发电机转子过电压保护试验仿真分析

许立长,李 岩,陈利江

(1.润电能源科学技术有限公司，河南 郑州 450000；2.华润电力(温州)有限公司，浙江 温州 325000；3.南阳鸭河口发电有限责任公司，河南 南阳 474671)

0 引言

目前关于转子过电压保护试验的研究主要分为两种，第一类是关于转子过电压保护试验电源的研究，文献〔1〕针对转子过电压保护提出一种试验装置，通过在交流电源出口加入可控硅堆，在转子过电压回路依次加入正向触发电压和反向触发电压，实现转子过电压回路双向触发。该装置虽然实现转子过电压保护回路测试，但需要额外加入装置，增加试验装置的复杂性和仪器的重量，给现场试验人员增加了额外负担。文献〔2〕设计了一种二倍压整流回路，为实际转子过电压回路测试提供一种方法。文献〔3〕在试验电源中加入限流电阻，进而保证试验设备和试验人员的安全。第二类是关于转子过电压保护试验方法的研究，文献〔4〕在crowbar电路进行过电压试验，为实际试验提供一种思路。也有专家提出直接对BOD(转折二极管)回路进行转子过电压保护试验，间接验证转子过电压回路动作的正确性。转子过电压保护试验不仅需要验证BOD回路动作正确性，还需要对BOD回路所控制的晶闸管的极性正确性进行验证，所以在转子过电压保护试验过程中需要对所接支路的正确性进行准确验证，进而保证发电机在励磁过电压情况下转子过电压保护回路正确动作。

在上述文献研究基础上，对转子过电压保护试验回路进行分析，结合实际装置的回路特性，对实际中转子过电压保护试验提供技术指导，进而更好模拟实际中转子过电压的工况，达到校验转子过电压保护动作正确性的目的。

1 转子过电压保护原理

发电机在灭磁过程、晶闸管换相过程、异步运行时会产生一定的转子过电压，这些过程中产生的过电压若超过限值，会对转子本体和转子回路的设备造成严重的损坏。为避免这些过电压对转子造成的不可逆性损害，在转子回路设置转子过电压保护回路，将转子过电压抑制在较低水平。

图1为ABB公司的转子过电压保护原理图，V1为正向可控硅，V2为反向可控硅，A02是一个由转折二极管(V1000)组成的过电压触发板，F02是转子正反向导通晶闸管。在-A02中，V1000是一个BOD。在-F02中，T1是检测晶闸管是否导通以及导通电流是否超过整定值的互感器。正常运行中，若出现超过BOD整定值的过电压时，BOD触发V1和V2将灭电阻并联在转子两端，吸收转子能量。正反过电压触发路径如图1中虚线所示。

图1 转子过电压保护BOD触发导通原理图

由上述描述可以看出，转子过电压保护回路是一种压控导通回路。当电压满足阈值时，跨接器导通，将暂态能量迅速损耗。当电压较低时，退出跨接器导通状态，此时转子过电压保护回路保持开路状态。

2 试验原理及过程

2.1 试验原理

转子过电压保护回路试验是模拟实际中产生的过电压，将人工产生的过电压加在转子过电压保护回路上，测试BOD回路是否会正确动作。

图4为端横梁锚固块竖向应力云图，从图中可以看出，竖向拉应力主要出现在端横梁靠近跨中一侧人洞周边区域，最大值达到9.8 MPa；竖向压应力最大值为24.5 MPa，位于锚垫板下方。

试验电源主要有正弦交流电源和直流电源。交流试验电源是应用调压器经升压变将试验交流电升压，电源频率保持工频不变。正弦交流电可以实现BOD回路的双向触发，避免直流电试验过程中需要倒换正负极的情况出现。直流试验电源是在交流试验电源基础上加入整流硅堆，将交流转化为直流电加入BOD回路中。当试验电源输出电流较大或串联阻抗较小时，会触发试验电源内部的过流保护，控制电源的输出电流，将电流降低为最小值。

上述两种方法在一定程度上可以实现BOD回路的触发，进而将晶闸管导通，进而实现转子过电压回路保护校验的效果，但实际系统中转子过电压一般为高频过电压，与试验电源中电源频率不一致。当转子过电压回路旁侧接有阻容缓冲回路(以下简称为RC回路)时，电源的能量将从RC回路流走，无法升压。

本次试验采用的试验电源为正弦交流电源，试验接线如图2所示。在过压发生之后，转子侧电压降低，非线性电阻阻断，流经可控硅的电流急剧下降，由于试验中使用的电源为高压正弦交流信号，此时在电压过零点时，A02过压触发板电压很低，电流已不足以维持A02过压触发板中的BOD导通，因此，试验中的BOD在电压过零点时可自然阻断，随后跟随正弦波进入下一方向的导通，如此反复导通。但应注意试验中过压时间不要持续太长，计算试验动作值时应取交流电压的峰值。

图2 转子过电压保护及试验接线

2.2 试验条件

某电厂的机组励磁装置为ABB UN-6800，其转子过电压保护动作值为2 500 V，按照试验规程要求，转子过电压试验时需要模拟故障时产生的过电压，测试转子过电压保护回路是否正确动作。试验时为保证安全，需要将无关回路断开，保证试验过程中人身和设备安全。试验时主要的条件有：

(1)断开发电机转子侧碳刷，试验时配置安全人员看护转子侧，避免其他人员误碰发电机。

(2)断开灭磁开关，避免将转子过电压传递到交流侧。

(3)试验仪器需要接地，避免人员触电。

2.3 试验过程和结果

2.3.1RC回路投入

完成仪器接线后，在正负极之间施加交流电压，当跨接器旁侧RC缓冲回路投入时，试验时逐渐加压至60 V时，内部限流保护回路动作，无法继续升压。

所以在试验电源容量有限且内部设置过流保护的前提下，试验中加入RC回路后会导致升压至一定阶段后过流保护启动，无法将电压升至动作值。

2.3.2RC回路解除

RC回路解除后，逐渐升压至2 500 V，观察录波仪所显示的实时电压以及波形，电源内部限流动作后，迅速降压至最低值。试验波形如图3。

从图3的录波波形可以看出，当电压波峰达到2 500 V时，BOD动作，导通晶闸管回路，电压下降到0。装置按设计要求动作，动作电压为2 500 V，动作误差范围在合理范围内。

图3 转子过电压保护试验波形图

3 仿真验证分析

为了验证所提方法的正确性，在仿真平台上搭建同样参数的仿真模型，仿真模型如图4所示。从图4可以看出，仿真主要对BOD回路进行模拟。触发阈值用不大于模块≤模拟，用电压模块测量加入的模拟电压量，当电压高于触发阈值时，将触发阈值通过NOT模块转化为开关量信号，触发导通回路的短路动作，导通回路电阻较小，非线性电阻使用避雷器模块模拟。

图4 转子过电压回路仿真示意图

通过图4的模型进行仿真分析，将仿真结果与实际试验进行对比，分析两者结果的异同，进而实现现场试验方法的进一步改进。根据实际系统的参数，在仿真系统中搭建模型，对晶闸管的波形进行触发模拟，可以得出对应的波形如图5所示。从图5可以看出，当晶闸管没有触发时，示波器输出电压略低于2 500 V，当电压升高至触发定值2 500 V后，晶闸管触发，电源内部过流保护启动，示波器显示输出电压基本在0附近。与现场试验波形比较一致。

图5 仿真系统的模拟波形

图6为非线性电阻两端电压，可以看出，晶闸管导通前，非线性电阻两端电压低于500 V，主要压降由晶闸管分担。当晶闸管导通后，支路压降主要在非线性电阻上。

图6 非线性电阻电压

4 试验影响因素分析

4.1 RC回路对试验的影响

目前RC回路投入后对转子过电压保护试验主要影响，是目前试验电源由于成本原因还无法实现完全模拟现场的转子过电压波形，而使用频率稳定的电源，频率稳定的电源本身容量有限，而RC支路分流后会导致电源过流保护触发，无法继续升压。接有示波器回路的RC回路的示波器输出电压波形如图7所示。从图7中可以看出，当带有RC支路后，试验电源在缓慢试验过程中，当电流大于15 mA，即触发电源内部过流保护后，试验电压无法继续上升，此时RC支路中电容支路发生充放电的声音，说明加压过程中主要能量在RC支路中，试验电源内部过流动作，无法进一步加压。因此，应将RC支路解开才能正常进行试验。

图7 带RC支路的示波器电压

4.2 试验电源频率对试验的影响

根据试验原理可以得出，在忽略RC回路电阻的情况下，试验电源频率和试验动作电流之间的关系为：

Iaction>nUaction2πfC

(2)

其中：Iaction为电源内部过流保护动作电流；n为可靠系数，取1.4；Uaction为BOD回路动作电压。

根据式(2)可以得出电源内部的电压频率应满足如下条件：

f

(3)

根据式(3)可以计算出电源频率低于一定值时，可以在RC回路不切除的前提下BOD回路能够正确动作。根据本文已有的参数，可以计算出最低频率的限制值为

f=0.68 Hz

(4)

从公式(4)可以看出，电源频率需保持较低的水平，才能保证试验时接入RC支路后试验时BOD能够导通。为进一步验证此分析的有效性，建立相关模型，在仿真平台中进行试验。电源频率0.58Hz下的触发波形如图8所示。从图8可以看出，在低频率0.58 Hz电源下，RC回路阻抗相对较大，进而导致RC支路分流能力下降，没能触发试验电源内部保护启动，进而保证在低频率情况下带RC支路的试验成功进行。

图8 电源频率0.58 Hz下的触发波形

需要指出的是，转子过电压一般是高频过电压，实际发生转子过电压时，在晶闸管支路没有触发前，RC支路会分流大量电流，启动保护发电机转子回路的功能。当然，实际转子过电压发生时能量远大于试验电源提供的能量，在RC支路分流明显的前提下依然触发BOD回路保护动作值时，此时需要晶闸管支路和灭磁电阻加入保护回路，消耗过电压过程产生的多余能量,RC支路和跨接器回路共同作用保护发电机转子回路的安全。

5 结束语

本文对某厂ABB UN-6800型号励磁装置转子过电压保护跨接器试验时RC回路投切问题做了现场试验和仿真试验，并分析了试验电源频率对试验结果的影响。结果表明，为了使试验能正常进行，当使用常规交流电源时，必须将RC回路预先解除。

目前国内试验重点关注BOD回路动作的准确性，但对晶闸管的安装极性错误、灭磁的V-I特性较差的情况下导通波形缺乏详细的展示，这一点有待于进一步研究。因此，应该对晶闸管极性和非线性电阻的V-I特性进行密切关注，增加相关现场非破坏性测量手段，及时发现问题，才能保证设备的运行安全。