一种发电机转子过电压保护装置检测方法

刘玉林，朱红伟，顾建嵘

(南京国电南自维美德自动化有限公司，南京 210032)

0 引言

发电机转子过电压保护装置的主要作用是防止发电机运行过程中产生的过电压尖峰对转子绕组及相关回路造成危害，一般由吸能电阻(常见非线性电阻，如氧化锌ZnO等)、触发器、可控硅等部分组成。

目前，大中型同步发电机多采用可控硅静止励磁的方式，发电机运行时，由于可控硅整流换相、发电机机端短路、发电机失磁异步等原因，转子回路中会产生相当高的过电压，若不采取适当措施抑制这些过电压，极有可能击穿发电机励磁绕组或可控硅整流桥，从而造成发电机事故停机及大的经济损失[1]，因此，转子过电压保护的重要性就凸显出来。工程实际应用中，为了保证发电机转子过电压保护装置可靠工作，需要有一种操作简单、安全可靠的试验方法，对其工作性能进行定期检查。

1 转子过电压保护装置原理

本文以华电集团某150 MW机组发电机励磁工程为例，该工程励磁系统采用的发电机转子过电压保护装置由合肥科聚电气有限公司生产，额定励磁电压为269 V，额定励磁电流为1 689 A，该工程采用了碳化硅(SiC)灭磁电阻配合可控硅跨接器的灭磁方式。发电机转子过电压保护装置包括位于灭磁开关两侧的转子侧过电压保护和整流侧过电压保护(如图1中虚线框内所示)：转子侧过电压保护(L01～L02)，型号GB02-0.12/1.6，能容量为0.12 MJ，整定动作值为1 600 V；整流侧过电压保护(L03～L02)，型号GB02-0.12/1.8，能容量为0.12 MJ，整定动作值为1 800 V。图1中：SCR表示励磁系统功率柜整流部分，阳极电压为560 V；QF表示灭磁开关；GR表示发电机转子；GS表示发电机定子。

图1 转子过电压保护装置原理

以转子侧过电压保护(L01～L02)为例，正反向并联的可控硅V1和二极管V2串联1组吸能电阻(氧化锌电阻RV1配特种熔断器F1)和1只电流互感器CT1后再并联在转子两端。保护的正向过电压(L01→L02)用可控硅V1控制，保护的反向过电压(L02→L01)控制取决于二极管V2，保证对正向电压是封堵的。

正常运行时，转子电压低于正向过电压整定值，触发器TR1不动作，可控硅V1处于开路状态；当转子正向过电压大于过电压整定值(1 600 V)时，触发器TR1动作，可控硅V1导通，非线性电阻RV1并接入转子回路，吸收能量，限制转子的过电压，保护转子不受损害。当转子出现反向过电压时，通过二极管V2使非线性电阻RV1并接人转子回路，将转子反向过电压限制在允许范围内[2]。

电流互感器CT1用于监测过电压保护回路中的电流，其输出端接一只过电压动作指示继电器，用于检测该过电压保护回路的动作情况，对外发出过电压告警信号。

2 常规的出厂试验方法

在出厂试验中，为了验证转子过电压保护装置的动作性能，根据标准一般采用如下的试验方法(以转子侧过电压保护(L01～L02)为例)：断开外部回路，串接限流电阻(取200～1 000 Ω)，利用专用的可调式升压变压器模拟发电机转子的转子正反向过电压(取三相升压变压器中的两相，380 V/1 600 V)，缓慢增加升压变压器输出电压。当施加的电压到达转子过电压保护装置动作值后，触发器TR1动作触发可控硅V1，利用示波器观察过电压保护装置(L01，L02)两端电压波形的变化情况。

当发现正弦波电压波峰被削平、正向或反向平顶峰值电压不再随电源电压升高而有明显变化时，表明正向或反向过电压保护已经动作限压，记录波形，读取动作电压值[3]。

触发器动作后，正向(L01→L02)正半波的正弦电压会有明显的下拉，证明此时过电压保护装置中的触发器TR1动作控制可控硅V1导通，氧化锌电阻RV1起到了钳制转子两端过电压的作用；反向(L02→L01)负半波的正弦电压因为二极管V2直接接入氧化锌电阻RV1的限制而呈现出削峰，通过观察波形的变化和计算所记录的动作幅值，可验证该转子过电压保护装置的工作性能是否正常。常规的出厂试验示意图如图2所示，试验波形如图3所示。

图2 常规的出厂试验示意

图3 常规试验波形

根据试验结果计算可得，示波器上观测到的分压电阻正向过电压动作值为40.0 V，分压电阻变比为41.17，则实际动作值=40.0×41.17=1 646.8 (V)，与设计值1 600.0 V的误差为2.93%，满足标准规定的动作分散性不大于±10%的要求[4]。

此外，氧化锌电阻RV1非线性电阻试验可用测试仪逐支路测试元件压敏电压U10 mA，然后再测试0.5U10 mA直流电压下的泄漏电流，其泄漏电流值应小于100 μA。电流互感器CT1和配套的过电压动作继电器采用继电保护测试仪施加交流电流的方法检测其工作性能，在此不再赘述。

3 现场的替代试验方法

在工程现场交接试验以及定期的检修中，往往缺少升压变压器等专用高压设备，对于转子过电压保护装置的动作值等部分功能仅依靠厂家的试验报告验证。在DL/T 489—2006《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程》和 DL/T 419—2008《大中型水轮发电机自并励励磁系统及装置运行和检修规程》的相关条款中，对转子过电压保护装置的测试都有具体要求。

如果有一种替代的试验方法，能利用现有的低压设备正确测试出转子过电压保护装置的实际动作值，定期检查，确保该保护功能的正确投入，进而保证发电机组的可靠运行，对现场电气检修调试工作是有实际应用意义的。

通过对该型转子过电压保护装置的深入研究，发现电阻R1和触发器TR1的端子1，2串联在转子两端，而电阻R1起到了分压电阻的作用。如果能单独标定触发器TR1的动作电压，再根据电阻R1和触发器TR1端子1，2之间的等效阻值(R12)，则可以反推出该转子过电压保护装置的实际动作值。

本文提出一种替代试验的方法，所准备的仪器包括单相调压变压器(0～220 V，50 Hz)、示波器和限流电阻(200 Ω左右)。采用如下试验方法(以转子侧过电压保护(L01～L02)为例)：外部串接限流电阻，短接分压电阻R1，短接氧化锌电阻RV1和熔断器F1；利用单相调压器模拟施加到触发器TR1的端子1，2上的发电机转子的转子正反向过电压，缓慢增加调压器输出电压，当施加的正向电压到达触发器TR1动作值后，触发器TR1动作触发可控硅V1，利用示波器观察L01，L02两端电压波形的变化情况；触发器动作后，正向(L01→L02)正半波的正弦电压会有明显的下拉，反向(L02→L01)负半波的正弦电压因为二极管V2的作用而基本一直为0，证明此时过电压保护装置中的触发器TR1动作控制可控硅V1导通，二极管V2单向导通正常，记录此时触发器TR1的动作值，即可反推出该型转子过电压保护装置的实际动作值。替代试验示意图如图4所示，替代试验波形如图5所示。

根据试验结果计算可得，示波器上观测到的触发器正向电压动作值为39.2 V，电阻R1阻值为4 200 Ω，R12阻值为102 Ω，则实际动作值=39.2×(4 200+102)/102=1 653.3 (V)，与设计值1 600.0 V的误差为3.33%。该方法和常规的出厂试验方法计算结果相比，差值=1 653.3-1 646.8=6.5 (V)，误差为0.4%，考虑实际测量和仪器的误差等因素，该方法所计算出的结果和常规的出厂试验方法所得结果完全一致。

图4 替代试验示意

图5 替代试验波形

4 结束语

本文提出了一种转子过电压保护装置的检测方法，区别于常规的试验方法，利用间接测试的手段验证了转子过电压保护装置的功能，并能标定实际动作值，与常规方法相比，结果一致。该方法操作简单，试验过程中不涉及高电压，无需额外的高压升压设备，安全经济。现场人员在投运和定期的检修维护过程中，可根据现场实际情况采用该方法进行试验，作为对发电机转子过电压保护装置的一种快速、可靠的检测方法，保证发电机组的可靠运行。

[1]高雄清，赵月起，胡海燕，等.新型过压保护触发器在发动机励磁中的应用[J].四川水力发电,2013，32(5):119-120.

[2]李毅.转子过电压保护装置试验设备的研制与应用[J].四川水力发电,2013,32(3):184-186.

[3]竺士章.发电机励磁系统试验[M].北京:中国电力出版社,2005.

[4]大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件:DL/T 583—2006[S].