励磁阳极过压保护装置及其在三峡电厂的应用★★★

励磁阳极过压保护装置及其在三峡电厂的应用

胡先洪，章俊，陈小明

（三峡水力发电厂，湖北宜昌市，443113）

摘 要 本文分析了励磁系统产生过电压的原因、种类以及各种保护措施，结合以上原理分析了三峡电厂所采用的RC 阻容阳极过压保护装置和在实际运行中的试验数据，肯定了此装置在机组安全运行中所起到的作用。

关键词 励磁系统过电压；阻容保护；三峡电厂

0、 引言

三峡左岸电站机组设计中没有设计励磁阳极过电压保护, 可控硅的换相过电压加在励磁变压器的主绝缘上，给励磁变的安全运行带来隐患，同时对可控硅励磁系统的功率元件也有一定的威胁，可控硅励磁系统的功率元件承受过电压、过电流的能力较差，即使很短时间的过电压和过电流都可能导致元件的损坏，而且可控硅元件承受正向电压上升率和电流上升率的能力也有一定限度，超过这个限度也可能导致可控硅元件的损坏，造成励磁系统不能正常工作。

施加在可控硅元件上的正反向瞬时峰值电压，凡超过规定值时，都称为过电压。施加的正向电压瞬时值超过可控硅元件的断态非重复峰值电压，达到正向转折电压，或电压值虽未达到正向转折电压，但电压上升率较大，且超过允许的阻断电压临界上升率，均可造成功率元件的损坏。若加于可控硅元件的瞬时反向峰值电压超过其非重复反向峰值电压，而达到反向击穿电压，将造成功率元件的反向击穿损坏。

为了保证励磁系统安全可靠地工作，延长功率元件的使用寿命，除了提高功率元件的产品质量和在设计时正确选择功率元件的参数、并留有一定的安全裕度外，还必须将过电压、过电流和电压上升率、电流上升率限制在功率元件所允许的范围之内，以保证其安全可靠地运行。三峡左岸电站11号机组励磁变压器因绝缘问题导致烧毁后，我们及时对部分机组进行了阳极过电压情况的测试工作，并联合重庆大学对阳极过电压进行了仿真试验，最终确定出一套阳极过电压保护装置的配置和相关参数，并招标进行了阳极过电压保护装置的生产，并在2005至2006年度C 修过程中及时投运。从已投入运行的机组试验看来有了很明显的降压效果。现就此问题做一个简短的介绍。

1、 励磁阳极过压保护装置原理

可控硅励磁系统中出现的过电压现象，其主要原因有两个：

① 由雷击等原因引起的大气过电压；

② 整流系统所在电路中的跳闸、合闸和可控硅元件关断等电磁暂态过程所引起的操作过电压和换相过电压。

其中，换向过电压是周期性的陡脉冲信号。整流系统在为发电机提供励磁电流的同时，该过电压也将持续作用在励磁变压器的主绝缘上；一定条件下，其幅值有可能达到额定电压的三倍以上。长时间的过电压作用会引起主绝缘的绝缘性能裂化，产生局部放电现象，局部放电的发展将使绝缘性能劣化，最终使绝缘破坏。

过电压的保护分为交流侧保护、直流侧保护和元件保护三种，交流侧保护又分为闭雷器、接地电容、抑制电容、阻容保护、整流式阻容保护、硒堆保护、压敏电阻保护；直流侧保护分为阻容保护、整流式阻容保护、硒堆保护、压敏电阻保护；元件保护主要是在可控硅两端并联阻容保护。

通过对励磁系统过电压抑制措施的深入分析，我们发现压敏电阻的抑制方式能抑制过电

压的幅值，但却反而使过电压的陡度增大；压敏电阻（避雷器）等耗能元件只适合用于抑制大气过电压。因此我们着重对各种阻容式保护方式进行了深入的分析。阻容保护又叫阻容吸收保护，利用电容器两端电压不能突变，而能储存电能的基本特性，可以吸收瞬间的浪涌能量，限制过电压。为了限制电容器的放电电流，降低可控硅开通瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率d i /dt ，以及避免电容与回路电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻，从而构成阻容吸收保护，一般可抑制瞬变电压不超过某一允许值，可作为交流侧、直流侧以及硅元件本身的过电压保护。用于三相交流侧的阻容保护通常采用△接法以减小电容量，但耐压要求高一些。

对于励磁系统换向过电压的抑制方案，国内外已有不少单位从理论上进行了详尽的分析，各种抑制方案都比较成熟，其中整流式的RC 滤波方式得到了广泛的应用。我们分析了各种过电压抑制方案的原理及优劣，通过建立的励磁系统仿真模型进行验证。我们分析发现整流式的滤波方式存在一定的缺陷，尽管它也可以把过电压的陡度与幅值降低到一定的范围，但其滤波效果并不能令人满意，而三角形电路中RC 支路直接夸接在两相之间，可以很好地抑制任意两相间的电压冲击，抑制后的线电压波形几乎没有尖峰，陡度已大大降低，因此其滤波效果明显比整流式好得多。抑制后的过电压不会对系统构成冲击，从滤波效果的角度上讲应该是最好的。所以我们采用滤波效果很好的三角形滤波电路。

2、励磁阳极过压保护装置设计

三峡机组采用三角形滤波电路抑制换向过电压，经试验效果明显。

三峡左岸电站机组励磁系统设计参数为：

ALSTOM VGS

额定励磁电压 476 V 387 V

额定励磁电流 4158 A 3779 A

空载励磁电压 269 V 217 V

空载励磁电流 2352 A 2120 A

最大励磁电压 1556 V 1280 V

最大励磁电流 4780 A 4334 A

励磁变低压侧额定电压 1243 V 1024 V

三峡左岸电站安装有14台额定容量777.8MV A 的水轮发电机阻，采用自并励励磁方式，机端电压20KV ，励磁变容量3⨯2200KV A ，二次侧电压：VGS 机组：1024V ；ABB 机组：1243V 。由于阳极电压过高，阳极尖峰过电压水平也很高，为抑制阳极尖峰过电压，三峡电厂委托重庆大学高压绝缘与电工新技术研究所进行研究，同时测控分部对7号机励磁阳极电压波形进行录波。经过一段时间的努力，重庆大学完成研究并编著《三峡左岸电站发电机励磁阳极过电压仿真及其抑制措施研究验收报告》。经重庆大学和三峡电厂多次仿真和试验并确定阻容参数后，决定在发电机励磁变二次侧安装一套阻容吸收装置，即阳极过电压保护装置，用于吸收励磁装置阳极侧的尖峰过电压。

在方案实施前，三峡电厂技术人员结合实际情况，分析重庆大学的验收报告，确定下列接线方式以及阻容保护参数，首先分析关于采用阻容式滤波引起谐振的问题，由于可控硅只有正向电流流过，同步电机转子电感与滤波电路中的电容无法进行能量的相互传递，因此，不会造成谐振。另外，根据R 、L 、C 谐振条件ω=1/LC ，结合现场的参数可知，即使存在谐振，也只是谐波分量中频率极高的成分，其能量往往很低”。我们发现这个研究中没有考虑励磁装置在阳极回路中的几个变压器，尽管这些变压器的容量小，但是它们的存在促使我们选择阻容参数更加谨慎，因为这些变压器可能会加大换相后出现的振荡，也有可能引起电气谐振。

综合上述各项因数，对于三峡励磁阳极阻容保护，我们选择的参数如下：R=40Ω/500W，

C=4μf/AC3000V，三角形接线，其接线原理图如图1所示。柜体结构示意图如图2所示。

过压保护装置元器件选择：

电阻 40Ω/ 500W，大功率无感电阻

电容 4uF / AC4000V，德国电容

高压电缆 AGG-4.0/5000V，高压电缆，耐高温180度

保险芯 FWJ-35A/1000V，高压小电流保险

励磁变 功率柜

励磁过压保护装置

图1，励磁过压保护装置及其接线方式

前视图 侧视图 顶盖板图 内部立梁位置

图2，励磁过压保护装置结构示意图

3、励磁阳极过压保护装置应用测试

在实际应用中，我们在6号机(ALSTOM 机组) 和7号机(VGS 机组) 上，分别比较了投阳

极过电压保护装置和不投阳极过电压保护装置之间的区别，现整理如下：

7F 的阳极过电压保护装置试验是在2006年1月19日做的试验，试验时先是未投阳极过电压保护装置，测量阳极电压波形；然后再投上阳极过电压保护装置，测量阳极电压波形。以下列出了三个波形，一个是未投阳极过电压保护装置时，测得的阳极电压波形；另一个是投阳极过电压保护装置时，测得的阳极电压波形；最后一个是两者的直接比较。

6F 的阳极过电压保护装置试验是在2006年1月9日做的试验，试验接线方式以及步骤与7F 的阳极过电压保护装置试验完全一致。另外，我们也对12F 的阳极过电压保护装置进行了测试，有关波形图如下。

试验时采用的测试接线方式如图3所示。

电 源 AC 220V图3，励磁过压保护装置试验测试接线方式

（1） 7F 未投阳极过电压保护装置时的阳极电压波形图（图4）

7.03V

7.33V

（图4）

从图4中可看出，励磁阳极峰值电压是7.33×206=1509.98 V

换算成电压有效值是 1509.98÷1.414=1067.88 V

而励磁变低压侧额定电压为 1024 V

从数值上看有些误差，这是由于标尺的取法引起的，影响并不大。

励磁阳极尖峰过电压是 7.03×206=1448.18 V

（2） 7F 投上阳极过电压保护装置时的阳极电压波形图（图5）

5.47V 7.33V

（图5）

从图5）中可看出，投上阳极过电压保护装置之后

励磁阳极尖峰过电压是 5.47×206=1126.82 V

也就是说，投上阳极过电压保护装置之后，励磁阳极尖峰过电压减小了

1448.18 V - 1126.82 V = 321.36 V

（3） 7F 投与不投阳极过电压保护装置时的阳极电压波形图比较（图6）

（图6）

从图6中可看出，励磁阳极尖峰过电压减小的值为：

1.56×206= 321.36 V

由以上分析可看出，阳极过电压保护装置对阳极尖峰过电压的减小率为：

321.36 V ÷ 1448.18 V × 100% = 22.2 %

（4） 6F 未投阳极过电压保护装置时的阳极电压波形图（图7）

7.41

8.54

（图7）

从图7中可看出，励磁阳极峰值电压是8.54×206=1759.24 V

换算成电压有效值是 1759.24 V÷1.414=1244.15 V

而励磁变低压侧额定电压为 1243 V

从数值上看有些误差，这是由于标尺的取法引起的，影响并不大。

励磁阳极尖峰过电压是 7.41×206=1526.46 V

（5） 6F 投上阳极过电压保护装置时的阳极电压波形图（图8）

（图8）

从图8中可看出，投上阳极过电压保护装置之后

励磁阳极尖峰过电压是 5.31×206=1093.86 V

也就是说，投上阳极过电压保护装置之后，励磁阳极尖峰过电压减小了

1526.46 V - 1093.86 V = 432.6 V

（6） 6F 投与不投阳极过电压保护装置时的阳极电压波形图比较（图9）

（图9）

从图9中可看出，励磁阳极尖峰过电压减小的值为：

2.1×206= 432.6 V

由以上分析可看出，阳极过电压保护装置对阳极尖峰过电压的减小率为：

432.6 V ÷ 1526.46 V × 100% = 28.3 %

（7） 12F 投与不投阳极过电压保护装置时的阳极电压波形图比较（图10）

（图10）

从图10中可看出，投阻容保护后，电压上升过程明显变平，即过电压的电压上升率变小。而过电压的dv/dt变小，对变压器和可控硅器件绝缘冲击就小的多。

4、结论

综上所述，三峡电厂的阳极过压保护装置对励磁变低压侧的尖峰电压起到了很好的减小作用，其效果非常明显，减小尖峰值300-400V ，减小率达到了22%以上，更为重要的是，阻容保护明显降低了过电压的上升率，极大地减小了可控硅换向过电压的危害。

在运行初期，曾因柜内温度过高（正常运行时柜内温度接近90℃）而再次更改结构设计，后对柜体内的通风条件进行了有效的改造，现如今，在环境温度18℃时，柜内最高也只有30℃左右。

三峡电厂励磁阳极过压保护装置，抑制了因晶闸管换向产生的尖峰过电压，避免了励磁系统阳极过电压对励磁变压器的绝缘损害，有效保证了励磁系统的安全和稳定。

参考文献

[1] 樊俊，陈忠，涂光瑜. 同步发电机半导体励磁原理及应用. 北京：水利电力出版社.

[2] 廖瑞金，程涣超，冯运. 三峡左岸电站发电机励磁阳极过电压仿真及其抑制措施研究验收报告[R]. 重庆大学高压绝缘与电工新技术教育部重点实验室，2004.

[3] 陈小明. 三峡左岸电站励磁阳极阻容保护装置现场试验总结[R].三峡水力发电厂，2004.

作者简介

胡先洪，男，三峡电厂测控分部主任，从事发电厂励磁设备检修与维护工作。 章 俊，男，三峡电厂测控分部工程师，从事发电厂励磁设备检修与维护工作。 陈小明，男，三峡电厂测控分部高级工程师，从事发电厂励磁设备检修与维护工作。