晶閘管電子式磁場斷路器

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

2、，積累了五十多臺年連續(xù)安全運(yùn)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(jù)的切實可行的新型滅磁系統(tǒng)，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(shè)計研究院的代表共同到上述四電廠與各電廠現(xiàn)場代表組成聯(lián)合調(diào)查組，對這種新型滅磁系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行全面調(diào)查，在現(xiàn)場寫成運(yùn)行總結(jié)報告，(見資料25)。據(jù)此，本報告綜合這套”系統(tǒng)”在大中型水輪發(fā)電機(jī)上設(shè)計和應(yīng)用五十臺年的情況簡介如下。一、 主電路及其工作原理“系統(tǒng)”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(guān)，一般可用2只或3只晶閘管組成SCRd 關(guān)斷主電路電流用的晶閘管C 關(guān)斷主電路電流用

3、的儲能電容op 發(fā)電機(jī)開機(jī)起勵時開通電子開關(guān)的觸發(fā)電路板de 關(guān)斷電子開關(guān)SCRd的觸發(fā)電路板CHA 電容C的充電及其監(jiān)控保護(hù)電路板LA 限流電抗器TOV 限制過電壓的保護(hù)KA 監(jiān)測電流的直流電流變換器AV 調(diào)整主晶閘管均流的部件DDL 晶閘管電子開關(guān)組成的磁場斷路器QFG 有觸頭機(jī)械式磁場斷路器“系統(tǒng)”主要工作原理簡述如下：在發(fā)電機(jī)開機(jī)升速和其它各種必要的運(yùn)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(guān)斷主電路最大電流的電量。當(dāng)發(fā)電機(jī)起勵升壓時，op接受機(jī)組監(jiān)控單元LCU的指令自動觸發(fā)SCH1,2使主電路導(dǎo)通電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)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

4、SCRd，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(zhuǎn)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(guān)斷。C仍通過CHA放電和按LCU指令正向充電作下次滅磁準(zhǔn)備。“系統(tǒng)”控制邏輯電路確保接受滅磁指令后，在0.1秒內(nèi)監(jiān)視到KA3仍有轉(zhuǎn)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(jīng)斷流，邏輯電路就不會啟動QFG跳閘?！跋到y(tǒng)”邏輯電路確保充分滿足發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行方式包括機(jī)組電制動仃機(jī)方式對電子開關(guān)的通斷要求，它己是五十多臺年運(yùn)行己經(jīng)證實的

5、事實。二、”系統(tǒng)”配置的發(fā)電機(jī)勵磁參數(shù)及其運(yùn)行記錄水電站名稱單位紅石蓮花豐滿小山發(fā)電機(jī)額定功率MW50137.514080發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速R/min107.193.8107.1214.3勵磁變額定容量kVA1250200016001250勵磁變二次電壓V520650710530額定勵磁電壓V255327396260額定勵磁電流A1174149313291150強(qiáng)勵倍數(shù)2222強(qiáng)勵頂值電壓V638818990671.85強(qiáng)勵頂值電流A2348296826582300TdoS5.06.846.05736.14滅磁電阻ZnO串×并數(shù)3×32前期后期3×702×5

6、63×564×52滅磁轉(zhuǎn)子電壓V1300前期后期1200100014831420DDL電子開關(guān)晶閘管并聯(lián)數(shù)2332機(jī)械式磁場斷路器型號DM2DM4DMXDM4發(fā)電機(jī)組編號11234111212DDL正式投運(yùn)時間年199219981997199719961998199719971997月日7892312231261226628121812281215DDL運(yùn)行天數(shù)日18091615180718011814DDL運(yùn)行天數(shù)統(tǒng)計日2002.11.12002.11.52002.10.312002.11.4三、”系統(tǒng)”運(yùn)行工況及其維護(hù)經(jīng)驗1. 根據(jù) 上述調(diào)查統(tǒng)計，”系統(tǒng)”從正式投運(yùn)以來

7、，它所配置的大中型發(fā)電機(jī)組己有9臺，總裝機(jī)容量已達(dá)1040MW，已經(jīng)創(chuàng)造了連續(xù)安全運(yùn)行18162臺天。也就是49.8臺年約五十臺年的安全運(yùn)行記錄。2. 這9套系統(tǒng)的中的發(fā)電機(jī)勵磁主電路通流用的24只高電壓大電流國產(chǎn)主晶閘管和斷流用的18只高電壓國產(chǎn)晶閘管，66只高電壓大容量國產(chǎn)電容器、9只冷卻風(fēng)扇都經(jīng)受住了長時期（最長為10.4年,最短為4.2年）連續(xù)運(yùn)行、停、通斷、甚至多次各種電氣故障事故滅磁操作的嚴(yán)重考驗，包括在發(fā)電機(jī)帶電運(yùn)行中因轉(zhuǎn)子風(fēng)扇脫落導(dǎo)致定子掃膛短路事故滅磁和在工業(yè)試驗中做過的在強(qiáng)勵頂值電流下滅磁的考驗，整套冗余滅磁系統(tǒng)始終表現(xiàn)出確保安全滅磁的性能。上述108只主要元件在機(jī)組帶電實

8、際運(yùn)行中沒有發(fā)生損壞事故停運(yùn)過，可用率為100%。3. DDL在運(yùn)行中并聯(lián)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(lián)運(yùn)行的晶閘管的通流值差值的減少主要取決于其對應(yīng)晶閘管通流壓降差值的減少，今后設(shè)計選擇DDL并聯(lián)工作的晶閘管時，應(yīng)該選用通流管壓降盡量一致的晶閘管，同時改進(jìn)DDL盤內(nèi)調(diào)整并聯(lián)晶閘管均流性的硬件結(jié)構(gòu)，以求進(jìn)一步提高均流性，減少并聯(lián)運(yùn)行主晶閘管的通流差值。4. “系統(tǒng)”在投運(yùn)前期開機(jī)觸發(fā)通流過程中都能保證發(fā)電機(jī)組正常起勵通流，但是并聯(lián)運(yùn)行的晶閘管中有的時候或多或少地出現(xiàn)過有1只晶閘管還沒有觸通時，觸通電

9、路板已經(jīng)停止輸出觸發(fā)脈沖了，各電廠發(fā)現(xiàn)這種情況時前期多是由運(yùn)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(jī)組現(xiàn)控制單元LCU輸出觸發(fā)DDL主晶閘管的脈沖時間程序適當(dāng)延長（例如從5秒、8秒加長到10秒、15秒），就能保證并聯(lián)運(yùn)行的晶閘管全部自動觸發(fā)通流了?！毕到y(tǒng)”在正式投運(yùn)時期停機(jī)自動斷流，以及在“電制動”停機(jī)過程中自動通流斷流的功能上均表現(xiàn)能可靠工作沒有發(fā)生故障停運(yùn)過。5. 蓮花水電站的DDL在隨同主機(jī)檢修過程中，曾出現(xiàn)3號機(jī)有1只關(guān)斷電容，2號機(jī)有2只關(guān)斷電容，在電容器箱箱蓋與接線柱連接處漏油?，F(xiàn)場查明其原因是電容器接線柱上并聯(lián)連接線是采用硬銅線焊接的，當(dāng)相連電容器

10、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(dǎo)致裂縫漏油?，F(xiàn)場確認(rèn)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(fù)正常。豐滿水電站11號機(jī)也有2只電容器在2年前發(fā)現(xiàn)電容器箱上與接線柱接口周邊出現(xiàn)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(xiàn)輕微。以后（包括這次聯(lián)合調(diào)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(guān)斷電容器的并聯(lián)接線，不要采用硬銅線焊接，宜改用能適當(dāng)移動的軟銅線焊接，以避免和防止在組裝和運(yùn)輸過程中電容器箱蓋受到機(jī)械損傷而滲油。6. 晶閘管電子開關(guān)具有常規(guī)有觸頭式磁場斷路器沒有的對其內(nèi)部主要部件工作狀況進(jìn)行監(jiān)

11、視的故障自診斷功能，例如：關(guān)斷電容器充電電壓的監(jiān)視、每只并聯(lián)運(yùn)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(fēng)扇風(fēng)速消失報警，滅磁令下達(dá)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(jīng)普遍采用PLC監(jiān)控的成功經(jīng)驗，今后對DDL內(nèi)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(jìn)一步提高其工作的可靠性和便于與機(jī)組的LCU通信聯(lián)網(wǎng)。而且對冷卻風(fēng)速監(jiān)視和主電路電流是否已經(jīng)斷流監(jiān)視的發(fā)信元件作進(jìn)一步改進(jìn)。7. 此次聯(lián)合調(diào)查中證實小山水電站2套DDL冗余滅磁系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來確實保證了2臺80MW發(fā)電機(jī)組在各種事故中可靠地安全滅磁，

12、但是同時也發(fā)現(xiàn)當(dāng)時現(xiàn)場存在的兩個隱患：一個是1號機(jī)”系統(tǒng)”的邏輯硬件接線有錯誤，導(dǎo)致在滅磁過程中DDL斷流后又自動觸通導(dǎo)流，以致自動啟動QFG斷流滅磁，當(dāng)時在現(xiàn)場把邏輯硬件接線錯誤糾正后，就恢復(fù)正常了。 一個是2號機(jī)觸發(fā)SCRd脈沖變壓器接線焊點有一處脫焊斷開，當(dāng)時在現(xiàn)場將它重新可靠地焊接上，就恢復(fù)正常了。8. 蓮花3號機(jī)DDL在運(yùn)行中工作一直正常，但是在2002年11月隨同機(jī)組大修時檢驗測試時，卻發(fā)現(xiàn)主晶閘管觸發(fā)板和關(guān)斷電容充電監(jiān)控板已損壞。因為檢修前DDL工作表現(xiàn)都正常，這種損壞原因顯然是由于測試方式不當(dāng)導(dǎo)致串電擊傷板上元件。但是今后編寫DDL使用說明書中要對DDL的運(yùn)行維護(hù)檢修的規(guī)定和測

13、試方式方法敘述得應(yīng)該更加詳細(xì)具體一些，以利用戶使用，DDL晶閘管的布置結(jié)構(gòu)設(shè)計也要進(jìn)一步優(yōu)化，以求提高檢修維護(hù)拆卸的方便性。 四、 結(jié)論“系統(tǒng)”經(jīng)過50臺年安全運(yùn)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(hù)工作是更少，更能適應(yīng)按“無人值班，少人值班”監(jiān)控方式運(yùn)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(shù)的晶閘管、電容和電子器具等靜止元件組成，設(shè)計安全裕度大。與有大觸頭的機(jī)械斷路器比較，它不需要制造維護(hù)都很復(fù)雜的大功率機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和故障率很高的滅弧柵，切斷電流過程不產(chǎn)生電弧燒損和機(jī)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

14、）、更少的維護(hù)工作量（屬免維護(hù)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(jù)公式：轉(zhuǎn)子繞組，在DDL斷流過程中產(chǎn)生的反向電壓e=L×di/dt ，晶閘管電子開關(guān)斷流要比有觸頭斷路器斷流產(chǎn)生的反向電壓高的多，從而可以更安全地保證轉(zhuǎn)子電流向滅磁電阻轉(zhuǎn)移。所以DDL特別適用于采用氧化鋅非線性電阻滅磁系統(tǒng)。3. DDL具有比較完善的自診斷系統(tǒng)，其重要工作狀態(tài)正常機(jī)組運(yùn)行中都有自檢自動報警功能。而有觸頭斷路器其部件有缺陷，只能在操作過程或拆卸開后由有經(jīng)驗人檢查才能發(fā)現(xiàn)。因而DDL特別適用采用計

15、算機(jī)監(jiān)控的電廠。4. 晶閘管元件的串并聯(lián)技術(shù)已經(jīng)成熟，它的產(chǎn)品規(guī)格多樣化為DDL制造生產(chǎn)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(nèi)外渠道暢通。因而DDL特別適合我們抓緊時機(jī)，順利完成研制巨型發(fā)電機(jī)磁場斷路器工業(yè)試驗樣機(jī)的科研攻關(guān)，并為我國生產(chǎn)出適用水電廠的系列產(chǎn)品。5. 根據(jù)我國自主研制、生產(chǎn)和運(yùn)行DDL十多年經(jīng)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(tǒng)，大幅度提高滅磁可靠性，確保發(fā)電機(jī)在滅磁方面萬無一失，具有較高的功能價比。6. 十多年前，我們研制的DDL投運(yùn)時，有人提出用晶閘管代替斷路器觸頭

16、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(jī)組上安全投運(yùn)五十臺年的事實說明：DDL的主晶閘管元件正常運(yùn)行是在轉(zhuǎn)子主回路直流電流下運(yùn)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(yùn)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(xiàn)場實測溫度也已經(jīng)證明DDL主晶閘管運(yùn)行溫度比勵磁整流柜晶閘管運(yùn)行溫度低得多。這與理論上作數(shù)量計算證明的結(jié)果是一致的。7. 從IEEE1983年5日發(fā)表的文獻(xiàn)(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(jīng)聯(lián)合研究用晶閘管、電容和氧化鋅閥

17、片組成直流1500V3000V晶閘管電子斷路器樣機(jī)，在直流電氣化鐵路、工廠及其它設(shè)備上試驗和使用。其主電路原理與本”系統(tǒng)”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(jī)械式磁場斷路器（FMK）組成雙冗余ZnO滅磁系統(tǒng)，用于發(fā)電機(jī)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(dá)到無故障、免維護(hù)的目標(biāo)，特別適用于無人值班和少人值守、采用計算機(jī)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(tǒng)”的優(yōu)越性將更加明顯。參考資料1晶閘管直流開關(guān)滅磁新技術(shù) 鑒定證書 1992年7月8日 水利水電規(guī)劃設(shè)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(tǒng)運(yùn)