一起轉子過壓觸發板燒壞分析及回路優化

郭鴿文（重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶武隆408506）

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一起轉子過壓觸發板燒壞分析及回路優化

郭鴿文
（重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶武隆408506）

轉子是同步發電機的重要組成部分，轉子上有勵磁繞組，在通入勵磁電流后，轉子在原動力的作用下旋轉產生交變的磁場，定子的三相繞組依次切割磁力線感應出大小相等、相差120°電角度的交流電動勢。鑒于轉子的重要性，對發電機轉子進行保護就顯得特別重要，而對轉子傷害最大的就是轉子過電壓，過電壓將轉子絕緣擊穿而造成轉子短路。因此必須對轉子設計可靠的過電壓保護回路。

摘要：對銀盤水電站1號機組轉子過壓觸發板燒壞進行了分析并對轉子過壓檢測回路進行了優化。

關鍵詞：轉子；過電壓；過壓觸發板；燒壞；優化

1銀盤水電站勵磁系統及轉子過壓保護回路介紹

1.1勵磁系統簡介

銀盤水電站機組勵磁系統采用自并勵靜止全控可控硅勵磁，勵磁調節器由相互獨立的A、B套構成，具有雙向跟蹤、無擾動切換功能。正常停機時采用逆變滅磁，機組事故時跳滅磁開關投入滅磁電阻滅磁。系統參數如表1：

表1　勵磁系統參數表

1.2轉子過壓保護回路簡介

銀盤水電站轉子過壓保護回路分為交流側過壓保護回路和直流側過壓保護回路（見圖1）。交流側過壓保護回路由電阻和電容組成，主要是吸收電網的尖峰過電壓，以保證可控硅整流后不出現過電壓；直流側過壓保護回路由電流互感器（60CT）、轉子過壓觸發板（BOD）、晶閘管（60SCR）、二極管（60D1和60D2）及氧化性非線性電阻（60FR）組成。當轉子正向過電壓大于轉子過壓觸發板定值（1 600 V）時，轉子過壓觸發板發出控制脈沖使晶閘管（60SCR）導通而投入氧化性非線性電阻（60FR）消除轉子過電壓，導通的同時電流互感器二次繞組感應出電流報轉子過電壓動作報警，提醒運行人員；當正常運行過程中，滅磁開關跳閘，轉子兩端將感應出一個反向過電壓，當反向過電壓大于滅磁電壓（1 000 V）時，氧化性非線性電阻（60FR）導通，反向過電壓通過二極管（60D1和60D2）和氧化性非線性電阻（60FR）而被消除。

圖1　銀盤水電站轉子直流側過壓保護回路

2銀盤水電站1號機組轉子過壓觸發板燒壞

2.1事故概述

銀盤水電站1號水輪發電機組（150 MW）在投運前帶90 MW負荷調試時，因水機保護誤動造成發電機出口開關跳閘同時計算機監控系統向勵磁系統發逆變滅磁命令。此時因機組瞬間甩90 MW負荷，機組轉速升高，通過記錄查看最高轉速已超過120 %額定轉速。在發電機出口開關跳閘6 s后機端電壓已小于20 %額定電壓。但9 s后發電機勵磁系統報發電機轉子過電壓動作告警，11 s后計算機監控系統顯示機端電壓超過90 %額定電壓，此過程中造成勵磁系統轉子過電壓保護觸發板燒損。后查看記錄，機端電壓超過了120 %額定電壓，轉子電流最高達到140.7 %額定轉子電流。

2.2事故分析

通過查看計算機監控系統報告及勵磁系統在事故時的錄波波形，初步判斷為1號機組在事故甩負荷過程中，勵磁系統進行逆變滅磁，同時機組轉速升高而機端電壓頻率升高，隨著逆變滅磁的進行，機端電壓逐漸降低，當機端電壓降低到一定值時，系統無法采集到同步電壓而失去同步頻率，此時勵磁調節器將按50 Hz的默認同步頻率去發控制脈沖觸發晶閘管導通，但此時實際頻率已在60 Hz左右。由于機端電壓頻率與同步電壓頻率相差太大，導致觸發角度由逆變角度偏移至強勵角度而造成強勵，從而使機端電壓迅速上升，強勵過程中轉子過電壓觸發板始終動作，因強勵時間較長（超過3 s，圖2可以看出），轉子過電壓保護觸發板導通時間較長，導致轉子過電壓保護觸發板燒損。經咨詢廠家，轉子過電壓保護板持續導通時間超過2～3 s就會損壞。

事故時勵磁系統調節器內部能自動錄波，并通過查看波形可以看到事故時各電氣量的變化情況。事故時勵磁系統錄波圖如圖2所示。

圖2　事故時勵磁系統錄波圖形

為驗證事故原因，我們在靜態下進行了模擬甩負荷時的逆變試驗，以驗證同步電壓和頻率變化時對觸發角度的影響。試驗接線圖如圖3所示，圖3中調節器置定角度控制方式，負載阻值為200 Ω。

試驗開始前，先通過繼電保護測試儀（繼保儀）加入三相對稱電壓，對A、B套勵磁調節器的同步電壓模擬量通道進行了校驗，以檢驗機端電壓降低至多少時調節器將采集不到同步電壓。通過校驗發現當機端電壓下降至15 %額定電壓時兩套調節器無法采集到同步電壓。

圖3　模擬試驗接線圖

試驗中，我們首先將觸發角度置150°，繼電保護測試儀輸出恒定為50 V的三相對稱電壓模擬機端電壓和同步電壓，通過改變電壓頻率來測量可控硅整流后輸出的直流電壓，也就是滑線電阻負載兩端的直流電壓。試驗數據如表2。

表2　

接著我們將觸發角度置120°，繼電保護測試儀輸出恒定為50 V的三相對稱電壓模擬機端電壓和同步電壓，通過改變電壓頻率來測量可控硅整流后輸出的直流電壓，試驗數據如表3。

表3　

2.3試驗結果

通過試驗發現，勵磁系統誤強勵的原因與轉速過速存在一定因果關系。勵磁系統進入逆變狀態時，將勵磁系統控制在定角度運行方式，逆變角變為最大逆變角150°。在逆變過程中當機端電壓下降至15 %額定電壓時勵磁調節器因采集不到同步電壓而失去同步頻率，調節器從而以50 Hz的默認同步頻率定時間的方式發出觸發脈沖，即找到同步電壓的零點后，再按20 ms的周波定時發出6個觸發脈沖。因此當機組轉速發生變化時，實際觸發角度將發生偏移，由逆變狀態進入強勵狀態，這也是本次造成轉子過壓觸發板燒壞的直接原因。而當逆變角度設為120°時，因距離180°的裕度較大，實際觸發角一直運行在逆變區，沒有發生誤強勵。

3逆變角修改及直流側過壓回路優化

通過試驗分析及結果，最終確定對勵磁系統最大逆變角及轉子直流側過壓保護回路進行了優化（見圖4）。將勵磁系統最大逆變角由150°修改為120°，在過壓檢測回路中加裝2個5.1 kΩ瓷管電阻，串聯接入轉子正極與過壓觸發板（BOD）的J1端子，防止過壓觸發時間過長，引起過壓觸發板過流燒毀以保護轉子過壓觸發板。修改最大逆變角及對轉子過壓檢測回路進行優化后，再次對1號機組進行了甩90 MW負荷同時給勵磁系統逆變令，勵磁系統逆變正常，未出現轉子過壓及觸發板燒壞現象。

圖4　優化后的直流側轉子過壓保護回路

4結束語

同步發電機轉子過電壓對轉子的傷害是毋庸置疑的，必須采取有效措施消除轉子過電壓以保護發電機轉子。發電企業可根據自己電廠的實際情況采用合理的過壓保護回路及不同的保護方式組合或保護定值以達到保護轉子的目的。

參考文獻：

[1]李自淳，夏維珞，彭輝，等.同步發電機轉子過電壓及其保護[J].大電機技術，2003（02）：54-60.

[2]DL/T 583-2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件[S].

作者簡介：郭鴿文（1986-），男，助理工程師，從事設備保護工作。

收稿日期：2015-09-10

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.022

中圖分類號：TM862

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0072-03