三機式勵磁系統副勵磁機輸出回路絕緣監測方法研究

彭立英,馮存亮,唐誠,向健

(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518124)

三機式勵磁系統副勵磁機輸出回路絕緣監測方法研究

彭立英,馮存亮,唐誠,向健

(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518124)

本文針對三機式勵磁系統的副勵磁機輸出回路缺乏絕緣監測措施展開研究,結合現場實際情況對目前常用于小電流接地系統的絕緣監測方法對該回路的適應性進行分析.分析表明零序電壓監測方法可適用于副勵磁機輸出回路的絕緣監測,最后通過Matlab仿真驗證了零序電壓檢測原理對副勵磁機輸出回路絕緣監測的有效性.

副勵磁機;絕緣監測;零序電壓

勵磁系統是發電機的重要組成部分,直接影響發電機的運行特性,其主要任務是根據發電機的運行狀態,向發電機的勵磁繞組提供一個可控的直流電源,以滿足發電機各種運行方式下的需要.根據勵磁電源的不同,勵磁系統一般可分為他勵型和自勵型兩類.三機式勵磁系統是一種非常典型的他勵型勵磁系統,廣泛用于大容量發電機組.

在三機式勵磁系統中,副勵磁機是整個系統的勵磁電源源頭,它的運行狀況直接影響整個勵磁系統.但在實際運行中,僅對副勵磁機輸出線電壓進行監測,沒有設其它保護措施.本文針對副勵磁機的結構及輸出回路特性,結合目前主流的絕緣監測方法,對副勵磁機的輸出回路進行絕緣監測的可行性分析.通過理論對比分析,零序電壓絕緣監測方法可實現對該回路的絕緣監測,最后通過Matlab仿真實驗驗證了該方法的可行性和有效性.

1 三機式勵磁系統簡介

三機式勵磁系統的主要設備包括主勵磁機、副勵磁機、旋轉二極管、自動電壓調節裝置、滅磁裝置.其中主勵磁機的電樞、副勵磁機轉子和二極管整流都是旋轉部件(安放在勵磁機的轉軸上),運行時隨發電機轉子一起旋轉.三機式勵磁系統中的副勵磁機為一永磁發電機,永磁磁極安裝于轉軸上,定子發出的交流電流經可控硅整流器整流后,供給主勵磁機的勵磁繞組.主勵磁機為一旋轉電樞型交流發電機,其勵磁繞組安裝在定子上,電樞安裝在轉軸上.電樞發出的交流電流經旋轉整流器整流后供給發電機的勵磁繞組.

2 三機式勵磁系統存在問題

三機式勵磁系統電源取自同軸旋轉的副勵磁機,不受電力系統運行情況的影響,工作可靠.但由于副勵磁機本體保護措施不夠全面加之其輸出回路缺乏相應的監測措施,在實際運行中曾發生多起由于該系統絕緣故障導致設備燒毀的事件,給運行電廠帶來重大的安全隱患和經濟損失.某電廠副勵磁機因缺乏有效絕緣手段而導致副勵磁機燒毀的現場情況如圖1所示.

圖1 副勵磁機定子鐵芯溝槽燒毀圖

一般來說發電機轉子大軸絕緣和轉子繞組絕緣均有專門的絕緣監測或保護裝置,同時自動電壓調節裝置也能對其整流橋輸出直流進行絕緣監測,但副勵磁機及其輸出回路并沒有相關絕緣監測及保護措施.如果副勵磁機及其定子繞組至整流橋輸入端發生絕緣故障,系統將無法獲知絕緣信息,只能任由故障發展,最終可能導致發電機勵磁系統的崩潰及主設備損壞.

3 解決方案可行性分析

以某電廠為例,副勵磁機是一個輸出電壓約100~400V,頻率為400Hz的中壓中頻電源,副勵磁機的中性點不接地,因此對其輸出回路的絕緣監測措施可以借鑒中低壓系統常用的監測方法.目前中低壓系統常用的監測方法有注入式監測、零序電流監測、零序電壓監測.

由于副勵磁機的定子繞組雖為星形連接,但其中心點沒有引出,注入式監測系統沒有注入點.同時由于注入式監測引入了新的交流量,三機式勵磁系統中的自動電壓調節裝置含有晶閘管等非線性元件,電路錯綜復雜,新的交流量對此裝置的影響難以預見,因此該方法不適合于副勵磁機定子繞組和輸出回路的絕緣監測.

副勵磁機的定子繞組為星形連接,中心點不接地,屬于小電流接地系統.當系統發生單點接地時,系統中的零序電流非常小,接近零.因此零序電流方法無法有效監視系統的單點接地情況.

零序電壓監測方法一般采用電磁式電壓互感器開口三角繞組構成的絕緣監測裝置來監視系統的絕緣狀況.當副勵磁機輸出回路正常運行時,回路中無零序電壓量,此時開口三角繞組的輸出電壓為零.當輸出回路發生單相接地或兩相接地故障時,系統的平衡特性遭到破壞,將出現零序分量,此時開口三角繞組的將輸出非零量,即

因此,可以根據系統有無零序電壓的大小來判定副勵磁機定子繞組及輸出回路的絕緣狀況.

圖2 單相故障仿真結果圖

4 仿真驗證

為了驗證零序電壓監測方法的可行性,本文以某電站副勵磁機為基礎搭建仿真模型進行分析.該副勵磁基本參數如下:額定電壓UN=200V,額定電流IN=288A,額定頻率f=400Hz,額定轉速n=3000rev/min.本文模擬了副勵磁機輸出回路發生單相接地故障和兩相接地故障時,系統的輸出特性及零序分量情況.

工況 一:在0.5s時副勵磁機輸出端發生A相單相接地短路,0.51s故障切除,故障前后輸出電壓、輸出電流、零序電壓和零序電流波形依次如上圖2(a)、(b)、(c)、(d)所示.從圖中可以看出故障發生后,故障相的電壓降低,但故障相的電流變化很小,零序電壓比較大,零序電流比較小.

工況二:在0.5s時副勵磁機輸出端發生A、B兩相接地短路,0.51s故障切除,故障前后輸出電壓、輸出電流、零序電壓和零序電流波形依次如圖3(a)、(b)、(c)、(d)所示.從圖中可以看出故障發生后,故障相的電壓降低,但故障相的電流有一定的變化,零序電壓比較大,零序電流比較小.

5 結語

為了有效的監測副勵磁機輸出回路的絕緣狀況,本文提出了借鑒中壓系統的監測方法來實現對該回路的有效監視.通過對比不同的絕緣監測原理,分析得出基于零序電壓的絕緣監測方法適合副勵磁機回路的絕緣監測,最后的Matlab仿真實驗表明,該方法能有效的監視副勵磁機輸出回路的絕緣.

圖3 兩相故障仿真結果圖

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