景宁畲族自治县大洋水电开发有限公司 浙江景宁 323500
摘要：国内外曾出现过多起因励磁系统故障而引起发电机转子回路产生过电压，造成转子绕组绝缘被击穿，烧毁转子或励磁系统其他附属设备的恶性事件，安装多种类多原理的过电压保护、稳定响应的灭磁装置，已成为保证大中型发电机组安全可靠运行不可或缺的解决办法。因此对某电厂励磁系统可能产生过电压的因素和应对过电压的保护配置情况进行介绍。
关键词：励磁系统；过电压保护；非线性电阻
前言
励磁系统是同步电动机的重要组成部分，其对于同步电动机的运行起着极其重要的作用。励磁系统主要组成部分包括：①励磁变压器；②一面励磁调节柜，包含两套相互独立的励磁调节器；③两面励磁功率柜，主要元器件为可控硅整流单元；④一面灭磁开关柜、主要包含起励单元和灭磁单元。
1励磁系统工作原理
整套励磁系统由旋转励磁和静态励磁两部分组成。旋转励磁部分安装在主电机轴上，每套旋转励磁包括1个控制模块、3个整流模块、1个启动模块和8个电阻模块。静态励磁部分主要是由励磁调节器、励磁变压器、功率单元、电源系统和测量元件、显示面板组成的静态励磁柜，安装在非防爆场所。其核心控制单元为微机控制同步电动机励磁调节器，具有双套调节器自动跟踪和故障自动切换（调节器双冗余）的技术性能。静态励磁装置的功率单元采用IGBT斩波方式，并配置有IGBT控制电阻灭磁电路。
2实例分析
某水电站起到衔接漫湾电站与糯扎渡电站的重要作用，大坝右岸的地下厂房共设计安装有6台混流式水轮发电机组，每台发电机组额定容量为225—MW，总装机容量为—1—350—MW，现已成为云南电网主要调峰调频电厂之一。发电机励磁系统采用三相晶闸管全控桥式整流励磁系统，具备直流起励、它励及自并励起励方式，励磁系统包含广东顺德特种变压器厂生产的励磁变变压器、三相晶闸管全控桥式整流。本文阐述的励磁系统过电压，不包括励磁系统故障误强励和机组甩负荷等情况下，由于发电机机端电压升高在励磁系统交流电源出现的工频过电压。
3励磁系统过电压原因
3.1晶闸管换相关断过电压
晶闸管换相关断、触发回路或晶闸管故障。
3.2励磁变压器操作过电压
励磁变压器投入突加电压时，由高压绕组与电压绕组间电容及低压绕组与铁芯电容的耦合，以及由高压绕组漏抗与电压绕组分布电容组成振荡电路的瞬变过程，使低压绕组产生过电压。励磁变压器从高压侧断开时，由于励磁电流及与其成正比的磁通量突然消失，使变压器绕组产生瞬态过电压，可达正常峰值电压的4~5倍。磁场断路器跳闸时，由于负载电流突变为零，使励磁变压器绕组产生过电压。
3.3电力系统的开关操作及雷击过电压
电力系统的断路器及隔离开关操作及雷击等产生的过电压，以电容或磁耦方式传递给励磁变压器低压绕组和整流器。
3.4发电机在失步、非全相和机端短路等故障情况下产生过电压
在发电机发生失步时，转子在转差下异步运行，与由定子电流产生的旋转磁场继续做相对运动，切割磁力线产生过电压。发电机非全相或者两间短路时，定子的负序电流在发电机转子定子间的气隙磁场中形成速率等于同步转速但旋转方向相反的负序旋转磁场，以两倍的同步转速与以同步转速的转子相对运动，使转子产生感应出反方向的100—Hz电流，该电流经过发电机转子磁极和槽楔，最终在转子端部附近沿周界形成闭合电流回路，造成转子表面局部灼伤，损坏转子绝缘，被称为“负序电流烧机”。
4过电压保护配置情况
针对提出的变压器操作过电压问题，大朝山电厂采取的办法是：励磁系统的励磁变压器生产型号为DC680，额定容量为680—kVA，绝缘等级F级；以6#发电机组机为例，励磁变压器（6GLB）采用Y/Δ接线方式，机组主变压器（6B）高压侧中性点直接接地的目的是为了避免三相负载不平衡时导致主变“中性点”发生偏移使得线电压不平衡，成为电网零序网络中的重要节点。机组励磁系统采用的它励或自并励方式，本身可近似看成是三相平衡负载，为了抑制谐波分量，虽然高压侧为Y形接线，但是与发电机机端直接相连，而发电机中性点接地方式为经消弧线圈欠补偿接地。在励磁变高压绕组和低压绕组间设置屏蔽层并与励磁变压器铁芯一起接地，以此抑制由电容耦合引起的交流侧过电压。针对提出的过电压产生的情况，采用的解决办法是：在励磁变高压侧断路器的变压器保护配置有中性点经“放电间隙接地+避雷器+间隙零序保护”和中性点“直接接地+零序电流保护”的保护设计，可以可靠有效应对操作和发生雷击时产生的过电压。
针对提出的晶闸管换相关断过电压情况，采用的解决办法是：（1）在励磁功率柜整流桥每臂均设置阻容吸收保护，在过电压回路中可以作为常规过电压及浪涌吸收元件使用；（2）在发电机转子回路中装设过电压保护。转子过电压保护与灭磁共用非线性电阻RV1、RV2，过电压保护由可控硅触发器（TR1、TR2），正向和反向晶闸管开关（V1、V2、V3、V4，也称为跨接器）、非线性电阻及保护动作信号传输设备（CT1、CT2电流继电器动作于发信）。转子过电压包括功率柜侧过电压和转子侧过电压，其动作原理（以转子侧过电压为例）：在转子侧发生正向过电压时，可控硅触发器动作使电子开关V1接通投入非线性电阻，反向过电压时接通V2，过电压保护动作后信号由电流继电器CT1和CT2接出，由非线性电阻的限压特性将转子回路的电压限制到要求水平，以保证发电机转子、励磁系统功率整流器及相关元器件的安全。整流柜侧原理于转子侧一致。
结束语
综上所述，励磁系统故障类型和故障原因虽然很多，但只要认真分析故障现象，细致排查所有可能的原因，就可以快速找到故障点进行处理。同时要注意以下几点：
（1）励磁系统应结合机组检修进行定期维护、清扫、紧固和联锁试验。
（2）加强机组运行期间励磁系统的巡检，细化巡检内容和标准，特别关注接线松动、过热等异常情况。
（3）每个运行周期（3～4年）结束后，要对静态励磁柜和励磁旋转模块进行全面检测。励磁旋转模块因现场运行环境恶劣，建议在三个运行周期后进行更换。
参考文献：
[1]北京前锋科技有限公司.WKLF-400无刷同步电动机励磁装置用户手册[Z]，2008.
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