正向滅磁過壓保護器試驗方法改進探析

葉國根

（廣西桂冠電力股份有限公司廣源分公司，廣西 南寧 530000）

橫縣江南發電有限公司，原名西津水電廠。電廠位于西江流域的支流郁江上，座落于廣西橫縣縣城橫州鎮上游5 km 的西津村，是兼防洪、發電、航運、灌溉等綜合效益的水電廠；也是我國第一座低水頭河床式徑流水電廠，該電廠于1958 年動工，4 臺軸流轉槳式水輪發電機組分別于1964 年、1966 年、1975 年、1979 年投產發電，總裝機容量為234.4 MW。在2004 年對1 號機組進行增容改造，改造后1 號機容量由原來的57.2 MW 增加到65 MW，2017 年對3 號機進行增容改造，改造后3 號機容量由原來的60 MW 增加到62.5 MW。該單位1 號、2 號、4 號機組勵磁系統均為廣州擎天實業有限公司產品，3 號機組勵磁系統為南瑞公司產品。

1 正向滅磁過壓保護器在勵磁系統過壓保護中的作用

勵磁系統在機組定轉子事故停機時，磁場斷路器應能在機端三相短路、最大磁場電壓及空載誤強勵等嚴重滅磁工況下獨立、成功地斷開發電機磁場電流[1]，滅磁開關斷開并將磁場能量轉移到滅磁電阻上。因發電機的非全相或非同期狀態合閘等原因會使發電機非全相運行或大滑差異步運行[2]，此時，轉子繞組中將產生過電壓，過電壓能量如無法快速釋放消納，此時產生的過電壓將會擊穿轉子繞組的絕緣。當發電機在轉子勵磁回路中產生正向過電壓，此時安裝在轉子滅磁回路中的正向滅磁過壓保護器CF 將動作觸發KPT 可控硅元件，接通耗能電阻單元FR2，消納過電壓能量；而轉子回路的反向過電壓則直接經過D1 二極管接入耗能電阻吸能，以可靠保護轉子絕緣。

圖1 滅磁過壓保護原理圖

圖2 為本單位滅磁回路原理圖，其中，正向滅磁過壓保護回路由非線性滅磁電阻FR2、線性電阻R2負責消納過電壓能量，線性電阻R、正向滅磁過壓保護器CF 則為過電壓檢測回路、可控硅KPT、二極管D1 為正反向過電壓時的選擇通道；D1 在發電機出現反向過電壓時作為FR2 的導通回路，線性電阻R和正向滅磁過壓保護器CF 配合觸發可控硅KPT 啟動正向過壓保護回路。發電機正常運行情況下，發電機正向滅磁過壓保護器處于截止狀態。當發電機產生較大正向過電壓，圖2 中線性電阻R 和CF 所組成的過電壓測量回路將導通，發出觸發脈沖，可控硅KPT 導通，FR2 進入導通狀態，消納轉子正向過電壓能量，保護轉子不受損害。當發電機產生反向過電壓時，D2 支路即投入工作。此時，滅磁電阻經D1 和D2 導通，消納轉子過電壓能量，確保轉子安全運行。

綜上分析，正向滅磁過壓保護器CF 在勵磁系統滅磁回路中主要作用是監測轉子過電壓、發出觸發脈沖，導通可控硅KPT，使FR2 進入導通狀態，消納發電機轉子過電壓能量，最終保護轉子不受損害。實際運行過程中，如若正向滅磁過壓保護器CF 定值偏移，則會導致滅磁回路拒動或者誤動作，嚴重情況下則會因為拒動導致轉子過壓燒毀，并引發定子掃膛等嚴重后果。因此，每年機組檢修正向滅磁過壓保護器CF 定值校驗工作都是一項非常重要的試驗。

2 正向滅磁過壓保護器常規校驗方法

以往機組檢修中，正向滅磁過壓保護器CF 校驗用多功能測試儀在滅磁盤柜上測量R1、R2、R-1、R-2、CF 的電阻值；用可調直流電源、限流電阻、直流毫安表等接成的試驗電路對電子保持器（DB）的觸發電流、可控硅（KPT）和觸發器（CF）的觸發電流（過壓保護定值）進行測試。正向滅磁過壓保護器（CF）的觸發電流在285～330 mA 為合格（根據不同機組參數不同），可控硅KPT 的觸發電流在120～130 mA 為合格。

3 正向滅磁過壓保護器CF 校驗改進方法的提出

滅磁過壓保護回路中，正向滅磁過壓保護器CF為轉子正向過壓保護回路啟動元件，CF 正確工作與否決定轉子勵磁回路正常工作可靠性。所以，務必要對CF 進行校驗，保證其性能滿足工作需要。然而滅磁過壓保護柜KPT、CF 元器件校驗均在滅磁柜內進行，有如下缺點：

（1）本校驗工作在滅磁柜內進行，滅磁柜內元器件較多，試驗中存在觸電傷害隱患。

（2）需按圖將相應接線甩出、接入相應設備及接線。存在甩線、上線錯誤風險，并存在設備誤動、拒動隱患。

（3）可控硅KPT 經限流電阻接于直流電壓中，若限流電阻故障或其他原因導致限流電阻短路，將燒毀試驗裝置或逆變裝置，存在人員觸電和設備燒毀的隱患。

（4）因校驗工作在滅磁柜內進行，如機組投運中勵磁裝置過壓保護正向滅磁過壓保護器CF 損壞，需進行備品試驗，則須申請中調將機組退備，降低機組利用小時指標，存在棄水事故隱患。為了安全可靠開展正向滅磁過壓保護器校驗工作，現根據現場滅磁過壓保護柜KPT、CF 校驗電路簡圖（圖3）結合實際研究出一套安全、更高效的校驗裝置。

圖3 現場滅磁過壓保護柜KPT、CF 校驗電路

圖4 常規正向滅磁過壓保護校驗現場接線圖（需要在現場滅磁柜進行）

本實施例的正向滅磁過壓保護器試驗專用裝置包括：調壓器T、整流器U、電流表PA、限流電阻R、可控硅KP 以及對線燈（圖5）。

圖5 正向滅磁過壓保護器（CF）試驗專用裝置原理圖

圖6 正向滅磁過壓保護器（CF）試驗專用裝置實物圖

圖7 正向滅磁過壓保護校驗裝置接線圖

調壓器T、整流器U、電流表PA 和限流電阻R組成直流輸出電路，用于將220 V 交流電變壓、整流后輸出。調壓器T 輸入端通過刀閘SQP 后接220 V交流電，輸出端接整流器U；整流器U 將變壓后的交流電整流為直流電，然后輸出給電流表PA、限流電阻R 和正向滅磁過壓保護器CF。電流表PA 與限流電阻R 串聯，電流表PA 用于檢測整流后輸出的電流，限流電阻R 的阻值為30 Ω。限流電阻R輸出接正向滅磁過壓保護器CF。正向滅磁過壓保護器CF 輸出端與可控硅KP 控制極耦合，對線燈耦合在可控硅的陽極和陰極之間。對線燈包括串聯的電源E1 和燈泡HL1。

工作時，由小到大逐漸調節調壓器T 的輸出電壓和輸出電流，當整流器U 整流后輸出的電流達到正向滅磁過壓保護器CF 的實際觸發電流時，正向滅磁過壓保護器CF 輸出端輸出小電流信號至可控硅KP 的控制極，可控硅KP 陽極和陰極導通，電源E1 和燈泡HL1 通路，燈泡HL1 亮，記錄電流表PA讀數，將該讀數與正向滅磁過壓保護器CF 的額定觸發電流比較，如果該讀數在額定范圍內，則表明該正向滅磁過壓保護器CF 符合要求，如果該讀數在額定范圍以外，則表明該正向滅磁過壓保護器CF存在問題，應該及時更換。

4 正向滅磁過壓保護器CF 校驗改進方法優勢分析

制作裝置后，滅磁過壓保護柜KPT、CF 元器件校驗均在滅磁柜外進行，有如下優點：

（1）本校驗工作在滅磁柜外進行，不存在誤碰滅磁柜內元器件風險，試驗中無觸電傷害隱患。

（2）無需進行甩線、上線工作。只需將在用CF或備用CF 插入專用裝置即可進行校驗，不存在甩線、上線錯誤風險，更不存在設備誤動、拒動隱患。

（3）裝置校驗接線簡單、易于實現。

（4）校驗數據一目了然，無需換算，提高效率。

（5）用對線燈驗證可控硅導通情況，既安全又明顯。

（6）制作本裝置后，勵磁裝置過壓保護正向滅磁過壓保護器CF 可隨時隨地進行校驗，無須申請中調將機組退備，不存在降低機組利用小時指標、棄水事故隱患等風險。

5 正向滅磁過壓保護器（CF）校驗改進方法正確性、可靠性驗證

在進行正向滅磁過壓保護器（CF）試驗專用裝置組裝后，為證實裝置的正確性和可靠性，經過2011～2019 年機組檢修試驗過程中，對比原校驗方法和改進校驗方法所測得數據一致，證明正向滅磁過壓保護器（CF）試驗專用裝置具有良好的可行性和可靠性，通過專用裝置校驗正向滅磁過壓保護器（CF）比原校驗方法更簡易、安全，更能保障機組備品備件在更換周期內校驗的實時性，最終保障機組滅磁系統故障處理的快速性和經濟效益。經過多年論證，西津電廠自2011 年至今，機組檢修中正向滅磁過壓保護器（CF）校驗工作均由專用裝置完成校驗。

6 結語

正向滅磁過壓保護器（CF）校驗方法的改進是基于現場實際校驗電路圖建模后，根據模型組裝試驗裝置，進而驗證裝置校驗的正確性和可靠性，其研發探析過程思維可延伸于其他迫于現場工作環境及技術條件不便開展工作的試驗內容，具有較高的推廣價值。