勵磁調(diào)節(jié)器整流橋結(jié)構(gòu)配置可靠性分析

唐誠

(中科華核電技術(shù)研究院有限公司，深圳 518124)

勵磁調(diào)節(jié)器整流橋結(jié)構(gòu)配置可靠性分析

唐誠

(中科華核電技術(shù)研究院有限公司，深圳 518124)

針對不同冗余配置的勵磁調(diào)節(jié)器，提出可能存在單臂短路時故障擴大的風險，通過短路電流計算、可控硅導通特性和快速熔斷器特性分析，得出不同配置的勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)生該故障的幾率。

勵磁系統(tǒng);短路;整流橋;結(jié)構(gòu);可靠性

1 概述及問題

同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)在合理分配無功功率、提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性等方面起著十分重要的作用。勵磁調(diào)節(jié)器作為勵磁控制系統(tǒng)的控制核心，其工作穩(wěn)定性和可靠性對同步發(fā)電機乃至整個電力系統(tǒng)來說，都是十分重要的。可靠性也稱為勵磁調(diào)節(jié)器中最重要的指標，因此，國內(nèi)外對于大型發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器均采用雙重冗余設計。

對于無刷勵磁調(diào)節(jié)器來說，不同冗余配置大致可分為如下幾種:

(1)主備配置模式:以 ABB、ALSTOM、SIEMENS為代表，正常只有一個通道運行，另一個通道熱備用(整流橋處于冷備用狀態(tài))，當運行通道故障時自動切換到備用通道;

(2)調(diào)節(jié)器主備配置、整流橋并列運行:三菱和南瑞電控采用該模式，正常時只有一套調(diào)節(jié)卡件運行，另一套處于熱備用，整流橋并列運行。一個卡件故障時自動切換到相應備用卡件(或備用通道)。

不同冗余配置的勵磁調(diào)節(jié)器，在發(fā)生整流橋單臂短路時故障，因快速熔斷器錯誤熔斷而造成故障擴大的風險也不同［1］。本文將從硬件冗余配置角度，對該故障模式下發(fā)生故障擴大風險進行分析。

2 故障模式分析

2.1 多橋并聯(lián)運行時單橋短路故障擴大［1］

圖1 雙橋并聯(lián)運行時短路故障擴大風險示意圖

兩個可控硅整流橋并列運行的電路圖如圖1所示，假定A、B兩個橋并聯(lián)運行且A橋C+臂的晶閘管發(fā)生短路故障，下一個應該被觸發(fā)導通的臂是A+，則當2個橋的A+被導通時，A、C相短路。故障的A橋C+臂流過全部的Icc，故障相的短路電流由A、B兩個柜的A+支臂供給，這樣，B柜正常A+支臂的加熱功率約為故障C+臂的1/4，可能已超過熔斷器的熔斷安秒極限，有可能與故障C+臂的熔斷器一起熔斷，監(jiān)視邏輯得到報警后，將按照規(guī)定邏輯閉鎖所有發(fā)出熔斷器熔斷信號的整流橋的觸發(fā)脈沖，勵磁跳閘，冗余失敗。

同理，對于三橋并聯(lián)運行時某橋一臂出現(xiàn)擊穿短路故障是，故障支臂的短路電流由三個整流橋共同提供，這時，正常支臂流過的電流為1/3I cc，其加熱功率只有故障支臂的1/9，熔斷器熔斷幾率較小。

2.2 雙橋主備運行時單橋短路故障擴大

假設運行整流橋C+臂出現(xiàn)短路故障，在下一個觸發(fā)脈沖發(fā)生后，運行整流橋的A+臂將和C+臂形成相間短路，如圖2中①所示。

圖2 雙橋主備運行時短路故障擴大風險示意圖

正常時，該短路電流將足以使兩只通過短路電流的支臂熔斷器快速熔斷來切除故障(如圖2中Fa和Fc)。但實際上，也可能發(fā)生只熔斷一只熔斷器的情況，這種概率是存在的。如果圖2中熔斷器Fa熔斷，而Fc沒有熔斷，則短路故障依然存在。在整流橋切換后，備用橋?qū)ㄖП叟c故障橋短路支臂間將流過相間短路電流，如圖2中②所示。這樣就有可能導致備用橋相應短路支臂熔斷器熔斷，從而導致雙橋退出乃至跳機。

對于上述微機勵磁調(diào)節(jié)器來說，不管其整流通道是并列運行還是主備運行方式，均存在單整流橋短路時引起相鄰整流器或備用整流橋同時故障的可能。

3 理論計算與分析

3.1 三相整流橋一臂擊穿時短路電流

如圖3(a)，設正當?shù)?管向第1管換流時，第5管被擊穿(永久性導通)。取這時wt=0，各相電勢波形及各管導通情況如圖，下面分兩個階段討論短路電流計算[2]。

圖3 一臂擊穿短路電流計算

式中:E為相電勢有效值。

A為積分常數(shù)，由初始條件決定。

設橋臂擊穿是在橋空載情況下發(fā)生，即當t=0，i=0，由此初始條件可求出A，即

Im2為兩相短路電流周期分量的幅值。

2.2 快速熔斷器選擇及保護功能分析

在分析可控硅故障過程中，必須分析可控硅的熔斷器。在選擇與可控硅元件串聯(lián)的快速熔斷器時，主要考慮快熔的額定電壓和額定電流，其額定電流經(jīng)驗選擇公式如下［3］:

式中:Kri取值1.25～1.54;Id為可控硅整流柜額定輸出電流。

同時穩(wěn)態(tài)短路電流計算，副勵磁機的三相穩(wěn)態(tài)短路電流約為交流側(cè)額定線電流的1.55倍，即I(3)m=1.55Il，聯(lián)合2.1節(jié)中最后一式，則，可控硅一臂短路時沖擊電流約為:

由上述對比可知，可控硅一臂短路時各相沖擊電流都大于快速熔斷器的額定電流，如果兩個整流橋并列運行，則B相的沖擊電流均分在并列的兩個支路上，約1.55Il，已經(jīng)超過了熔斷器的額定電流。實際上，由于兩個整流橋的導通特性存在差異，可能某個整流橋的A+臂電流更大，這也可能加劇了1.1節(jié)中故障模式的發(fā)生。但是，快速熔斷器的重要指標為I2t，文獻［1］及前文分析則中在分析熔斷器可能通過的短路電流，而忽視了熔斷器所在可控硅支臂上的導通時間。尤其是對于中頻勵磁電源而言，其交流電源周期更短，考慮每個支臂的導通時間，其結(jié)果還未知。以某核電站400Hz勵磁電源為例，結(jié)合圖1中的故障模式進行分析。當整流橋單一支臂短路故障并下一個導通階段時，兩個橋的B+臂分別流過1.55Il的短路電流，由于交流勵磁電源的周波為2.5ms，正常運行時每個支臂的其最大導通周期也只有0.8333ms，下一個脈沖到來時A+臂的晶閘管即被反向電壓關(guān)斷，B+臂導通，A+臂晶閘管在1.6667 ms才會重新導通。而快速熔斷器的熔斷時間約幾毫秒，由I2t可知，短路的C+支臂一直流過短路電流，其快速熔斷器熱積累效應明顯，而A+臂或B+臂重復再經(jīng)歷導通、關(guān)斷的脈沖周期，電流倍數(shù)小且導通時間短(小于0.8333ms)，因此，結(jié)合電流和導通時間這兩個關(guān)鍵因素考慮，非故障相支臂的熱功率實際只有故障支臂熱功率的1/12，甚至更小，相應支臂的快速熔斷器熔斷幾率極低。針對這種情況，有的廠家也充分考慮措施，如ABB公司采用“fire all command(全觸發(fā))”來確保至少故障晶閘管的保險絲被燒斷，一旦轉(zhuǎn)換到備用整流器，故障晶閘管橋?qū)⒈环怄i。

同樣的，對于單通道熱備用的通道配置模式，如圖2，當單臂擊穿短路在下一個脈沖形成兩相短路時，兩個支臂的電流相等，故障支臂的快熔熱積累時間比非故障相大，非故障支臂的熱功率約為故障支臂的1/4，存在一定的熔斷幾率。如果采用三個整流橋并聯(lián)運行方式，則B相的沖擊電流由三個并聯(lián)橋的B+臂均分，約0.03Il，小于熔斷器的額定電流，且非故障相導通時間短，發(fā)生單橋一臂短路故障擴大的風險基本不會發(fā)生。

3 結(jié)論

從上述分析可知，雙橋并聯(lián)運行模式中，某橋發(fā)生一臂短路故障時，非故障相支臂熔斷器熔斷幾率極低，故障支臂的熔斷器能夠正確切除故障。雙橋主備運行模式中，某橋發(fā)生一臂短路故障時，非故障相支臂的熔斷器存在一定的熔斷幾率。而三橋并聯(lián)運行模式中，基本不會發(fā)生非正常熔斷風險。

［1］ 李基成．現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計及應用［M］．中國電力出版社，2009．

［2］ 樊俊，等．同步發(fā)電機半導體勵磁原理及應用［M］．水利電力出版社，1980．

［3］ 楊秀杰．可控硅整流器的快速熔斷器保護［J］．大電機技術(shù)，2002(61)．

［4］ 陳濟東，等．大亞灣核電站系統(tǒng)及運行［M］．原子能出版社，1994．

Reliability analysis of AVR Structure Configuration for Large Capacity Generator w ith Brushless Excitation

TANGCheng
(China Nuclear Power Technology Research Institute Co．，Ltd，Shenzhen 518124，China)

This paper introduces kinds of regulator with different redundant configuration，and presents the risk of AVR fully fault down if there is short circuit in one of the rectifier bridges．After calculating the Short－ circuit current aswell as analyzing the characteristic of bridge and fast fuse，the fault possibility of AVRswith different configuration are presented in this paper．

excitation system;short circuit;rectifier bridge;structure;reliability

TM76

B

1004－289X(2013)05－0076－04

2013－08－01