励磁变压器的过电压保护(最终稿).doc

励磁变压器的过电压保护李自淳 夏维珞 符仲恩（科大创新公司科聚分公司，安徽 合肥 230088）摘 要 本文分析了励磁变压器绝缘击穿的原因，探讨了过电压保护的方法，介绍阻容吸收器和三相限压器互补组合的一种有效过电压保护措施。关键词 变压器；过电压；保护1 前言随着同步发电机自并励静止整流励磁方式的不断推广，励磁变压器的用量逐渐增多。随之励磁变绝缘击穿的事故也有所上升，特别是进口励磁变，由于其设计裕量较小，而且大都是三相同体，更容易发生击穿。励磁变压器的运行工况与普通变压器有何不同？为什么它的绝缘容易击穿？用什么方法可以有效地保护它不被过电压击穿？这些就是本文所要探讨的问题。2 励磁变压器运行中过电压的来源2.1 可控硅整流桥产生的换相过电压励磁变压器的运行工况与普通变压器有一个很大的不同，就是在运行中其次级连续地、频繁地发生瞬间短路和开路，造成其输出电流频繁地高低起伏，产生极大的di/dt，由于绕组具有一定漏电感，所以在绕组内感应出连续、频繁的过电压。图1为葛洲坝二江电厂7#水发机（125MW）励磁并联变二次a、b两相间线电压uab录波图。从图中可看出，在正常的正弦波电压上叠加了一连串的过电压尖峰，特别是在tc和tf时刻，正反向过电压峰值达到了正弦波峰值的2.3倍以上（最大值超出图框不可知）。如此高的过电压，重复频率为100Hz，连续不断地作用在励磁变的绕组上，必将使绝缘疲劳老化，最后导致击穿。要探讨这过电压的来源，就得从励磁变的负载可控硅整流桥和发电机励磁绕组来分析。可控硅三相全控整流桥励磁的原理如图2所示，其整流输出的直流电压uf波形如图3所示（电源频率50Hz）。图2中励磁变压器LB次级相电势分别为ua、ub、uc，LB的漏感以及线路电感折合到次级绕组用集中电感Lb表示。正常运行时K1K6六只管子轮流导通。假定在t1时刻前，K1和K6导通；在t1时刻K2管子收到触发脉冲，此时图2 可控硅全控桥整流原理图 图3 励磁电压波形图图1 葛洲坝二江电厂7#机励磁变二次线电压uab录波图(未装GRC)Y轴：电压500V/格 X轴：时间2ms/格交流阳极电压（相电压）ubua，故K2管承受正向电压，K1管承受反向电压，换流趋势是K2管导通，K1管截止。但是由于K1管在导通期间晶体内积存了大量的少数载流子（电子和空穴），不能立即恢复截止，这样在短时间内K1和K2同时导通。此时a、b两相间产生瞬时的短路，uab0，短路电流id 增长速度did/dt =（ub-ua）/2Lb。短路期间整流输出电压的瞬时值uf = (uac+ubc) / 2，为a、b两相对c相线电压的平均值（考虑励磁变LB次级a、b两相的短路阻抗压降相同）。K1、K2两硅管电流的波形见图4。t1时刻前K1管电流iK1等于励磁电流If，K2管电流iK2为零；t1时刻K2管触发导通，其电流iK2上升，同时iK1下降，开始换流过程。由于发电机励磁绕组LQ大电感的影响，励磁电流If可视作恒值。根据柯希霍夫节点定律， iK1 + iK2 = If = 恒值。换流的快慢即iK1及iK2的变化率（同时也是短路电流id的增长率）diK/dt = (ub-ua)/2Lb。到t2时刻iK1降到零，iK2=If，似乎换流可以结束了。但此时K1内还积存有大量的少数载流子，不能恢复截止，故短路电流id继续增长，iK1变为负值，ik2 If。到t3时刻K1反向电流达到最大值，积存的少数载流子迅速复合完毕，立即恢复截止，故K1反向电流立即回零，K2的正向电流也产生一个“猛跌”回到If（据实验观察，t3t4仅几个s）。硅管电流ik1和ik2同时也是电感Lb内的电流，由于t3t4此电流变化率极大，故在电感Lb中感应出极高的换相过电压Du=-Lb。据了解，如不采取适当措施，Du可达到整流变二次电压正弦波峰值的13倍。可以看出t1 t4就是LB二次输出短路的过程，也即图1中tc0tc的过程，称为“重叠区”。图1中，tc0tc及tf0tf为ab相的输出短路，uab降到几乎为零；ta及td前为ac相的输出短路，tb及te前为bc相的输出短路，此时uab也均下降，但不为零，过电压也不太高（此时换相过电压发生在ac相或bc相之间），详细可参阅“电力电子技术”的有关书籍1。2.2 其它过电压除了上述励磁整流变压器特有的换相过电压外，其它普通变压器可能出现的过电压，如开关投切的操作过电压、从高压电网窜入的大气过电压、高压出线短路、接地等的故障过电压等等，也都能作用到励磁变压器上。图4 K1、K2硅管电流波形图 图5 GRC保护原理图 3励磁变压器的过电压保护3.1 概述目前国际公认的最先进的过电压保护器件是氧化锌压敏电阻（或称非线性电阻ZnO）组成的无间隙避雷器。但在励磁变的过电压保护上存在以下实际问题：3.1.1 电力部行业标准DL/T 583-1995大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件中4.5.2 b）规定：“非线性电阻负荷率不大于60%”；3.0.18规定：“非线性电阻负荷率，指在额定工况下，非线性电阻承受电压的峰值与压敏电压（又称动作电压）之比”。可见ZnO在额定工况下是不导通动作的，不能长期、连续、频繁地动作，否则会引起ZnO快速老化击穿短路。对上述100Hz的频繁连续的换相过电压不能用ZnO来吸收。3.1.2 对其它过电压，是偶发的、短暂的，很适合用ZnO来保护。但按国标GB11032交流无间隙金属氧化物避雷器生产的普通避雷器（MOA）仍不能直接用来保护励磁变。因为：a) MOA均跨接在相与地之间，对相间过电压要经过两只MOA串联限压，残压为相-地的两倍，超出了绝缘的耐受程度，不能有效地保护相间绝缘；b) 国标所列的参数均是针对电力系统额定电压的，而励磁变二次电压随发电机参数而变，套不上标准，买不到合适的定型产品。针对以上问题，我公司开发了专用的产品GRC系列阻容吸收器和SXY系列三相限压器，下面分别介绍。3.2 GRC系列阻容吸收器2对于上述100Hz的频繁、连续的换相过电压，可用阻容吸收器来限制。因为阻容没有“负荷率”和老化的问题，只要电阻的散热功率足够，就可以连续吸收过电压。其原理电路见图5。励磁变LB二次绕组任意两相电流突变产生过电压时，都可以经过二极管D1D6对电容C充电，从而得到缓冲，降低di/dt，减小了过电压。过电压消失后，C上的电荷向电阻R释放，等待下一个周期再次吸收。二极管D1D6的作用一是可使三相共用一组R、C，节省体积大、价格高的高压电容；二是防止C上的电荷向励磁回路释放，避免在可控硅换相重叠瞬间两相短路时，C突然放电产生极大的di/dt，损坏可控硅管；三是可以避免电容C和回路电感产生振荡。本方案的原理电路并不新鲜，一般教科书1中早有介绍，但其阻容参数的选择却有一番研究。教科书中选择C容量的出发点是吸收整流变空载拉闸时漏感的磁能，但实际上机端自并励系统的励磁整流变不可能有这种工况，所以这种容量计算在这里就无实际意义。这里要吸收的是可控硅换相时反向恢复电流在励磁变漏感及引线电感中产生的磁能，如本文2.1所分析的。详细的分析计算比较繁杂，限于篇幅不拟在这里探讨。我们经过仔细的理论分析和大量的实际验证，掌握了根据限压要求及电路参数计算C的容量、R的阻值及功率WR的方法，可以较准确地配置RC参数以达到理想的换相过电压吸收效果，并保证GRC安全可靠地长期运行。如葛洲坝二江电厂共有125MW及170MW的水发机12台，由于有串联励磁变串接在并联励磁变的二次侧，加大了图2中的折合电感Lb，使换相过电压特别高（见图1）。经我们多次反复计算及试验，在励磁变二次侧加装了合适的GRC，使换相过电压大幅度下降。图6是7#机加装GRC后励磁变二次侧a、b两相间线电压uab的录波图，图ta、tb、tctf各瞬间均与图1对应。可以看出最高的换相过电压尖峰（tc及tf时刻）从正弦波峰值的2.3倍以上降到1.42倍，差不多降低了一半；电阻表面温升低于120K，电厂感到满意，决定给所有机组均装设GRC。图6 与图1相同情况的录波图（加装GRC）又如广西浮石水电厂，励磁变二次线电压为470V.AC，运行后发现换相过电压尖峰高达1800V，致使整流柜续流二极管多次烧毁造成停机。后来加装我们专门设计的GRC，换相过电压尖峰降到690V，电阻表面温升低于100K，电厂非常满意。经过多年来100余台发电机使用GRC的结果证明，经专门设计的本保护器可将换相过电压尖峰限制到励磁变二次线电压正弦波峰值的1.5倍以下，有效地保护了励磁变的安全。3.3 SXY系列三相限压器3上述的GRC阻容吸收器能吸收连续而频繁的换相过电压，但其一次性吸收的能容量有限。而且随着吸收能量的增加,电容器C两端电压会不断升高,没有限压的功能。对于偶然出现的较大能量冲击的过电压，就起不到有效的保护作用。在这种情况下，ZnO就显示出它的突出优点，它具有优越的非线性伏安特性（见图7），其限压性能好，动作时间短（50ns），通流吸能容量大（300J/cm3），寿命长，体积小，维护简便，性能稳定，是目前国际公认的最先进的过电压保护元件。我们利用它制成四星形联接的SXY系列“三相限压器”(见图8)。分别跨接在励磁变的一次侧及二次侧，可以有效地限制励磁变相间及相地过电压的幅值，保证在大能量过电压的冲击下，励磁变相间绝缘和相地绝缘的安全！ 图7 ZnO阀片的伏安特性图 图8 三相限压器（SXY）保护原理图 我们自己生产的ZnO阀片性能占国内领先，容许荷电率高，残压比低，漏电流小，能容量大。我们可以根据不同励磁变的参数（容量、一二次额定电压、阻抗压降等），设计非标的适用的三相限压器，来满足不同励磁变的保护需要。4 总结GRC阻容吸收器和SXY三相限压器都可用作励磁变的过电压保护，二者各有千秋。GRC可以吸收频繁、连续的换相过电压，但不能限压，一次性吸能容量不大；SXY则反之。所以把两者并联组合使用，起到互补作用，可形成有效的保护。GRC吸收频繁连续的换相过电压，可降低额定工况下SXY非线性电阻承受电压的峰值，有利于降低SXY中ZnO的荷电率，也便于SXY采用较低残压的ZnO，可更好地保护励磁变的绝缘。SXY则是“养兵千日，用兵一时”，对偶尔产生的操作过电压、大气过电压或故障过电压等，有强烈的限压吸收作用。两者珠联璧合，组成可靠有效的励磁变综合过电压保护。2002年9月 参 考 资 料1黄俊.半导体变流技术.机械工业出版社,1980年7月第一版.2 李自淳,夏维珞,彭辉等.同步发电机转子过电压及其保护.大电机技术,2002年第6期.3李自淳,符仲恩,彭辉等.新型保护电器三相限压器.大电机技术,2002年第3期.6