晶闸管电子式磁场断路器解读.doc

晶闸管电子式磁场断路器(DDL)为主双冗余灭磁系统
在大中型水电站中的设计和应用
由晶闸管直流开关电子式磁场断路器（DDL）和有触头机械式磁场断路器（QFG）组成新型双冗余ZnO电阻灭磁系统(以后简称”系统”)是由中科院等离子体物理研究所电器厂和东北勘测设计研究院联合自主设计研制生产的。”系统”在1990年10月29日投入红石50MW机上试运行，1992年7月8日由水利水电规划设计总院主持通过鉴定，(见资料1)正式投入运行； 1996年到1998年又先后投入莲花4台137.5MW机、丰满2台140MW机和小山2台80MW机上运行。至今，”系统”在十多年中己经在9台大中型水轮发电机上经过各种严重考验，积累了五十多台年连续安全运行的记录。为了向迅猛发展的水力发电工程提供一种安全可靠具有全面保障和依据的切实可行的新型灭磁系统，2002年10月9日到11月6日由中科院等离子所科聚公司和东北勘测设计研究院的代表共同到上述四电厂与各电厂现场代表组成联合调查组，对这种新型灭磁系统运行情况进行全面调查，在现场写成运行总结报告，(见资料2~5)。据此，本报告综合这套”系统”在大中型水轮发电机上设计和应用五十台年的情况简介如下。
一、 主电路及其工作原理
“系统”主电路图如下图：

图中：
SCR1，2 流通主电路电流用的直流电子开关，一般可用2只或3只晶闸管组成
SCRd 关断主电路电流用的晶闸管
C 关断主电路电流用的储能电容
op 发电机开机起励时开通电子开关的触发电路板
de 关断电子开关SCRd的触发电路板
CHA 电容C的充电及其监控保护电路板
LA 限流电抗器
TOV 限制过电压的保护
KA 监测电流的直流电流变换器
AV 调整主晶闸管均流的部件
DDL 晶闸管电子开关组成的磁场断路器
QFG 有触头机械式磁场断路器
“系统”主要工作原理简述如下：
在发电机开机升速和其它各种必要的运行过程中，由两个厂
用电源保障的CHA向C充电到足以充分满足关断主电路最大电流的电量。当发电机起励升压时，op接受机组监控单元LCU的指令自动触发SCH1,2使主电路导通电流。
当发电机由于事故或者其它原因发出灭磁令时，de接到灭磁令立即触通SCRd，具有充分电量的C向SCR1,2反向放电一直到SCR1.2断流，接着由转子电流通过整流装置APTR和SCRd向C反向充电一直到C上反向电压与环路反向充电电压相等时，SCRd断流关断。C仍通过CHA放电和按LCU指令正向充电作下次灭磁准备。
“系统”控制逻辑电路确保接受灭磁指令后，在0.1秒内监视到KA3仍有转子电流通过时，就会立即启动备用QFG使它跳闸完成灭磁。这种磁场断路器双冗余的配置大幅度提高灭磁的安全可靠性。如果监视到KA3己经断流，逻辑电路就不会启动QFG跳闸。
“系统”逻辑电路确保充分满足发电机各种运行方式包括机组电制动仃机方式对电子开关的通断要求，它己是五十多台年运行己经证实的事实。
二、”系统”配置的发电机励磁参数及其运行记录
水电站名称
单位
红石
莲花
丰满
小山
发电机额定功率
MW
50
137.5
140
80
发电机额定转速
R/min
107.1
93.8
107.1
214.3
励磁变额定容量
kVA
1250
2000
1600
1250
励磁变二次电压
V
520
650
710
530
额定励磁电压
V
255
327
396
260
额定励磁电流
A
1174
1493
1329
1150
强励倍数

2
2
2
2
强励顶值电压
V
638
818
990
671.85
强励顶值电流
A
2348
2968
2658
2300
Tdo‘
S
5.0
6.84
6.0573
6.14
灭磁电阻ZnO串×并数

3×32
前期
后期
3×70
2×56
3×56
4×52
灭磁转子电压
V
1300
前期
后期
1200
1000
1483
1420
DDL电子开关晶闸管并联数

2
3
3
2
机械式磁场断路器型号

DM2
DM4
DMX
DM4
发电机组编号

1
1
2
3
4
11
12
1
2
DDL正式投运时间
年
1992
1998
1997
1997
1996
1998
1997
1997
1997
月
日
7
8
9
23
12
23
12
6
12
26
6
28
12
18
12
28
12
15
DDL运行天数
日

1809

1615
1807
1801
1814
DDL运行天数统计日

2002.11.1
2002.11.5
2002.10.31
2002.11.4
三、”系统”运行工况及其维护经验
1. 根据 上述调查统计，”系统”从正式投运以来，它所配置的大中型发电机组己有9台，总装机容量已达1040MW，已经创造了连续安全运行18162台天。也就是49.8台年约五十台年的安全运行记录。
2. 这9套系统的中的发电机励磁主电路通流用的24只高电压大电流国产主晶
闸管和断流用的18只高电压国产晶闸管，66只高电压大容量国产电容器、9只冷却风扇都经受住了长时期（最长为10.4年,最短为4.2年）连续运行、停、通断、甚至多次各种电气故障事故灭磁操作的严重考验，包括在发电机带电运行中因转子风扇脱落导致定子扫膛短路事故灭磁和在工业试验中做过的在强励顶值电流下灭磁的考验，整套冗余灭磁系统始终表现出确保安全灭磁的性能。上述108只主要元件在机组带电实际运行中没有发生损坏事故停运过，可用率为100%。
3. DDL在运行中并联晶闸管的均流性，最大通流差值：红石为10A，小山为
10~40A，莲花为100A左右，丰满为50~100A。因为在直流回路中直接并联运行的晶闸管的通流值差值的减少主要取决于其对应晶闸管通流压降差值的减少，今后设计选择DDL并联工作的晶闸管时，应该选用通流管压降尽量一致的晶闸管，同时改进DDL盘内调整并联晶闸管均流性的硬件结构，以求进一步提高均流性，减少并联运行主晶闸管的通流差值。
4. “系统”在投运前期开机触发通流过程中都能保证发电机组正常起励通流，
但是并联运行的晶闸管中有的时候或多或少地出现过有1只晶闸管还没有触通时，触通电路板已经停止输出触发脉冲了，各电厂发现这种情况时前期多是由运行人员再次手动触发一次，把没有触通的那只晶闸管触通，后来则都采用把发电机组现控制单元LCU输出触发DDL主晶闸管的脉冲时间程序适当延长（例如从5秒、8秒加长到10秒、15秒），就能保证并联运行的晶闸管全部自动触发通流了。”系统”在正式投运时期停机自动断流，以及在“电制动”停机过程中自动通流断流的功能上均表现能可靠工作没有发生故障停运过。
5. 莲花水电站的DDL在随同主机检修过程中，曾出现3号机有1只关断电容，
2号机有2只关断电容，在电容器箱箱盖与接线柱连接处漏油。现场查明其原因是电容器接线柱上并联连接线是采用硬铜线焊接的，当相连电容器在安装不正、高矮稍有不同时，其连接处就长期受焊接硬铜线的拉力导致裂缝漏油。现场确认它不是由电气原因造成的，在检修中己把这3只电容器用备品更换，恢复正常。
丰满水电站11号机也有2只电容器在2年前发现电容器箱上与接线柱接口周边出现一个渗出油迹圈，其宽度约为5mm，其原因与莲花相同，只是表现轻微。以后（包括这次联合调查）观察监视。未见其工作性能有变化，所以至今没有更换。
今后DDL组装时，对关断电容器的并联接线，不要采用硬铜线焊接，宜改用能适当移动的软铜线焊接，以避免和防止在组装和运输过程中电容器箱盖受到机械损伤而渗油。
6. 晶闸管电子开关具有常规有触头式磁场断路器没有的对其内部主要部件工作状况进行监视的故障自诊断功能，例如：关断电容器充电电压的监视、每只并联运行主晶闸管的通流值的监视和过流自动报警、晶闸管冷却风扇风速消失报警，灭磁令下达后监视DDL断流功能是否完成是否需要再自动启动有触头磁场断路器跳闸断流的自动监视功能等。鉴于水电厂己经普遍采用PLC监控的成功经验，今后对DDL内部主要部位工况的监控，决定采用可编程控制器（PLC），这样可以进一步提高其工作的可靠性和便于与机组的LCU通信联网。而且对冷却风速监视和主电路电流是否已经断流监视的发信元件作进一步改进。
7. 此次联合调查中证实小山水电站2套DDL冗余灭磁系统自投入运行以来确
实保证了2台80MW发电机组在各种事故中可靠地安全灭磁，但是同时也发现当时现场存在的两个隐患：
一个是1号机”系统”的逻辑硬件接线有错误，导致在灭磁过程中DDL断流后又自动触通导流，以致自动启动QFG断流灭磁，当时在现场把逻辑硬件接线错误纠正后，就恢复正常了。
一个是2号机触发SCRd脉冲变压器接线焊点有一处脱焊断开，当时在现场将它重新可靠地焊接上，就恢复正常了。
8. 莲花3号机DDL在运行中工作一直正常，但是在2002年11月随同机组大
修时检验测试时，却发现主晶闸管触发板和关断电容充电监控板已损坏。因为检修前DDL工作表现都正常，这种损坏原因显然是由于测试方式不当导致串电击伤板上元件。但是今后编写DDL使用说明书中要对DDL的运行维护检修的规定和测试方式方法叙述得应该更加详细具体一些，以利用户使用，DDL晶闸管的布置结构设计也要进一步优化，以求提高检修维护拆卸的方便性。
四、 结论
“系统”经过50台年安全运行实践证实，它与单套磁场断路器比较：其安全可靠性更高，维护工作是更少，更能适应按“无人值班，少人值班”监控方式运行水电站的需要。
所以有这种优越性能，其原因是：
1. DDL主要采用大容量高参数的晶闸管、电容和电子器具等静止元件组成，设计安全裕度大。与有大触头的机械断路器比较，它不需要制造维护都很复杂的大功率机械传动机构和故障率很高的灭弧栅，切断电流过程不产生电弧烧损和机械磨损以及震耳的响声，因而具有更高的可靠性、更长的使用寿命（半永久性）、更少的维护工作量（属免维护性）因而它特别适用于无人值班和少人值守的水电站。
2. 作为DDL主件晶闸管通流后切断时间是1毫秒左右，比有触头断
路器切断时间20毫秒左右快得多。根据公式：转子绕组，在DDL断流过程中产生的反向电压e=－L×di/dt ，晶闸管电子开关断流要比有触头断路器断流产生的反向电压高的多，从而可以更安全地保证转子电流向灭磁电阻转移。所以DDL特别适用于采用氧化锌非线性电阻灭磁系统。
3. DDL具有比较完善的自诊断系统，其重要工作状态正常机组运行中都有自
检自动报警功能。而有触头断路器其部件有缺陷，只能在操作过程或拆卸开后由有经验人检查才能发现。因而DDL特别适用采用计算机监控的电厂。
4. 晶闸管元件的串并联技术已经成熟，它的产品规格多样化为DDL制造生产
的系列化、模块化、主件（晶闸管）冗余化，创造十分有利的条件。元件供货国内外渠道畅通。因而DDL特别适合我们抓紧时机，顺利完成研制巨型发电机磁场断路器工业试验样机的科研攻关，并为我国生产出适用水电厂的系列产品。
5. 根据我国自主研制、生产和运行DDL十多年经验，DDL既可以取代有触头
磁场断路器，安全可靠地独立工作，又可以与有触头磁场断路器组成双重互为备用的冗余灭磁系统，大幅度提高灭磁可靠性，确保发电机在灭磁方面万无一失，
具有较高的功能价比。
6. 十多年前，我们研制的DDL投运时，有人提出用晶闸管代替断路器触头是
否降低工作可靠性的问题，如今DDL在四个大中型水电厂9台大中型机组上安全投运五十台年的事实说明：DDL的主晶闸管元件正常运行是在转子主回路直流电流下运行的，与励磁整流柜晶闸管工作条件对比，后者电流变化很大，每周波要通断，晶闸管频繁通断，损耗大发热多；而DDL主晶闸管在长时间运行中流通直流电流，通断损耗要小的多，发热少，安全性要高得多。现场实测温度也已经证明DDL主晶闸管运行温度比励磁整流柜晶闸管运行温度低得多。这与理论上作数量计算证明的结果是一致的。
7. 从IEEE1983年5日发表的文献(见资料6)中查到：日本东京 东芝公司和大
阪压敏电子元件公司在几年中己经联合研究用晶闸管、电容和氧化锌阀片组成直流1500V－3000V晶闸管电子断路器样机，在直流电气化铁路、工厂及其它设备上试验和使用。其主电路原理与本”系统”是基本类似的。
综上所见，DDL型晶闸管电子式直流磁场断路器和有触头机械式磁场断路器（FMK）组成双冗余ZnO灭磁系统，用于发电机励磁回路的灭磁是完全可行的，可以大幅度提高灭磁安全可靠性。它具有开断快速、无弧光、无声响、温升小的特点，基本达到无故障、免维护的目标，特别适用于无人值班和少人值守、采用计算机监控的电厂。随着电力电子器件和其他电器元件制造水平的不断提高和电站自动化需要，”系统”的优越性将更加明显。
参考资料
1．晶闸管直流开关灭磁新技术 鉴定证书 1992年7月8日
水利水电规划设计总院
2．丰满发电厂DDL型晶闸管直流磁场断路器及冗余灭磁系统运行总结报告 2002年10月31日联合调查组
3．白山发电厂红石水电站DDL型晶闸管磁场断路器冗余灭磁系统运行总结报告 2002年11月1日 联合调查组
4．松江河发电厂小山水电站DDL型晶闸管直流磁场断路器及冗余灭磁系统运行总结报告 2002年11月4日 联合调查组
5．牡丹江水利发电总厂莲花水电站DDL型晶闸管直流磁场断路器及冗余灭磁系统运行总结报告 2002年11月6日联合调查组
6. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol, PAS-102, No. 5, May 1983