最大整流电压的峰值，同时还应高于灭磁装置正常动作时产生的过电压值;应低于可控硅整流桥的最大允许电压，应与转子可耐受电压相匹配且不得超过出厂试验时励磁绕组对地试验电压幅值的70%。过电压感应板定值应高于正常运行时产生的最高换相电压，按运行经验，取励磁变二次电压U2n的2.5 倍〔3〕。

同时按照GB/T7409.3—2007 中5.23 项的规定〔4〕，该定值不得超过出厂试验时励磁绕组交流对地试验电压幅值的70%。

取过电压感应板定值为3 000 V。

2.2 灭磁电阻U10 mA 电压

对于非线性电阻，2 个重要的技术参数:

U10mA——非线性电阻流过10 mA 电流所对应的电压;

U残压——非线性电阻流过100 A 电流所对应的电压。

一般来说，U残压与U10mA的比值为1.5。

根据电力行业标准DL/T583—2006 中4.2.14项的规定〔5〕，在灭磁过程中，励磁绕组反向电压一般不低于出厂试验时励磁绕组对地试验电压幅值的30%，不高于50%。则非线性电阻的残压选择范围为:

即U10mA电压的范围为1 100～1 833 V。

为确保灭磁开关分断时磁场能量顺利转移，非线性电阻残压的选择宜低不宜高，取U10mA=1 300 V。

3 试验方法

过电压保护定值一般在机组投运前需要进行检查，机组投运年限较长后也应检查。图5 为对图1所示转子过压保护进行检测的试验接线图。

图5 转子过压保护试验接线图

试验时将CF 板和非线性电阻与其他元件隔离，将与可控硅反并联的60D 二极管断开接线，按U10mA=1 300 V，计算限流电阻阻值。

为使触发板中的其他电阻不过流，取R22电阻最大电流为回路电流，非线性电阻的残压为1300×1.5=1950(V)，此时回路电阻R=U/I=1950/0.23=8478(Ω)，因此试验中限流电阻选取8.5 kΩ。

试验中可控硅的关断应该是在过压发生之后转子侧电压降低、非线性电阻阻断、流经可控硅的电流急剧下降而使得可控硅被关断。由于试验过程中所加高压采用交流正弦信号，电压过零点时，BOD触发板电压很低，此时的电流不足以维持BOD 导通，因此，试验中的BOD 在电压“过零点”自然阻断。但应注意试验中过压时间不要持续太长。计算试验动作值时应注意取交流电压的峰值。

还有一个简便的试验方法可以直接对过压感应板进行检测。用电子式绝缘检测表对过压感应板进行加压，因绝缘检测表允许输出电流很小，不会对过压感应板造成损害。此时电子式绝缘检测表的输出电压就是过压感应板的动作值。

4 故障分析

运行经验表明转子过电压保护的故障率较低，但也曾经出现过一些危害机组安全的故障。

4.1 干扰信号引起转子过电压保护误动

投运2 台250 MW 水电机组4年后，发现氧化锌灭磁电阻特性与投产时相比变化较大，已不满足相关标准要求的能容，且转子过压经常发动作信号。经过仔细检查和长时间试运，最终确定转子过电压保护误动原因为干扰信号引起，将转子过压保护中的可控硅门极连线由普通线芯改为双绞线，故障消失。

4.2 机端空载误强励引起转子过电压保护中的感应板烧损

150MW 的水电机组，在运行中因水机故障，带90 MW 有功跳闸。跳闸后运行人员发现转子过压感应板烧损。通过检查，发现机组跳闸时，跳闸方式为逆变不跳灭磁开关，励磁调节器处于定角度(逆变角为150°)运行状态。此时机组超速，最高频率超过70 Hz。因该励磁调节器的触发脉冲输出为固定频率(50 Hz)输出方式，在机组频率变化时，实际触发角度已发生变化，从150°逐渐变化到强励区，导致机组发生误强励，引起定子和转子过压。因转子过压时间持续超过5 s，最终导致转子过压感应板烧损。