岩滩电厂转子灭磁及过压保护装置.doc

岩滩电厂转子灭磁及过压保护装置存在问题与改造作 者： 张 明工作单位： 广西岩滩水力发电厂 通讯地址：广西大化县岩滩镇关键词 岩滩水力发电厂 转子 灭磁及过电压保护装置 残压过高 功率柜保护 可靠性 研究 改造 岩滩电厂转子灭磁及过压保护存在问题与改造张明（岩滩水力发电厂 广西大化县岩滩镇 530811）摘要 广西岩滩水力发电厂第一台机组投产于1992年10月，1996年6月底全部竣工。其发电机励磁装置采用氧化锌压敏电阻作为转子灭磁及过电压保护。限于当时灭磁设备状况及技术水平，非线性电阻氧化锌残压U残取得偏高，为2200V。本文根据投产以来励磁系统转子灭磁及过压保护装置运行情况，试从转子灭磁、过电压保护等几个问题展开讨论、分析和研究，提出应采取的改造措施，以提高励磁系统运行安全性、稳定性和可靠性。关键词 岩滩水力发电厂 转子 灭磁及过电压保护装置 残压偏高 功率柜保护 研究 改造 可靠性中图分类号： 文献标识码：B 文章编号：一、概述广西岩滩水力发电厂位于红水河中游、大化县境内，总装机容量430.25万千瓦，年设计发电量56亿千瓦。其发电机励磁装置主要参数如下：机组额定电压：15.75KV额定励磁电压：457.5V额定励磁电流：1940A最高励磁电压：1281V空载励磁电压：105V空载励磁电流：1056A励磁变二次侧电压：980V作为大型同步发电机，在运行中常因一些故障或其它的原因使转子系统出现过电压，如：当发电机组出现二相、三相突然短路、失步、非同期合闸、灭磁、非全相运行等，会产生转子系统的过电压；另外，可控硅励磁电源运行中出现的换相尖峰过电压以及从交流侧通过励磁变压器和气隙传递过来的大气过电压、电网操作过电压也会出现在转子系统中,励磁回路的元器件在高纹波波动电压和尖峰过电压长期作用下，寿命大大缩短，从而导致励磁系统可靠性下降。由于过电压产生的原因不同，因此不同的过电压有其自身特点：（1）灭磁过电压时间短、能量集中；（2）非全相或大滑差异步运行时过电压剧烈，时间不定，其能量无法估计；（3）整流装置可控硅换相产生的尖峰过电压时间极短，但持续时间极长。分析这些特点，对发电机转子过电压产生的原因并采取相应的措施和保护方法，对发电机组和电力系统的安全运行具有重要的意义。励磁装置关键的灭磁设备灭磁开关、转子灭磁及过压保护设备，岩滩水力发电厂一开始就采用双断口开关加氧化锌压敏电阻阀片作为转子灭磁及过电压保护。当时选择这个方案是非常正确的，比相同机组类型的白山电厂早年采用两台DM2型灭磁开关串联灭磁的方案优越(这与当时的技术条件有关)，基本上解决了转子灭磁保护装置在国内其他机组存在的问题。由于设计装置的当时采用了十年前的技术，从岩滩电厂#1机第一台灭磁装置制造以来，八、九年过去了，技术不断地更新，元器件性能的不断改进以及运行和使用经验的积累，从现在的观点来看，岩滩电厂现有的灭磁及保护装置存在着几个有待改进的问题。为此，从设备现状及运行资料进行分析、研究和讨论，对转子灭磁及过压保护装置等设备尚存在的几个问题 提出以下几点意见及其改造建议：二、灭磁电阻氧化锌残压U残偏高问题1、灭磁原理 岩滩电厂原灭磁系统采用灭磁开关DY3500型双断口磁场开关配合氧化锌非线性电阻组成的移能灭磁方式。该磁场开关本身不能吸收能量，只在跳灭磁开关过程中起建压的作用，灭磁成功的关键是：灭磁开关跳开时其断口能否建立起有效的足够高的弧电压，迫使氧化锌非线性电阻导通，从而将转子磁场能量吸收。当灭磁开关分断时，转子能量转移到氧化锌非线性电阻的必要条件是：UF=（Uw-U z）Ur式中 UF灭磁非线性电阻氧化锌组件两端电压Uw灭磁开关分断时触头总弧压Uz功率柜整流输出电压Ur非线性电阻氧化锌残压2、氧化锌特性介绍过电压保护的基本元件现在一般多数选取氧化锌压敏电阻阀片.其基本原因有四:一是氧化锌压敏电阻阀片单位体积能容量大,可做到600J/cm3, 单只阀片可做到20kJ/只；二是保护特性好，阀片流过100A的电压和流过10mA的电压比仅为1.5倍；三是漏电流小，二分之一U10mA电压下的电流小于50A；四是寿命长，阀片能在持续运行电压Ue=0.75U10mA下工作100年。岩滩电厂原配置的氧化锌非线性电阻氧化锌压敏电阻的伏安特性为：Ur =1720+0.06If由上公式可见，当转子电流If增加时，Ur也要增加；当出现空载误强励以及定子三相或二相突然短路时，转子电流If可能达到8000A，Ur达到2200V。从现在技术角度看来，当时选择偏高。Ur偏高有三个不利之处：一是每次事故灭磁对转子绝缘是一次冲击，当冲击次数太多使转子绝缘下降后对机组设备不利；二是对灭磁开关开断带来困难，在空载误强励下甚至有开不断的可能，至少加重了对触头的烧损；三是可能在滑环间造成击穿（广西电力系统已有Ur过高导致灭磁时滑环击穿事故，如拉浪电厂），或者在转子绕组的进出线两端击穿，如乌江渡电厂96年10月2号机定子AB相突然短路，转子出现大于5000A电流，转子过电压将转子进出线两端击穿短路，造成续流灭磁。其转子电流按转子本身时间常数(几秒）衰减，灭磁时间长达几秒，使定子AB相短路点烧损严重，以至喷弧将转子16个磁极上绕组对地烧穿。可见，灭磁非线性电阻残压Ur选择过高对发电机转子等设备非常不利（有关方面分析见参考文献1）。如果选Ur =1600V，可能更为合理，特别对灭磁开关开断有利。改进措施： 在保持氧化锌阀片能容量不变情况下，将氧化锌阀片重新匹配组合，使Ur下降至1600V以下。三、非全相及大滑差异步运行问题 发电机在投合和电网解裂时，因开关原因出现非全相运行事实是可能存在的，同时由于误操作，发电机在大滑差下异步运行也会发生。在这两种情况下，定子负序电流产生的反转磁场以两倍同步转速切割转子绕组并在转子绕组中感应出很大的电势，反转磁场的感应电势在转子绕组中产生剧烈的过电压，因而可能击穿转子绕组。同时来源于电网的电能和转子轴上的机械能传递到转子中，由于这部分能量远超过通常灭磁装置的能量，因此灭磁装置的氧化锌阀片将损坏并使与之串联的熔断器熔断，当灭磁装置氧化锌阀片的熔断器全部熔断时，也将产生过电压并击穿转子绕组绝缘。岩滩电厂转子灭磁及过压保护装置没有设置非全相及大滑差异步运行保护器。其灭磁装置氧化锌阀片的能容量为4.0MJ，是为转子最大磁场能量释放而设计的，但对于非全相及大滑差异步运行等工况时，由定子负序电流产生的磁场，对于转子绕组有相对运动，在转子绕组中感应出很强的电势，如转子有闭合回路，将产生感应电流。这样，来自电网和机械的能量透过气隙源源不断地输入到转子绕组中，现在灭磁氧化锌阀片所备有的能容量是远远不够的，只需几秒钟就可将全部阀片烧损，如1994年春，1号机出现大滑差异步运行(静止状态下起动是最大滑差异步运行)，将灭磁氧化锌阀片大部分烧损，这样的事故在万安、铜街子、安康、映秀弯、东风等电厂也曾出现。由于每条支路阀片上串有熔断器，阀片被烧损短路后熔断器熔断，在上述工况下阀片可能全部烧损，熔丝也将全部熔断，转子绕组开路。 转子绕组开路后产生两种可能的后果：1、转子绝缘被击穿。2、转子绝缘不被击穿，但阻尼绕组被烧坏，如柘溪电厂96年8月5号机转子开路在异步运行状态时造成40个磁场阻尼绕组全部烧断，造成定子扫膛。1994年岩滩电厂1号机异步运行时，熔断器熔断了46路，由于第47路与阀片组串联的熔丝没有可靠熔断，造成电弧短路（电弧在柜体乱飞，造成许多烧损的小斑点，仿佛像高压击穿点一样）。正是因为熔丝没有可靠熔断，电弧短路才没使转子开路和阀片全部烧损，但保护了转子绕组的安全。2001年4月27日，岩滩电厂3号机由于计算机监控系统误发信号而导致出口开关03QF跳开，之后又非同期合闸，不到一秒钟又跳开，造成#3机非全相及大滑差异步运行。通过故障录波图可看到，这个过程中，发电机转子曾出现过很高电压。因此，采取措施避免和预防非全相及大滑差异步运行是很迫切的。四、整流装置可控硅换相产生尖峰过电压问题可控硅励磁电源出现误强励和误失磁的机率比二极管整流电源要高得多，这主要是由于可控硅换相时产生的换相尖峰过电压引起的。尖峰过电压是在整流装置可控硅换相时产生的：在整流装置可控硅换相关断过程中，流通的可控硅元件加反压强制关断时，电流随反电压的加入开始从原稳态值衰减，过零时并不终止，电流继续沿反向流通。当反电流的积蓄电荷量与残余载流子数量相等时，电流急速变为零，产生尖峰脉冲di/dt极大，从而引起过电压。这就会在电路中流过此电流的电感上产生幅值较高的感应电压，即换相尖峰过电压Ui。该电压值一般为阳极电压UAC(励磁变二次侧线电压)的2.8倍至3倍。如果转子绝缘裕度不够，定会引起转子绝缘劣化加速，故障叠起。对于换相尖峰过电压引起的励磁故障，因为过电压时间短(仅为几微妙)，能量小(几个焦耳)，对绝缘一般不形成直接击穿，多为闪烁放电，形成非金属击穿，事故后绝缘能恢复，导致故障不易查找。岩滩电厂励磁装置功率柜阳极电压UAC=980V，故换相时产生的过电压Ui=2700V2950V。据资料统计，阳极电压值与岩滩机组相当的龙羊峡、铜街子、万安、白山、五强溪等电厂，均测出2500V3000V的尖峰换相过电压。这样高的、连续出现的过电压在上述电厂造成过很多事故。换相尖峰过电压在自并励机组上都是客观存在的，由于机组设备绝缘老化有一定的时间，故发生事故的潜在因素是存在的，即事故的发生有一定的潜伏期。因此建议：（1） 测出Ui值的大小值。若测出的Ui超过2500V，应加装尖峰过电压吸收器。（2） 基于上述几点分析，建议采用如下图1的转子灭磁及过压保护回路接线： 图1中，FR1非线性氧化锌电阻，作为灭磁过电压保护。 FR2非线性氧化锌电阻，作为非全相及大滑差运行情况下的过电压保护。 FR3非线性氧化锌电阻，作为可控硅整流换相尖峰过电压吸收器。 （3） 在交流侧加装GRC型阻容吸收器。此措施在葛洲坝电厂取得较好效果。五、开关问题岩滩电厂四台机组转子回路使用的灭磁开关均为“沈阳低压开关厂”(下简称“沈低”)生产的、仿的、型号为口双断口开关，其弧压可达4400V。因当时技术条件限制，存在着加工工艺粗糙和材料质量差的问题，其操作机构很不正常，有时合上后又跳开，这样反复不已。1997年#4机灭磁开关在并网运行中偷跳致使烧毁；加之“沈低”售后服务差，设备零配件难购置，故口使用起来经常不能满足用户需要，维护非常艰难。我们知道，机组正常运行时， Uw=Uz（t）Uf（i）其中Uw 灭磁开关弧压，与电流大小无关，近似为一常数； Uz（t）整流电源电压，为时间t的函数； Uf（i）非线性电阻氧化锌两端电压，为转子电流IL的函数； 当机组在空载或额定工况下整流电源电压Uz（t）出现负值，帮助灭磁开关开断；当机组出现空载误强励，定子电压达到1.3倍额定电压时， Uz（t）1.31.414980sin(60+10+60)1380V Uf（i）2200V (岩滩电厂非线性电阻残压为2200V) Uw= U z（t）+Uf（i）3580V，而2000年2001年#3#4灭磁开关更换为型号F4S/E的灭磁开关弧压仅1200V左右，满足不了机组异常状态下开断条件，在事故状态下转子磁场能量和电源提供的能量将会把灭磁开关烧毁。为此增加了在灭磁时“封锁脉冲”措施。改进措施：更换灭磁能力强、性能可靠的灭磁开关。六、阳极开关耐压问题一般生产厂家选用阳极开关型号为型或型开关， 其额定工作电压最大为660V。岩滩电厂整流柜原阴、阳极均采用工作电压380V、工作电流800A的刀闸开关，这 对于阳极电压已达1000V的整流柜来说，上述开关绝缘电压显然不够。资料表明，在铜街子、白山、万安等电厂均出现过因阳极开关相间耐压不够被击穿短路烧毁功率柜的事故。改进措施：功率柜阳极开关选用额定工作电压为1000V及以上的阳极开关，或改阳极开关为额定工作电压1000V及以上手动刀闸。七、浪涌吸收器。整流功率柜阳极开关进线端装有三角形接法的浪涌吸收器，由高压氧化锌阀片组成，一般取Ur2500V左右，残压U残1.7U r4250V，这样存在着两个相互矛盾的问题：一是U残偏高，对绝缘保护不利；二是Ur偏低，在尖峰换相过电压下荷电率过高( Ui/ Ur0.75为安全），容易因阀片损坏造成相间击穿，由此造成短路电流生产的电弧烧毁功率柜的事故也曾在其他机组上发生过。改进措施：重新取值，并将浪涌吸收器移至励磁变二次母排上功率柜阳极电源电缆汇集点安装。八、过电压继电器灵敏度不够问题。灭磁和过压保护装置发信号的继电器LJ存在灵敏度不够问题。过压波形需大于10以上，LJ才能动作，灵敏度不高，对换相尖峰过电压脉宽小于1的电压波不能发送信号。下图（2）、（3）分别为岩滩电厂励磁系统灭磁及过电压保护装置主电路图和工作信号电路图：改进措施：取消LJ，改用发出信号。耐压为20kV以上，发出1020脉宽的过压信号即可报警计数，对监视换相尖峰过电压有利。九、改造岩滩电厂对上述问题和建议非常重视，组织有关部门、专业人员进行研讨、考察，并根据机组运行中出现的异常问题，决定对机组安全运行带有隐患的部分励磁装置进行了更换：1. 1998年3月份至2005年5月份，利用机组检修机会对四台机组的励磁功率柜进行了更换，其产品系广州电气科学研究所生产，功率柜阳极开关采用电控开关，额定工作电压1000V，额定工作电流1600A；脉冲变原边对付边工频耐压达15000V，一分钟不击穿，避免了脉冲变付边高压对脉冲变原边的冲击；脉冲放大回路工作电源由48V降为24V；可控硅阻容保护由原来的单电阻(10、50W)、单电容(6.3KV、2F)串联改为：两电容（1400V、1.5F）并联后串联，然后再与单电阻（30、100W）串联方法，解决了可控硅阻容保护电阻、电容因换相产生高压而经常烧坏难题。2. 从1999年3月至2006年5月，在冬、春季机组检修中同时更换了机组灭磁开关、转子灭磁及过压保护装置。#1、#2机组灭磁开关更换为英国罗罗公司的EX74型开关，其弧压3200V左右，正常开断电流4000A；#3、#4机灭磁开关更换为瑞士