1、浅析发电机转子过压保护方法摘要：本文系统介绍了发电机转子过压保护的方法， 对发电机转子过电压原因及其保护措施进行了分析，设计了一套完整的保护方案，并且已经应用在我国多处水电站的设计中，取得了良好的效果，说明该保护方案具有实际的指导意义。 关键词：过电压转子保护发电机 中图分类号：TB857+3 文献标识码：A 0 引言： 随着三峡水电站的落成，国内大型水电站的兴建逐渐走向高潮，机组的单机容量及励磁容量不断增大，特别是自采用高顶值系数的自动可控硅励磁系统以来，对灭磁及转子过压保护的要求也越来越高，采用常规灭磁开关的灭磁方式已不能满足大型发电机组正常、可靠灭磁的要求。常规的灭磁开关在电站的实际运行
2、过程中，曾多次出现灭磁失败继而引起转子过压，造成转子磁极击穿，灭磁开关及励磁设备烧毁等重大事故。甚至出现由于灭磁时间过长，以致在主变压器内部短路时未能及时灭磁断流，造成主变绕组严重烧损，外罩炸裂的恶性事故，由此造成的经济损失十分巨大。因此当发电机内部及发电机外部的变压器以及通向主断路器的电力传输线上出现故障或发电机运行异常危及发电机安全时，迅速灭磁以缩短在故障点的燃弧时间，防止事故持续扩大，尽量减小经济损失就显得尤为重要。可见，灭磁的快速性是灭磁保护的一个重要指标，在快速灭磁的同时，转子电流迅速下降，会产生危及转子安全的危险过电压，因此，限制过电压值，保护转子绝缘安全是灭磁保护的又一重要指标。
3、 能否安全可靠地快速灭磁，有效地限制转子两端的过电压，根据不同的工况，采取何种有效措施保护发电机的安全运行，乃是亟待解决的重要问题。 1 发电机转子过电压的原因 首要问题是确定要采取何种有效措施保护发电机转子过电压，第一步得分析发电机转子过电压基本原因，然后再根据不同过压原因，针对性的采用相应保护措施，才是解决问题的有效方法。 1. 1 定子出线短路或遭雷击等产生故障过电压定子绕组出线短路、接地，定子侧产生各种故障过电压，这些过电压会经过定子绕组及转子励磁绕组间的耦合，或者励磁变压器初级与次级间的耦合，感应到转子回路。 1. 2 发电机异步运行时产生滑差过电压同步发电机在运行中失磁，会使转子在
4、高于同步转速下异步运转，靠阻尼绕组的作用变成异步发电机。在有功负荷突然变化时，功率角发生突然变化或发生失步振荡的过程中，也有暂时的异步运行。这时转子励磁绕组 LQ 的导体与定子电流产生的旋转磁场间有相对运动，导体切割磁力线产生感应过电压，此过电压是一个正弦波，其幅值：Ehm=2 4. 44f2wkw 异步运行时转子滑差感应电压的电频率，一般为几到十几个 Hz；X-LQ 的串联匝数；定子电流产生旋转磁场的主磁通，Kw - LQ 的绕组系数。由于 LQ 的匝数 X 较多，故 Ehm 较大，根据我国现有普通水电站的装机容量分析，Ehm 可以达到上十万伏。 1.3 定子三相负载不对称或非全相运行时产生
5、不对称过电压发电机定子三相负载不对称或一相断路（非全相）运行时，定子三相电流不对称。根据对称分量法的分析，一组不对称的三相电流， 可以按照一定的方法分解成三组对称的三相电流， 分别为正序分量电流、负序分量电流及零序分量电流。这三组对称的电流流过发电机定子三相在空间相隔 120b 电角度的绕组，将分别产生各自的磁场。由矢量分析可知，零序电流产生的合成磁场为零，而正序及负序电流产生的合成磁场分别在空间作正向及反向的同步转速旋转，称作正序及负序磁通。而转子绕组 LQ 是以正向同步转速旋转的，它与正序磁通相对静止而与负序磁通以两倍同步转速相对运动。该过电压的幅值 f 1= 100 Hz 为定子不对称电
6、流产生的负序磁通。 2 发电机转子过电压的保护措施 在从事继电保护的工作汲取大量经验的同时再结合大量的工程实践，我认为在实际工程实施时，针对发电机转子过压问题必须采取针对性的保护措施，现分别阐述如下： 2.1 换相过电压的保护，由于其产生的频率高达 300 Hz 而且又是长期连续如此，因此用 ZnO 压敏电阻来吸收效果并不理想。这主要是因为ZnO 要求长期的荷电率必须限制在 0.6 以下，即意味着不能采取频繁而连续地导通吸能，否则 ZnO 压敏电阻容易出现老化，漏电流上升，最终导致其寿命会大大缩短。因此国内有些单位应用 ZnO 作尖峰吸收器时，都把 ZnO 的压敏电压取得很高，用意是以此降低荷
7、电率。这仅仅为了保护 ZnO 自身安全，而对于其他相关设备的保护作用并不佳，甚至是形同虚设。 根据上述关于换相过电压产生的原因分析可见，其产生的源头在励磁变的漏感及线路电感，因此选择从头拦截相对来说效果会比较好。如果有多台整流柜并联运行，建议在总交流进线处集中设一组 GRC 即可。这是因为换相过电压的产生只决定于并联桥臂中最后截止的那只可控硅，而与并联桥臂的多少并无多大相关性。在可控硅换相 t3 t4 阶段，LB次级绕组任意二相电流突变产生过电压时，都可以经过二极管 D1 D6 对电容 C 充电，从而得到缓冲，降低了 di/dt，限制了过电压。t4 时刻后，C 上的电荷向电阻 R 释放，等待下
8、一个周期再次吸收。二极管 D1 D6 的作用是：首先是可使三相共用一组 R、C，这样可以比较有效地节省体积较大、价格较高的高压电容；其次是防止 C 上的电荷向励磁回路释放，避免在可控硅换相重叠瞬间二相短路时电容 C 突然放电产生极大的di/dt，损坏可控硅管；再次是可以避免电容 C 和回路电感产生振荡。 2. 2 操作过电压、故障过电压、滑差过电压、不对称过电压等的保护，以上这四种过电压，均不是长期连续而只是偶然发生的，因此非常适合采用 ZnO 压敏电阻来进行保护。这主要是由于 ZnO 有优良的非线性伏安特性，一方面在大电流冲击下残压不高，保护特性较好；另一方面在过电压消失后，ZnO 的续流迅
9、速大幅度下降到 mA 级， 可以使过电压保护跨接器中的可控硅管自行关断。但是进口的跨接器采用 SiC 作为吸能元件，这种元件漏电流大，过电压保护动作后不能实现自行关断， 必须采取停机复归，或者用熄灭线、瞬时逆变等复杂的操作后才可以复归，其可靠性相对较低，故很多进口的 SiC 跨接器大部分都改成 ZnO 跨接器，这种类型的过电压保护器在我国现已普遍推广使用。其工作原理如下：正常运行时不通，正向励磁电压被 KP 阻隔，反向虽然有二极管 KP 导通，但励磁电压反向峰值很低。因此 D 电阻 RV 承受电压不高，荷电率很低，可以保证其拥有长期的工作寿命，不易出现老化等问题。正向过电压袭来时，通过分压电阻
10、 R，使触发器 CF 动作，输出触发脉冲使 KP 触发导通，RV 立即接人转子回路导通吸能限压；过电压消失后，RV 的续流即下降到mA 级，小于 KP 的维持电流，KP 自行截止，跨接器复归关断。反向过电压由二极管 D 导通限压，同样自动恢复截止。正向过压保护动作电压值可以通过改变 R1 的阻值来整定，调整起来比较方便。 3 结束语： 在不同工况下，到底采取何种保护措施来有效限制发电机转子过电压，到目前为止在国内外一直没有一个准确的标准答案。但是从我国南方各省以及长江、淮河、红水河等支流上个别水电站发电的运行效果来看，本文所分析表述的转子过电压措施，相对来说还是行之有效的。特别是采用 ZnO
11、压敏电阻（在葛洲坝水电站、龙羊峡水电站等水电站使用）来保护偶然性发电机转子过电压的情况，效果比较显著，具有一定的推广价值。 参考文献： 1. 黄俊 . 半导体变流技术 . 北京： 机械工业出版社， 1980 年( 第一版) 2. 李基成. 现代同步发电机整流器励磁系统. 北京： 水利电力出版社，1987 年 12 月( 第一版) 3. 许实章. 电机学. 北京： 机械工业出版社， 1981 年 4 月( 第一版) 4. 王维险. 电力系统继电保护基苯原理. 北京： 清华大学出版社，1991 年 2 月( 第一版) 6. 中国电力行业标准. DL/ T 650- 1998( 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件
