發電機轉子過電壓保護裝置試驗方法探討

李大公，賀鷹

(1.湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007;2.大唐華銀株洲發電有限公司，湖南株洲 412000)

隨著我國電力建設的高速發展，發電機的單機容量不斷增大，進口原裝和組裝的勵磁裝置及附帶的發電機轉子滅磁及過電壓保護裝置 (跨接器)占有比率越來越高。作為發電機主保護的轉子過電壓保護裝置，一直是各發電集團和發電單位關注的重點〔1〕。為了保證發電機組轉子過電壓保護裝置的可靠工作，就必須有一種簡單、安全、可靠的跨接器檢測方法。

1 轉子過電壓保護裝置的工作原理

圖1為瑞士ABBUNITROL－5000型勵磁裝置中跨接器實物圖。

其基本電路及其原理是:1組正反向并聯的可控硅串聯1個放電電阻后再并聯在勵磁繞組兩端，當可控硅的觸發器電路檢測到轉子過電壓后，立即發出觸發脈沖使可控硅導通，利用放電電阻吸收過電壓能量〔3〕。跨接器可代替滅磁開關的滅磁常閉觸頭，實現無觸點能量釋放。所以它具有滅磁和轉子過電壓保護2個功能。

圖1 跨接器實物圖

1.1 跨接器的電路構成

以ABBUNITROL－5000型勵磁裝置中的跨接器為例，跨接器一般由F02和A02兩部分電路組成。F02由可控硅閥、電流傳感器構成，串聯滅磁電阻后跨接在轉子兩端，A02為跨接器過電壓測量觸發板。圖2為跨接器接線示意圖。

圖2 跨接器接線示意圖

1.2 跨接器的工作原理

在圖2中，F02為可控硅閥，包含3個可控硅，其中V2，V3用于滅磁和反向過電壓保護，V1用于轉子正向過電壓保護。T1為電流傳感器，當可控硅跨接器導通時，電流傳感器向調節器發出導通信號，由調節器進行相應邏輯處理。A02為跨接器過電壓測量觸發板，當A02檢測到轉子過壓后，立即發出觸發脈沖使可控硅導通，利用非線性電阻(一般過電壓放電電阻和滅磁電阻共用)吸收過電壓能量，圖3為實物圖。

圖3 跨接器測量觸發板實物圖

如前所說，跨接器具有滅磁和轉子過電壓保護2個功能:①接到跳閘令時發出觸發脈沖觸發跨接器可控硅V3接入滅磁電阻，該功能對應于原磁場斷路器的滅磁觸頭;②在轉子因某種原因出現過電壓時觸發相應的跨接器V1，V2可控硅，也是防止第一功能失敗的后備措施。

1.2.1 當需要滅磁時，勵磁調節器或保護裝置發出磁場斷路器跳閘指令，該指令作用于跨接器觸發回路，將滅磁可控硅V3的門極通接到轉子負極，隨后滅磁開關動作，將勵磁繞組中的電流轉移到跨接器回路中，由滅磁電阻消耗轉子能量。

如果不能啟動跨接器，磁場斷路器將首先開斷，產生弧壓，轉子電壓方向翻轉后加在觸發板壓敏器件BOD的兩端，BOD導通，將勵磁繞組中的電流迅速轉移到跨接器回路中。

1.2.2 由于轉子過壓分正向過壓和反向過壓，所以T1傳感器測量的電流也對應有2個方向。當轉子反向過壓或事故跳閘時，測量的電流方向為正;當正向過壓時測量的電流方向為負。該電流的方向影響到勵磁系統中2個保護的不同動作邏輯。

當機組運行時出現轉子反向過壓，過壓值大于BOD值時，A02觸發可控硅V2將碳化硅接入轉子，將轉子電壓限制為碳化硅兩端的電壓，同時霍爾傳感器T1檢測電流經過，該電流顯示值如果大于保護定值，系統發出“轉子過壓故障”信號，并跳開滅磁開關。

當機組出現滑極異步運行并造成轉子正向過壓，過壓值大于BOD動作值時，A02觸發可控硅V1將碳化硅接入轉子，將轉子電壓限制為碳化硅兩端的電壓。同時霍爾傳感器T1檢測電流經過，送出信號給調節器，進行相應的邏輯處理。

2 轉子過電壓保護裝置試驗方法

2.1 試驗目的及試驗條件

2.1.1 試驗目的:在發電機組定期檢修或相關事故調查中，通過試驗快速驗證發電機轉子過電壓保護裝置是否按邏輯要求動作以及實際測試出在過電壓情況下的保護動作值。

2.1.2 試驗條件:發電機停機，發電機轉子碳刷完全解開;滅磁開關已經跳開;相關回路的絕緣檢查合格;試驗使用的調壓器帶電流保護功能，調壓器、升壓變、具有相應的容量及滿足耐壓要求;試驗使用的轉子電壓錄波儀器具有相應的電壓記錄或錄波能力;其他相關安全措施已經落實。

2.2 試驗實例

以大唐金竹山電廠600 MW 3號發電機的轉子過電壓保護檢驗為例進行說明。勵磁系統采用瑞士ABBUNITROL－5000型勵磁裝置及其配套的跨接器，動作電壓定值都為2 600 V。

(1)試驗接線和試驗設備

①試驗接線

如圖4所示。在接線時將圖中跨接器從a，b兩端與外回路斷開;使用高壓錄波儀直接測量跨接器動作電壓，可直接從圖中A處接入錄波儀;若使用示波器 (表)則需經過分壓器從圖中B處接入示波器 (表);分壓器電阻Ry和Rx的比值一般取10 ∶1。

圖4 跨接器試驗接線

②試驗設備

圖中的調壓器為ST－2000現場標準電源 (帶可調過流保護的交流調壓電源);圖中的升壓變為升壓試驗變壓器，一般容量為6～10 kVA，變比為200 V/50 kV;升壓后經硅堆半波整流;可直接使用高壓錄波儀測量跨接器動作電壓波形。

(2)試驗方法以及試驗結果

①模擬直接跳滅磁開關條件下的跨接器動作

滅磁開關合上，緩慢升高調壓器電壓，錄波儀所顯示直流電壓值，直至400 V。在AVR上把控制方式切換到就地，由試驗人員在端子排上端節外部保護信號跳滅磁開關端子，模擬故障跳閘。波形如圖5所示。

圖5 直接跳滅磁開關

該試驗表明，在外部跳閘條件下，跨接器無條件導通。

②模擬出現轉子過電壓情況下的跨接器動作

跨接器動作電壓定值為2 600 V。由于跨接器由2組反并聯可控硅組成，可消除轉子正、反方向的過電壓，所以試驗可以有直流或交流電壓2種加壓方法。

a.加直流電壓模擬跨接器在轉子正、負電壓方向上的動作

首先硅堆輸出按轉子回路正極性正常連接。調壓器從0開始逐步升高電壓，監視錄波儀所顯示的電壓實時值，直至從波形上觀測到裝置動作。試驗所得如圖6所示。

圖6 金竹山電廠3號機直流作用下轉子正方向的跨接器動作波形

該試驗表明，由于硅堆的半波整流作用，直流電壓按轉子電壓正方向加于轉子回路。從波形圖可以看出，跨接器的動作電壓約為2 591.6 V。

然后硅堆輸出按轉子回路負極性正常連接。調壓器從0開始逐步升高電壓，監視錄波儀所顯示的電壓實時值，直至從波形上觀測到裝置動作。試驗所得如圖7所示。

圖7 金竹山電廠3號機直流作用下轉子負方向的跨接器動作波形

直流電壓按轉子電壓負方向加于轉子回路。從波形圖可以看出，跨接器的動作電壓約為2 578.2V。

b.加交流電壓模擬跨接器在轉子正、反方向同時動作

在升壓變出口撤除整流硅堆，使交流電壓同時作用于轉子回路正、反方向。逐步升高調壓器電壓，監視錄波儀顯示的電壓實時值，直至在錄波儀上觀察到裝置動作。試驗所得如圖8所示。

從波形圖可以看出，在交流電壓作用下，跨接器正、負方向元件都動作了，動作電壓約為±2 590 V。

圖8 金竹山電廠3號機交流作用下的跨接器動作波形

3 試驗注意事項

3.1 由于泄漏電流的存在，調壓器和升壓變要有足夠的容量。一般選擇6～10 kVA，且需帶過流保護。

3.2 要選擇正確的轉子電壓錄波檔位。

3.3 對于勵磁系統本體設備上安裝了轉子接地保護的裝置，在試驗前必須拔出保護裝置的保險。

3.4 模擬外部故障直接導通跨接器試驗時，試驗所加電壓必須按額定電壓值的大小施加。

3.5 現場監視所加電壓幅值不能采用普通的直流電壓表。普通直流表采用的是平均值的方法計算電壓數值，而實際的動作值為瞬時值，所以正確的做法是從錄波儀上讀取瞬時動作電壓。

4 結論

轉子過電壓保護裝置作為一種電氣保護裝置，有其老化特性以及使用壽命，對裝置進行定期的檢驗是確保裝置正常工作的前提。湖南電科院對湖南省大唐發電集團相關發電廠進行了技術幫扶以及應用推廣，實踐證明該方法不失為采用發電廠現有高壓試驗設備進行跨接器檢測的簡單實用、安全可靠的方法。

〔1〕李自淳，劉明行，夏維珞，等.百萬千瓦汽輪發電機滅磁兼過電壓保護研究〔J〕.大電機技術，2006，(4):56-59.

〔2〕蘇為民，史揚，王衛東，等.無開關滅磁實用技術〔J〕.中國電力，2008，41(12):36-38.

〔3〕孟凡超，吳龍.發電機勵磁技術問答及事故分析〔M〕.北京:中國電力出版社，2008.