励磁变压器的过电压保护(最终稿).doc

1、1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

2、 。 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

3、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

4、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

5、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 K1 K6 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

6、2交流阳极电压（相电压）u bu a，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，u ab0，短路电流 id 增长速度 did/dt =（u b-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

7、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=

8、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 I f。 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3K1 反 向 电 流 立 即

9、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 u=-Lb 。 据 了 解 ， 如 不 采 取 适 当 措 施 ， u 可 达 到 整 流 变 二 次 电 压 正 弦 波 峰 值 的dtik13 倍 。可 以 看 出 t1 t4 就 是 LB 二 次 输 出 短 路 的 过 程 ， 也 即 图 1 中 tc

10、0 tc的过 程 ， 称 为 “重 叠 区 ”。 图 1 中 ， tc0 tc及 tf0 tf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

11、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 。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 性图 4 K1、K2 硅管电流波形图 图 5 GRC 保 护 原 理 图4电 阻 ZnO） 组 成 的 无 间

12、 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

13、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

14、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

15、 。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 D1 D6对 电 容 C 充 电 ， 从 而 得 到 缓 冲 ， 降 低di/dt， 减 小 了 过 电 压 。

16、 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 D1 D6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

17、 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

18、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5串 接

19、 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

20、 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。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

21、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

22、 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 作图 6 与图 1 相同情况的录波图（加装 GRC）6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

23、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 ！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

24、 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

25、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.图 7 ZnO 阀片的伏安特性 图 图 8 三相限压器（SXY）保护原理图