勵(lì)磁變壓器的過(guò)電壓保護(hù)(最終稿)

1、勵(lì)磁變壓器的過(guò)電壓保護(hù)李自淳 夏維珞 符仲恩（科大創(chuàng)新公司科聚分公司，安徽 合肥 230088）摘 要 本文分析了勵(lì)磁變壓器絕緣擊穿的原因，探討了過(guò)電壓保護(hù)的方法，介紹阻容吸收器和三相限壓器互補(bǔ)組合的一種有效過(guò)電壓保護(hù)措施。關(guān)鍵詞 變壓器；過(guò)電壓；保護(hù)1 前言隨著同步發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止整流勵(lì)磁方式的不斷推廣，勵(lì)磁變壓器的用量逐漸增多。隨之勵(lì)磁變絕緣擊穿的事故也有所上升，特別是進(jìn)口勵(lì)磁變，由于其設(shè)計(jì)裕量較小，而且大都是三相同體，更容易發(fā)生擊穿。勵(lì)磁變壓器的運(yùn)行工況與普通變壓器有何不同？為什么它的絕緣容易擊穿？用什么方法可以有效地保護(hù)它不被過(guò)電壓擊穿？這些就是本文所要探討的問(wèn)題。2 勵(lì)磁變壓器運(yùn)行中

2、過(guò)電壓的來(lái)源2.1 可控硅整流橋產(chǎn)生的換相過(guò)電壓勵(lì)磁變壓器的運(yùn)行工況與普通變壓器有一個(gè)很大的不同，就是在運(yùn)行中其次級(jí)連續(xù)地、頻繁地發(fā)生瞬間短路和開路，造成其輸出電流頻繁地高低起伏，產(chǎn)生極大的di/dt，由于繞組具有一定漏電感，所以在繞組內(nèi)感應(yīng)出連續(xù)、頻繁的過(guò)電壓。圖1為葛洲壩二江電廠7#水發(fā)機(jī)（125MW）勵(lì)磁并聯(lián)變二次a、b兩相間線電壓uab錄波圖。從圖中可看出，在正常的正弦波電壓上疊加了一連串的過(guò)電壓尖峰，特別是在tc和tf時(shí)刻，正反向過(guò)電壓峰值達(dá)到了正弦波峰值的2.3倍以上（最大值超出圖框不可知）。如此高的過(guò)電壓，重復(fù)頻率為100Hz，連續(xù)不斷地作用在勵(lì)磁變的繞組上，必將使絕緣疲勞老化，

3、最后導(dǎo)致?lián)舸Ｒ接戇@過(guò)電壓的來(lái)源，就得從勵(lì)磁變的負(fù)載可控硅整流橋和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組來(lái)分析?？煽毓枞嗳卣鳂騽?lì)磁的原理如圖2所示，其整流輸出的直流電壓uf波形如圖3所示（電源頻率50Hz）。圖2中勵(lì)磁變壓器LB次級(jí)相電勢(shì)分別為ua、ub、uc，LB的漏感以及線路電感折合到次級(jí)繞組用集中電感Lb表示。正常運(yùn)行時(shí)K1K6六只管子輪流導(dǎo)通。假定在t1時(shí)刻前，K1和K6導(dǎo)通；在t1時(shí)刻K2管子收到觸發(fā)脈沖，此時(shí)圖2 可控硅全控橋整流原理圖 圖3 勵(lì)磁電壓波形圖圖1 葛洲壩二江電廠7#機(jī)勵(lì)磁變二次線電壓uab錄波圖(未裝GRC)Y軸：電壓500V/格 X軸：時(shí)間2ms/格交流陽(yáng)極電壓（相電壓）ubua

4、，故K2管承受正向電壓，K1管承受反向電壓，換流趨勢(shì)是K2管導(dǎo)通，K1管截止。但是由于K1管在導(dǎo)通期間晶體內(nèi)積存了大量的少數(shù)載流子（電子和空穴），不能立即恢復(fù)截止，這樣在短時(shí)間內(nèi)K1和K2同時(shí)導(dǎo)通。此時(shí)a、b兩相間產(chǎn)生瞬時(shí)的短路，uab0，短路電流id 增長(zhǎng)速度did/dt =（ub-ua）/2Lb。短路期間整流輸出電壓的瞬時(shí)值uf = (uac+ubc) / 2，為a、b兩相對(duì)c相線電壓的平均值（考慮勵(lì)磁變LB次級(jí)a、b兩相的短路阻抗壓降相同）。K1、K2兩硅管電流的波形見圖4。t1時(shí)刻前K1管電流iK1等于勵(lì)磁電流If，K2管電流iK2為零；t1時(shí)刻K2管觸發(fā)導(dǎo)通，其電流iK2上升，同時(shí)i

5、K1下降，開始換流過(guò)程。由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組LQ大電感的影響，勵(lì)磁電流If可視作恒值。根據(jù)柯?；舴蚬?jié)點(diǎn)定律， iK1 + iK2 = If = 恒值。換流的快慢即iK1及iK2的變化率（同時(shí)也是短路電流id的增長(zhǎng)率）diK/dt = (ub-ua)/2Lb。到t2時(shí)刻iK1降到零，iK2=If，似乎換流可以結(jié)束了。但此時(shí)K1內(nèi)還積存有大量的少數(shù)載流子，不能恢復(fù)截止，故短路電流id繼續(xù)增長(zhǎng)，iK1變?yōu)樨?fù)值，ik2 If。到t3時(shí)刻K1反向電流達(dá)到最大值，積存的少數(shù)載流子迅速?gòu)?fù)合完畢，立即恢復(fù)截止，故K1反向電流立即回零，K2的正向電流也產(chǎn)生一個(gè)“猛跌”回到If（據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，t3t4僅幾個(gè)µ

6、;s）。硅管電流ik1和ik2同時(shí)也是電感Lb內(nèi)的電流，由于t3t4此電流變化率極大，故在電感Lb中感應(yīng)出極高的換相過(guò)電壓Du=-Lb。據(jù)了解，如不采取適當(dāng)措施，Du可達(dá)到整流變二次電壓正弦波峰值的13倍。可以看出t1 t4就是LB二次輸出短路的過(guò)程，也即圖1中tc0tc的過(guò)程，稱為“重疊區(qū)”。圖1中，tc0tc及tf0tf為ab相的輸出短路，uab降到幾乎為零；ta及td前為ac相的輸出短路，tb及te前為bc相的輸出短路，此時(shí)uab也均下降，但不為零，過(guò)電壓也不太高（此時(shí)換相過(guò)電壓發(fā)生在ac相或bc相之間），詳細(xì)可參閱“電力電子技術(shù)”的有關(guān)書籍1。2.2 其它過(guò)電壓除了上述勵(lì)磁整流變壓器特

7、有的換相過(guò)電壓外，其它普通變壓器可能出現(xiàn)的過(guò)電壓，如開關(guān)投切的操作過(guò)電壓、從高壓電網(wǎng)竄入的大氣過(guò)電壓、高壓出線短路、接地等的故障過(guò)電壓等等，也都能作用到勵(lì)磁變壓器上。圖4 K1、K2硅管電流波形圖 圖5 GRC保護(hù)原理圖 3勵(lì)磁變壓器的過(guò)電壓保護(hù)3.1 概述目前國(guó)際公認(rèn)的最先進(jìn)的過(guò)電壓保護(hù)器件是氧化鋅壓敏電阻（或稱非線性電阻ZnO）組成的無(wú)間隙避雷器。但在勵(lì)磁變的過(guò)電壓保護(hù)上存在以下實(shí)際問(wèn)題：3.1.1 電力部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 583-1995大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件中4.5.2 b）規(guī)定：“非線性電阻負(fù)荷率不大于60%”；3.0.18規(guī)定：“非線性電阻負(fù)荷率，指在額定工

8、況下，非線性電阻承受電壓的峰值與壓敏電壓（又稱動(dòng)作電壓）之比”?？梢奪nO在額定工況下是不導(dǎo)通動(dòng)作的，不能長(zhǎng)期、連續(xù)、頻繁地動(dòng)作，否則會(huì)引起ZnO快速老化擊穿短路。對(duì)上述100Hz的頻繁連續(xù)的換相過(guò)電壓不能用ZnO來(lái)吸收。3.1.2 對(duì)其它過(guò)電壓，是偶發(fā)的、短暫的，很適合用ZnO來(lái)保護(hù)。但按國(guó)標(biāo)GB11032交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器生產(chǎn)的普通避雷器（MOA）仍不能直接用來(lái)保護(hù)勵(lì)磁變。因?yàn)椋篴) MOA均跨接在相與地之間，對(duì)相間過(guò)電壓要經(jīng)過(guò)兩只MOA串聯(lián)限壓，殘壓為相-地的兩倍，超出了絕緣的耐受程度，不能有效地保護(hù)相間絕緣；b) 國(guó)標(biāo)所列的參數(shù)均是針對(duì)電力系統(tǒng)額定電壓的，而勵(lì)磁變二次電壓隨發(fā)電

9、機(jī)參數(shù)而變，套不上標(biāo)準(zhǔn)，買不到合適的定型產(chǎn)品。針對(duì)以上問(wèn)題，我公司開發(fā)了專用的產(chǎn)品GRC系列阻容吸收器和SXY系列三相限壓器，下面分別介紹。3.2 GRC系列阻容吸收器2對(duì)于上述100Hz的頻繁、連續(xù)的換相過(guò)電壓，可用阻容吸收器來(lái)限制。因?yàn)樽枞輿]有“負(fù)荷率”和老化的問(wèn)題，只要電阻的散熱功率足夠，就可以連續(xù)吸收過(guò)電壓。其原理電路見圖5。勵(lì)磁變LB二次繞組任意兩相電流突變產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，都可以經(jīng)過(guò)二極管D1D6對(duì)電容C充電，從而得到緩沖，降低di/dt，減小了過(guò)電壓。過(guò)電壓消失后，C上的電荷向電阻R釋放，等待下一個(gè)周期再次吸收。二極管D1D6的作用一是可使三相共用一組R、C，節(jié)省體積大、價(jià)格高的高壓

10、電容；二是防止C上的電荷向勵(lì)磁回路釋放，避免在可控硅換相重疊瞬間兩相短路時(shí)，C突然放電產(chǎn)生極大的di/dt，損壞可控硅管；三是可以避免電容C和回路電感產(chǎn)生振蕩。本方案的原理電路并不新鮮，一般教科書1中早有介紹，但其阻容參數(shù)的選擇卻有一番研究。教科書中選擇C容量的出發(fā)點(diǎn)是吸收整流變空載拉閘時(shí)漏感的磁能，但實(shí)際上機(jī)端自并勵(lì)系統(tǒng)的勵(lì)磁整流變不可能有這種工況，所以這種容量計(jì)算在這里就無(wú)實(shí)際意義。這里要吸收的是可控硅換相時(shí)反向恢復(fù)電流在勵(lì)磁變漏感及引線電感中產(chǎn)生的磁能，如本文2.1所分析的。詳細(xì)的分析計(jì)算比較繁雜，限于篇幅不擬在這里探討。我們經(jīng)過(guò)仔細(xì)的理論分析和大量的實(shí)際驗(yàn)證，掌握了根據(jù)限壓要求及電路參

11、數(shù)計(jì)算C的容量、R的阻值及功率WR的方法，可以較準(zhǔn)確地配置RC參數(shù)以達(dá)到理想的換相過(guò)電壓吸收效果，并保證GRC安全可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行。如葛洲壩二江電廠共有125MW及170MW的水發(fā)機(jī)12臺(tái)，由于有串聯(lián)勵(lì)磁變串接在并聯(lián)勵(lì)磁變的二次側(cè)，加大了圖2中的折合電感Lb，使換相過(guò)電壓特別高（見圖1）。經(jīng)我們多次反復(fù)計(jì)算及試驗(yàn)，在勵(lì)磁變二次側(cè)加裝了合適的GRC，使換相過(guò)電壓大幅度下降。圖6是7#機(jī)加裝GRC后勵(lì)磁變二次側(cè)a、b兩相間線電壓uab的錄波圖，圖ta、tb、tctf各瞬間均與圖1對(duì)應(yīng)?？梢钥闯鲎罡叩膿Q相過(guò)電壓尖峰（tc及tf時(shí)刻）從正弦波峰值的2.3倍以上降到1.42倍，差不多降低了一半；電阻表面溫

12、升低于120ºK，電廠感到滿意，決定給所有機(jī)組均裝設(shè)GRC。圖6 與圖1相同情況的錄波圖（加裝GRC）又如廣西浮石水電廠，勵(lì)磁變二次線電壓為470V.AC，運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)換相過(guò)電壓尖峰高達(dá)1800V，致使整流柜續(xù)流二極管多次燒毀造成停機(jī)。后來(lái)加裝我們專門設(shè)計(jì)的GRC，換相過(guò)電壓尖峰降到690V，電阻表面溫升低于100ºK，電廠非常滿意。經(jīng)過(guò)多年來(lái)100余臺(tái)發(fā)電機(jī)使用GRC的結(jié)果證明，經(jīng)專門設(shè)計(jì)的本保護(hù)器可將換相過(guò)電壓尖峰限制到勵(lì)磁變二次線電壓正弦波峰值的1.5倍以下，有效地保護(hù)了勵(lì)磁變的安全。3.3 SXY系列三相限壓器3上述的GRC阻容吸收器能吸收連續(xù)而頻繁的換相過(guò)電壓，但其

13、一次性吸收的能容量有限。而且隨著吸收能量的增加,電容器C兩端電壓會(huì)不斷升高,沒有限壓的功能。對(duì)于偶然出現(xiàn)的較大能量沖擊的過(guò)電壓，就起不到有效的保護(hù)作用。在這種情況下，ZnO就顯示出它的突出優(yōu)點(diǎn)，它具有優(yōu)越的非線性伏安特性（見圖7），其限壓性能好，動(dòng)作時(shí)間短（50ns），通流吸能容量大（300J/cm3），壽命長(zhǎng)，體積小，維護(hù)簡(jiǎn)便，性能穩(wěn)定，是目前國(guó)際公認(rèn)的最先進(jìn)的過(guò)電壓保護(hù)元件。我們利用它制成四星形聯(lián)接的SXY系列“三相限壓器”(見圖8)。分別跨接在勵(lì)磁變的一次側(cè)及二次側(cè)，可以有效地限制勵(lì)磁變相間及相地過(guò)電壓的幅值，保證在大能量過(guò)電壓的沖擊下，勵(lì)磁變相間絕緣和相地絕緣的安全！ 圖7 ZnO閥片

14、的伏安特性圖 圖8 三相限壓器（SXY）保護(hù)原理圖 我們自己生產(chǎn)的ZnO閥片性能占國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，容許荷電率高，殘壓比低，漏電流小，能容量大。我們可以根據(jù)不同勵(lì)磁變的參數(shù)（容量、一二次額定電壓、阻抗壓降等），設(shè)計(jì)非標(biāo)的適用的三相限壓器，來(lái)滿足不同勵(lì)磁變的保護(hù)需要。4 總結(jié)GRC阻容吸收器和SXY三相限壓器都可用作勵(lì)磁變的過(guò)電壓保護(hù)，二者各有千秋。GRC可以吸收頻繁、連續(xù)的換相過(guò)電壓，但不能限壓，一次性吸能容量不大；SXY則反之。所以把兩者并聯(lián)組合使用，起到互補(bǔ)作用，可形成有效的保護(hù)。GRC吸收頻繁連續(xù)的換相過(guò)電壓，可降低額定工況下SXY非線性電阻承受電壓的峰值，有利于降低SXY中ZnO的荷電率，也便于SXY采用較低殘壓的ZnO，