西霞院电站励磁系统灭磁原理及过电压保护研究

崔培磊 王嘉雨 王帅琦 王志刚 洪羽

（黄河水利水电开发总公司，河南 郑州 450000）

西霞院电站励磁系统灭磁原理及过电压保护研究

崔培磊 王嘉雨 王帅琦 王志刚 洪羽

（黄河水利水电开发总公司，河南 郑州 450000）

本文详细介绍西霞院电站励磁系统过压保护配置，灭磁装置的组成，描述事故停机时过压保护与灭磁装置配合的工作过程。

水轮发电机组；励磁系统，过电压保护；灭磁装置

西霞院水电站是小浪底水利枢纽的配套工程，位于小浪底水电站下游约16km处，下距郑州116km。水电站为河床式厂房，最大高度为51.5m，装设4台单机容量为35MW的轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量140MW，多年平均发电量5.83亿kW·h。最大水头14.35m，最低水头5.83m，额定水头11.5m，电站保证出力45.6MW。2007年底4台发电机全部投入运行。

随着我国电力事业不断发展，发电机安全稳定运行越来越被重视，而发电机励磁系统稳定运行是其关键。当发电机发生故障事故停机时，发变组保护能将发电机快速从系统中隔离开来，但发电机高速转动惯性仍然存在，储藏在转子绕组中的磁场不能迅速消失。励磁电流突变会在转子绕组中形成暂态过电压。因此，发生事故停机后，应在短时间内将机组转子绕组的磁场能减至最低，这就是发电机灭磁。

励磁系统过电压保护是确保发电机转子和整流桥避免引起过电压的重要回路。当发电机在甩负荷时电压上升过高，过电压保护动作，通过灭磁装置灭磁，保护机组免受过电压危害。近年来，随着发电机容量不断增大，对灭磁及过压保护的要求也逐渐提高。因此，发电机灭磁［1］及过压保护也得到了快速发展，种类、形式也相对较多。目前，较常用的灭磁方式有逆变灭磁、灭磁开关灭磁、压敏电阻灭磁等；过压保护按吸收元件分阻容保护、压敏电阻保护和硒堆保护等形式。

西霞院电厂励磁系统过电压保护组成主要包括：阻容吸收过电压保护、两套独立的受触发器控制的氧化锌压敏电阻过电压保护以及三角形连接非线性压敏电阻过电压保护组成。阻容吸收过电压保护、三角形连接非线性压敏电阻过电压保护主要用于吸收励磁系统整流桥换相引起的交流侧尖峰电压；位于直流侧两套独立的受触发器控制的氧化锌压敏电阻过电压保护，主要用于保护转子过电压［2］和灭磁。灭磁方式采用逆变灭磁、灭磁开关灭磁、压敏电阻灭磁多种形式相结合的方法，机组正常停机时由调节器控制三相全控桥式整流电路逆变灭磁，在事故停机时由灭磁开关和压敏电阻配合灭磁。以下对西霞院电厂励磁系统灭磁及过电压保护原理进行介绍。

1 阻容吸收过电压保护回路（GRC）和三角形连接非线性压敏电阻过电压保护回路（RY01-03）

阻容吸收过电压保护回路（GRC）和三角形连接非线性压敏电阻过电压保护回路（RY01-03）组成了励磁系统的过电压保护（如图1所示）。GRC回路在低电压下工作，减少小电流对设备的影响；非线性压敏电阻（氧化锌产品）耐压能力较强，可以直接吸收大电流，减小其对设备的冲击。

图1 GRC和RY01-03过压保护原理图

1.1 GRC工作原理

如图1所示，GRC回路工作为三相全控整流桥，其在换相过程中会产生暂态短路电流，引发交流回路上电感元件过电压，因此GRC整流回路需要集成额外的阻容吸收元件。

集成阻容吸收元件工作原理：整流换相时产生的暂态短路电流，通过二极管D1至D6，被电容C3吸收，使回路得到缓冲，从而不会在LB侧次级绕组产生过电压。换相结束，C3吸收的电能流向电阻R3并被消耗掉。电容C3、电阻R3为主要阻容吸收元件，图中的C1-R1与C2-R2为两组辅助阻容吸收元件。主阻容吸收元件主要吸收换相最大短路电流能量，辅助阻容吸收元件主要吸收励磁绕组其他原因引起的短路电流。

1.2 阻容回路设计原理

二极管D1至D6作用：①使电容吸收电能流向阻容吸收元件，避免短路电流影响整流电路；②防止回路中电感与阻容吸收器电容产生振荡；③三相回路可同时使用一个可靠电容，达到节约资源的目的。

通过计算和试验，将GRC回路各元件参数设置如表1所示，能达到最优的吸收短路电流效果。

表1 GRC回路设备参数

1.3 氧化锌压敏电阻过电压保护回路

氧化锌压敏电阻过电压保护回路，见图1中RY01-03部分。励磁回路交流侧氧化锌压敏电阻过电压保护回路采用压敏电阻三角形接线方式，主要用于吸收大能量的过电压。如同期并网断路器合闸瞬时产生过电压、机组甩负荷过电压、线路被雷击过电压等。

励磁系统过电压，可能是机组在实际运行遇到如下情况：①发电机出口开关在同期不完全情况下并网，或发变组保护动作突然跳闸甩负荷，定子电流大幅变化，与发电机转子绕组产生感应，导致励磁系统过电压；②发电机出线出现相间短路、接地或遇到被雷击时，发变组保护动作，同样会造成机组甩负荷导致励磁过电压；③当发电机三相电流不对称时，发电机定子会产生负序电流，产生一个与定子磁场反方向的负序磁场，转子则以两倍的转速切割磁场，导致转子发热、振动加剧，也会使励磁系统过电压。

所述情况均为机组非正常运行或遇突发故障，这样只会导致励磁系统短时间过电压，氧化锌压敏电阻正适合这种短时电压突变情况，在瞬时电流突变情况下，氧化锌非线性伏安特性，使励磁系统电压不会过高，阻断大电流冲击特性良好；短时间电流突变情况消失后，氧化锌压敏电阻过流能力迅速下降，直至保护中连接器的可控硅关断为止。

图2 过电压保护回路二次图

如过电压保护原理如图2所示，在直流侧设置了两套氧化锌压敏电阻，61支路、62支路均为受触发器控制的氧化锌压敏电阻过电压保护回路；转子运行中也会产生反向过电压故障，这时在三相桥式SCR可控硅整流电路侧并联一个单向导通的二极管，可以避免这一故障。励磁系统正常运行时SCR回路不导通，正向励磁电压被SCR阻隔，反方向虽然有二极管D导通，但励磁电压反向电压峰值较低，所以氧化锌压敏电阻FR长时间运行在低压状态下，荷电率很低，可保证其长期工作寿命，不易老化。正向过电压冲击时，通过分压电阻R使触发器CF动作，输出触发脉冲使SCR触发导通，FR的过流能力下降至接近0，远小于维持SCR导通状态的数值，SCR自行关闭，氧化锌压敏电阻回路复归关断。二极管60D导通限制反向过电压，过电压现象结束后恢复关断状态。通过调整R的阻值来设定正向过电压保护过压值。设计时，可将灭磁开关两侧的正向过压保护过压值设置为相同，这样在灭磁开关合闸期间，过电压保护速度就会大大提高。

2 灭磁原理

机组正常停机时，在跳开机组出口开关前，随着降负荷过程励磁调节器将励磁电流调整至降低范围，当机组出口开关跳闸后，励磁调节器控制三相全控整流桥进入逆变状态，转子回路中剩余磁通经过三相全控整流桥返回交流侧而被消耗掉。在这个灭磁过程中，灭磁开关并不用跳开，整流桥控制原理如图3所示。

当机组因事故停机时，灭磁开关会在保护动作下跳闸。灭磁开关断开后，转子内仍存在大量的磁通，一部分磁通能量在带有灭弧功能的灭磁开关断开时消耗，剩余部分通过氧化锌压敏电阻消耗。灭磁过程如图2所示，当灭磁开关FMK跳闸后，60D导通，转子内剩余磁场能量经过多对电阻及非线性电阻被消耗掉。

3 结语

西霞院水电厂各机组励磁系统自2007年投产以来至今未发生重大故障，运行可靠、稳定，充分证明了这套过电压保护装置的实用性，使其成为同类机组设计、技改的范例。

图3 整流桥逆变状态控制原理

［1］ 许其品.大型发电机组合灭磁方式［J］.电力系统自动化，2007（15）：70-73.

［2］ 胡新军.300WM发电机转子过电压保护回路的改进及分析［J］.华中电力，2014（5）：32-33.

Study on Demagnetization Principle and Overvoltage Protection of Excitation System in Xixiayuan Power Station

Cui PeileiWang JiayuWang ShuaiqiWang ZhigangHong Yu
（The Yellow River Water Conservancy and Hydropower Development Corporation，Zhengzhou Henan 450000）

This paper introduced the structure and working principle of over voltage protection and demagne⁃tization device power station excitation system of Xixiayuan,summarized the operation over voltage protec⁃tion and deexcitation device of the excitation system.

turbine generator；excitation system；demagnetization；overvoltage protection

TM862

A

1003-5168（2017）11-0136-03

2017-09-03

崔培磊（1987-），男，本科，工程师，研究方向：水电站经济运行和水库联合调度；王嘉雨（1986-），男，硕士，工程师，研究方向：水电站运行管理及维护。