四川大唐国际甘孜水电开发有限公司 四川省康定市 626001
摘要：励磁系统在正常运行中可能有多方面的原因引起励磁回路过电压，威胁着可控硅、二极管硅整流励磁装置及同步电机转子励磁绕组的安全，必须分别采取抑制过电压的相关措施。本文主要分析了励磁系统回路过电压产生的原因及保护原理，结合EXC9000型励磁系统分析了交流侧RC阻容吸收、直流侧跨接器保护过电压的配置和保护方法。
关键词：励磁系统；过电压；阻容吸收
1 引言
对于大型发电机自并励励磁系统来说，在运行中常因一些故障或其它的原因使励磁系统三相全控整流桥交流侧和直流侧（转子）出现过电压。励磁回路的元器件在高纹波波动电压和尖峰过电压长期作用下，寿命大大缩短，发电机转子和整流励磁装置在过电压的作用下有可能被击穿损坏，从而导致励磁系统可靠性下降。随着发电机励磁电压的不断提高和可控硅静止式励磁系统的广泛使用，转子回路的过电压问题更加显得突出，为了保证整流励磁装置、励磁变、发电机转子等设备的安全，分析励磁系统过电压产生的原因，并采取相应的措施和保护方法，对发电机组和电力系统的安全运行具有重要的意义。
长河坝电站采用广州擎天EXC9000型自并激励磁系统，励磁电源经并联在发动机的励磁变压器送入可控硅整流装置，整流装置采用三相全控可控硅整流电路，其阳极电源每个周期都会叠加六个换相尖峰过电压。
2 励磁回路过电压产生的原因
（1）大气过电压
来自交流电网入侵的大气过电压，以及输电线路遭受雷击过电压时，若主网中过电压保护不完善，则可能通过励磁电源变压器引入至励磁系统回路。
（2）操作过电压
励磁电源变压器高压侧合闸的瞬间，由于高压绕组与低压绕组之间的分布电容与低压绕组对铁芯之间的分布电容及励磁系统对地的分布电容的耦合，也会产生过电压；
（3）直流侧转子过电压
来自整流桥阻塞负向磁场电流通路引起的正向过电压，以及磁场励磁电流突然中断引起的反向过电压。
（4）换相过电压（或关断过电压）
三相全控桥在阳极电压和控制脉冲的双重作用下，正组可控硅和负组可控硅成对轮流导通。理想情况是一个可控硅导通就使得另一个可控硅立即关断。但由于励磁变漏感和阳极电源回路电感存在，这两个可控硅的电流不能突变，于是就产生可控硅的换相过电压。
3 交流侧过电压保护原理
随着技术的发展，交流侧过压保护先后选用过多种配置。通过实践，目前交流侧过电压保护比较常用的主要有两种：阳极电源回路装设压敏电阻和阳极电源回路装设阻容吸收器。
3.1 压敏电阻保护
在阳极回路装设压敏电阻，利用压敏电阻的非线性特性，吸收过电压尖峰。原理图如图1，R，C器件是可控硅本身的阻容保护，RD是保险，YM是压敏电阻，可以采用三角形接线，也可采用星形接线。
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图1 压敏电阻过电压保护原理图
压敏电阻电压的选择，一般取阳极电压峰值的1.5至2.0倍。为防止压敏电阻击穿短路，在回路中还串联快速保险RD。按照这种方式整定的过电压保护，刚好躲过可控硅换相过电压尖峰毛刺。可见压敏电阻过电压保护，无法吸收可控硅换相过电压，只能吸收阳极操作过电压和可控硅熔断器熔断所产生的过电压。如果降低压敏电压，则压敏电阻的能容无法满足要求。还有一点也至关重要，压敏电阻不能降低过电压尖峰毛刺的前沿陡度。
3.2 阻容吸收器保护
在励磁阳极侧装设阻容吸收器，利用电容稳压和充电特性，吸收励磁阳极过电压尖峰毛刺达到保护目的。阻容吸收器有两种类型，一种是普通型阻容保护，另一种是整流型（也称阻断式）阻容保护。
3.2.1 普通型阻容保护
由三组R1C1组成普通型阻容保护，不仅能有效吸收阳极过电压尖峰毛刺，而且还能降低这些过电压尖峰毛刺的前沿陡度。阻容保护接线方式，依据电容电压水平来选择三角形接线或星形接线。由于普通型阻容保护只能限制阳极电源的差模过电压，即线路与线路之间的过电压毛刺，因此可采用三个C2电容组成星形接线过电压吸收器，可以抑制阳极回路的共模过电压，即线路对大地的过电压。
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图2 普通型阻容保护
普通型阻容保护器件少，电阻发热量小，过电压吸收效果好，还能降低过电压尖峰陡度。但RC参数受交流侧电感（如励磁变、定子和发电机出口回路）影响，计算复杂。一旦出现故障，分析难度较大。
3.2.2 集中式阻容保护
长河坝励磁系统采用集中式阻容保护，原理是在三相全控桥阳极输入侧并联一个集中式阻容吸收回路，当阳极电源产生过电压尖峰，经整流二极管被电容抑制，过电压之后电容上的电荷能量经电阻进行释放，等待下一个过电压尖峰的来临。
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图3 励磁系统RC阻容保护原理图
集中式阻容保护的优点：体积小，安装方便，接线简单，损耗小，既可吸收整流桥交流侧过电压，也可吸收可控硅整流桥换相尖峰过电压，可限制可控硅两端的电压上升率，有效防止误导通。对于阳极过电压而言，电容起到低阻滤波作用，电阻起到放电作用，同时，反向二极管还能有效阻断与交流侧电感的电气谐振危害。
4 直流侧过电压保护
长河坝励磁系统直流侧（转子）过电压保护：由跨接器，非线性电阻（FR），跨接器过流保护等组成。
4.1 跨接器原理
跨接器就是转子过电压保护装置，其原理是：一组正反向并联的可控硅串联一个放电电阻（非线性电阻）后再并联在励磁绕组两段，当可控硅的触发器电路检测到转子过电压后，立即发出触发脉冲使可控硅导通，利用放电电阻吸收过电压能量。
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图5：长河坝励磁系统灭磁及过电压原理图
跨接器组成：（1）V62：承受正向过电压（2）V61：承受反向过电压（3）FR——耗能电阻（4）CT——过电压动作检测器
4.2 非线性电阻
非线性电阻一般有两种：碳化硅电阻和氧化锌电阻。
长河坝励磁系统采用六并两串的碳化硅电阻作为非线性电阻，用于吸收转子正向过电压和反向过电压的能量。按发电机空载失控误强励这种最严重的极限工况来计算，长河坝励磁系统非线性电阻具有1.2 倍安全裕量，在极端情况下也能保护碳化硅电阻和励磁系统的安全。
4.3 直流侧过电压时的工作原理
（1）正向过电压。发电机端出现故障，如短路、错误的同步或异步运行，转子绕组都会感应出很高的交流电势。采用整流式励磁装置时，因为整流器不能反向导通，发电机的转子回路将会产生很高的过电压。又因为发电机转子绕组的电感量很大，在转子电流大幅度变化或突然中断时，转子绕组也能产生自感过电压。过电压，对发电机转子绝缘、励磁装置的性能非常不利，必须限制到足够安全的水平，而且应低于整流器可控硅的峰值反向电压。
跨接器动作电压值：过电压保护动作值的选择原则如下：在任何情况下应高于最大整流电压的峰值；应保证励磁绕组两端过电压的瞬时值不超过出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的70％。整流电压的峰值就是阳极电压的峰值，其最大值要考虑允许过电压的倍数，比如1.5倍数；励磁电压的瞬时值是整流电压峰值与cos a角的乘积值；长河坝励磁系统跨接器动作电压整定为3200V。
当发电机处于滑极等非正常运行状态时，将在转子回路中产生很高的感应电压，此时安装在转子回路中的转子过电压检测单元A61模块将检测到转子正向过电压信号，马上触发V62晶闸管元件，将耗能电阻单元FR并入转子回路，通过耗能电阻的吸能作用，将产生的过电压能量消除。
（2）反向过电压。励磁系统在正常停机时采用改变导通角大小实现逆变灭磁。在电气事故时将通过跳灭磁开关实现快速移能灭磁，但由于转子是一个储能的大电感，在跳开灭磁开关后转子当于直流恒流源，它产生一个反电动势作用在转子回路中，触发板发出触发脉冲，与之相连的可控硅V61被触发，立即将灭磁电阻（SiC）串联到转子回路中。同时，流过跨接器的电流增大，达到动作值，跨接器过流保护动作，发灭磁开关跳闸令使灭磁开关断开，转子过压能量消耗在非线性电阻上。
4.4 长河坝励磁系统跨接器保护的优点
（1）正反向过压保护采用可控硅跨接器，整定方法简单，无须维护。
（2）采用独特的熄灭线技术，转子出现瞬间过电压动作时，可由用户选择停机或不停机处理方式。
（3）跨接器动作后能可靠返回。
5 结束语
长河坝水电站是为大渡河干流河段梯级开发规划的第十个梯级电站，电站总装机容量2600MW，建成后供电华东电网，在系统中担负峰腰荷。首台机组自2016年12月发电至今，运行情况良好，其EXC9000型励磁系统所采用的过电压保护配置是合理的、必须的，它有效的防止了交流侧、直流侧各种过电压，提高了励磁系统及机组运行安全性、稳定性和可靠性。
参考文献：
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[2]励磁阳极过压保护装置及其在三峡电厂的应用.水电站机电技术，章俊；胡先洪；陈小明，2007
[3]发电机转子回路过电压保护国内外方案比较.中国电力，李自淳，1994