晶閘管電子式磁場斷路器解讀(20210315140146)

1、晶閘管電子式磁場斷路器（DDL）為主雙冗余滅磁系統在大中型水電站中的設計和應用由晶閘管直流開關電子式磁場斷路器（DDL ）和有觸頭機械式磁場斷路器（QFG） 組成新型雙冗余ZnO電阻滅磁系統（以后簡稱”系統”是由中科院等離子體物理研究所電器 廠和東北勘測設計研究院聯合自主設計研制生產的。系統”在1990年10月29日投入紅石50MW機上試運行，1992年7月8日由水利水電規(guī)劃設計總院主持通過鑒定，（見資料1） 正式投入運行；1996年到1998年又先后投入蓮花4臺137.5MW機、豐滿2臺140MW機和小山2臺80MW機上運行。至今，系統”在十多年中己經在9臺大中型水輪發(fā)電機上 經過各種嚴重考

2、驗，積累了五十多臺年連續(xù)安全運行的記錄。為了向迅猛發(fā)展的水力發(fā) 電工程提供一種安全可靠具有全面保障和依據的切實可行的新型滅磁系統，2002年10月9日到11月6日由中科院等離子所科聚公司和東北勘測設計研究院的代表共同到上述 四電廠與各電廠現場代表組成聯合調查組，對這種新型滅磁系統運行情況進行全面調查， 在現場寫成運行總結報告，（見資料25）。據此，本報告綜合這套”系統”在大中型水輪發(fā) 電機上設計和應用五十臺年的情況簡介如下。一、主電路及其工作原理系統”主電路圖如下圖：圖中：SCR1, 2流通主電路電流用的直流電子開關，一般可用 2只或3只晶閘管組成SCRd關斷主電路電流用的晶閘管C關斷主電路電

3、流用的儲能電容op發(fā)電機開機起勵時開通電子開關的觸發(fā)電路板de關斷電子開關SCRd的觸發(fā)電路板CHA電容C的充電及其監(jiān)控保護電路板LA限流電抗器TOV限制過電壓的保護KA監(jiān)測電流的直流電流變換器AV調整主晶閘管均流的部件DDL晶閘管電子開關組成的磁場斷路器QFG有觸頭機械式磁場斷路器系統”主要工作原理簡述如下：在發(fā)電機開機升速和其它各種必要的運行過程中，由兩個廠用電源保障的CHA向C充電到足以充分滿足關斷主電路最大電流的電量。當發(fā)電機起 勵升壓時，op接受機組監(jiān)控單元LCU的指令自動觸發(fā)SCH1,2使主電路導通電流。當發(fā)電機由于事故或者其它原因發(fā)出滅磁令時， de接到滅磁令立即觸通SCRd,

4、具有充分電量的C向SCR1,2反向放電一直到SCR1.2斷流，接著由轉子電流通過整流裝 置APTR和SCRd向C反向充電一直到C上反向電壓與環(huán)路反向充電電壓相等時，SCRd斷流關斷。C仍通過CHA放電和按LCU指令正向充電作下次滅磁準備。系統”控制邏輯電路確保接受滅磁指令后，在 0.1秒內監(jiān)視到KA3仍有轉子電流通 過時，就會立即啟動備用 QFG使它跳閘完成滅磁。這種磁場斷路器雙冗余的配置大幅度 提高滅磁的安全可靠性。如果監(jiān)視到 KA3己經斷流，邏輯電路就不會啟動 QFG跳閘。系統”邏輯電路確保充分滿足發(fā)電機各種運行方式包括機組電制動仃機方式對電子 開關的通斷要求，它己是五十多臺年運行己經證實

5、的事實。、”系統”配置的發(fā)電機勵磁參數及其運行記錄水電站名稱單位紅石蓮花豐滿小山發(fā)電機額定功率MW50137.514080發(fā)電機額定轉速R/min107.193.8107.1214.3勵磁變額定谷量kVA1250200016001250勵磁變二次電壓V520650710530額定勵磁電壓V255327396260額定勵磁電流A1174149313291150強勵倍數2222強勵頂值電壓V638818990671.85強勵頂值電流A2348296826582300T doS5.06.846.05736.14滅磁電阻ZnO串X并前期后期3X 323X 702X 56數3X 564X 52前期后期滅

6、磁轉子電壓V13001200100014831420DDL電子開關晶閘管并、聯2332機械式磁場斷路器型號DM2DM4DMXDM4發(fā)電機組編號1123411 121 2年1992199 199 199 19919919919919987768777DDL正式投運時間月 日789 2 12 16 126 2 1112 113 2 3 22 68 2 82 8 2 5DDL運行天數日18161180180181095714DDL運行天數統計日2002.11.12002.11.52002.10.31 2002.11.4三、系統”運行工況及其維護經驗1. 根據 上述調查統計，系統”從正式投運以來，它所

7、配置的大中型發(fā)電機組己有 9臺， 總裝機容量已達1040MW，已經創(chuàng)造了連續(xù)安全運行18162臺天。也就是49.8臺年約五 十臺年的安全運行記錄。2. 這9套系統的中的發(fā)電機勵磁主電路通流用的 24只高電壓大電流國產主晶 閘管和斷流用的18只高電壓國產晶閘管，66只高電壓大容量國產電容器、9只冷卻風扇 都經受住了長時期（最長為10.4年,最短為4.2年）連續(xù)運行、停、通斷、甚至多次各種 電氣故障事故滅磁操作的嚴重考驗，包括在發(fā)電機帶電運行中因轉子風扇脫落導致定子 掃膛短路事故滅磁和在工業(yè)試驗中做過的在強勵頂值電流下滅磁的考驗，整套冗余滅磁 系統始終表現出確保安全滅磁的性能。上述 108只主要元

8、件在機組帶電實際運行中沒有 發(fā)生損壞事故停運過，可用率為100%。3. DDL在運行中并聯晶閘管的均流性，最大通流差值：紅石為10A，小山為1040A，蓮花為100A左右，豐滿為50100A。因為在直流回路中直接并聯運行的晶閘 管的通流值差值的減少主要取決于其對應晶閘管通流壓降差值的減少，今后設計選擇DDL并聯工作的晶閘管時，應該選用通流管壓降盡量一致的晶閘管，同時改進DDL盤內調整并聯晶閘管均流性的硬件結構，以求進一步提高均流性，減少并聯運行主晶閘管的 通流差值。4. 系統”在投運前期開機觸發(fā)通流過程中都能保證發(fā)電機組正常起勵通流，但是并聯運行的晶閘管中有的時候或多或少地出現過有1只晶閘管還

9、沒有觸通時，觸通電路板已經停止輸出觸發(fā)脈沖了，各電廠發(fā)現這種情況時前期多是由運行人員再次手動 觸發(fā)一次，把沒有觸通的那只晶閘管觸通，后來則都采用把發(fā)電機組現控制單元LCU輸出觸發(fā)DDL主晶閘管的脈沖時間程序適當延長（例如從 5秒、8秒加長到10秒、15秒）, 就能保證并聯運行的晶閘管全部自動觸發(fā)通流了。系統 ”在正式投運時期停機自動斷流， 以及在“電制動”停機過程中自動通流斷流的功能上均表現能可靠工作沒有發(fā)生故障停 運過。5. 蓮花水電站的DDL在隨同主機檢修過程中，曾出現3號機有1只關斷電容，2號機有2只關斷電容，在電容器箱箱蓋與接線柱連接處漏油?，F場查明其原因是電容器 接線柱上并聯連接線是

10、采用硬銅線焊接的，當相連電容器在安裝不正、高矮稍有不同時， 其連接處就長期受焊接硬銅線的拉力導致裂縫漏油?，F場確認它不是由電氣原因造成的， 在檢修中己把這3只電容器用備品更換，恢復正常。豐滿水電站11號機也有2只電容器在2年前發(fā)現電容器箱上與接線柱接口周邊出現 一個滲出油跡圈，其寬度約為5mm,其原因與蓮花相同，只是表現輕微。以后（包括這 次聯合調查）觀察監(jiān)視。未見其工作性能有變化，所以至今沒有更換。今后DDL組裝時，對關斷電容器的并聯接線，不要采用硬銅線焊接，宜改用能適當 移動的軟銅線焊接，以避免和防止在組裝和運輸過程中電容器箱蓋受到機械損傷而滲油。6. 晶閘管電子開關具有常規(guī)有觸頭式磁場斷

11、路器沒有的對其內部主要部件工作狀況進行 監(jiān)視的故障自診斷功能，例如：關斷電容器充電電壓的監(jiān)視、每只并聯運行主晶閘管的 通流值的監(jiān)視和過流自動報警、晶閘管冷卻風扇風速消失報警，滅磁令下達后監(jiān)視DDL斷流功能是否完成是否需要再自動啟動有觸頭磁場斷路器跳閘斷流的自動監(jiān)視功能等。鑒于水電廠己經普遍采用 PLC監(jiān)控的成功經驗，今后對 DDL內部主要部位工況的監(jiān)控， 決定采用可編程控制器（PLC），這樣可以進一步提高其工作的可靠性和便于與機組的 LCU通信聯網。而且對冷卻風速監(jiān)視和主電路電流是否已經斷流監(jiān)視的發(fā)信元件作進一 步改進。7. 此次聯合調查中證實小山水電站 2套DDL冗余滅磁系統自投入運行以來確

12、實保證了 2臺80MW發(fā)電機組在各種事故中可靠地安全滅磁，但是同時也發(fā)現當時現場 存在的兩個隱患：一個是1號機”系統”的邏輯硬件接線有錯誤，導致在滅磁過程中 DDL斷流后又自動 觸通導流，以致自動啟動 QFG斷流滅磁，當時在現場把邏輯硬件接線錯誤糾正后，就恢 復正常了。一個是2號機觸發(fā)SCRd脈沖變壓器接線焊點有一處脫焊斷開，當時在現場將它重新 可靠地焊接上，就恢復正常了。8. 蓮花3號機DDL在運行中工作一直正常，但是在 2002年11月隨同機組大 修時檢驗測試時，卻發(fā)現主晶閘管觸發(fā)板和關斷電容充電監(jiān)控板已損壞。因為檢修前 DDL工作表現都正常，這種損壞原因顯然是由于測試方式不當導致串電擊傷

13、板上元件。 但是今后編寫DDL使用說明書中要對DDL的運行維護檢修的規(guī)定和測試方式方法敘述 得應該更加詳細具體一些，以利用戶使用，DDL晶閘管的布置結構設計也要進一步優(yōu)化， 以求提高檢修維護拆卸的方便性。四、結論系統”經過50臺年安全運行實踐證實，它與單套磁場斷路器比較：其安全可靠性更 高，維護工作是更少，更能適應按“無人值班，少人值班”監(jiān)控方式運行水電站的需要。所以有這種優(yōu)越性能，其原因是：1. DDL主要采用大容量高參數的晶閘管、電容和電子器具等靜止元件組成，設計安全裕 度大。與有大觸頭的機械斷路器比較，它不需要制造維護都很復雜的大功率機械傳動機 構和故障率很高的滅弧柵，切斷電流過程不產生

14、電弧燒損和機械磨損以及震耳的響聲， 因而具有更高的可靠性、更長的使用壽命（半永久性）、更少的維護工作量（屬免維護性） 因而它特別適用于無人值班和少人值守的水電站。2作為DDL主件晶閘管通流后切斷時間是1毫秒左右，比有觸頭斷路器切斷時間20毫秒左右快得多。根據公式：轉子繞組，在 DDL斷流過程中產生的反 向電壓e= L X di/dt ，晶閘管電子開關斷流要比有觸頭斷路器斷流產生的反向電壓高的 多，從而可以更安全地保證轉子電流向滅磁電阻轉移。所以DDL特別適用于采用氧化鋅非線性電阻滅磁系統。3. DDL具有比較完善的自診斷系統，其重要工作狀態(tài)正常機組運行中都有自檢自動報警功能。而有觸頭斷路器其部

15、件有缺陷，只能在操作過程或拆卸開后由有經驗 人檢查才能發(fā)現。因而DDL特別適用采用計算機監(jiān)控的電廠。4. 晶閘管元件的串并聯技術已經成熟，它的產品規(guī)格多樣化為DDL制造生產的系列化、模塊化、主件（晶閘管）冗余化，創(chuàng)造十分有利的條件。元件供貨國內外渠 道暢通。因而DDL特別適合我們抓緊時機，順利完成研制巨型發(fā)電機磁場斷路器工業(yè)試 驗樣機的科研攻關，并為我國生產出適用水電廠的系列產品。5. 根據我國自主研制、生產和運行 DDL十多年經驗，DDL既可以取代有觸頭 磁場斷路器，安全可靠地獨立工作，又可以與有觸頭磁場斷路器組成雙重互為備用的冗 余滅磁系統，大幅度提高滅磁可靠性，確保發(fā)電機在滅磁方面萬無一

16、失，具有較高的功能價比。6. 十多年前，我們研制的DDL投運時，有人提出用晶閘管代替斷路器觸頭是否降低工作可靠性的問題，如今 DDL在四個大中型水電廠9臺大中型機組上安全投運五 十臺年的事實說明：DDL的主晶閘管元件正常運行是在轉子主回路直流電流下運行的， 與勵磁整流柜晶閘管工作條件對比，后者電流變化很大，每周波要通斷，晶閘管頻繁通 斷，損耗大發(fā)熱多；而DDL主晶閘管在長時間運行中流通直流電流，通斷損耗要小的多， 發(fā)熱少，安全性要高得多?，F場實測溫度也已經證明DDL主晶閘管運行溫度比勵磁整流柜晶閘管運行溫度低得多。這與理論上作數量計算證明的結果是一致的。7. 從IEEE1983年5日發(fā)表的文獻

17、(見資料6)中查到：日本東京 東芝公司和大 阪壓敏電子元件公司在幾年中己經聯合研究用晶閘管、電容和氧化鋅閥片組成直流 1500V 3000V晶閘管電子斷路器樣機，在直流電氣化鐵路、工廠及其它設備上試驗和使 用。其主電路原理與本”系統”是基本類似的。綜上所見，DDL型晶閘管電子式直流磁場斷路器和有觸頭機械式磁場斷路器(FMK)組成雙冗余ZnO滅磁系統，用于發(fā)電機勵磁回路的滅磁是完全可行的，可以大 幅度提高滅磁安全可靠性。它具有開斷快速、無弧光、無聲響、溫升小的特點，基本達 到無故障、免維護的目標，特別適用于無人值班和少人值守、采用計算機監(jiān)控的電廠。 隨著電力電子器件和其他電器元件制造水平的不斷提高和電站自動化需要，系統” ”的優(yōu)越 性將更加明顯。參考資料1 晶閘管直流開關滅磁新技術鑒定證書1992年7月8日水利水電規(guī)劃設計總院2 豐滿發(fā)電廠DDL型晶閘管直流磁場斷路器及冗余滅磁系統運行