滩坑电厂灭磁系统改造

杨云峰,汪宏夫

摘要：滩坑电厂发电机发生定子线棒击穿及转子接地事故和励磁系统可控硅损坏事故，存在灭磁开关弧压低，可控硅缺少过电压保护问题，需进行改造。更换新的灭磁开关，加装励磁系统桥臂快速熔断器，使之满足要求。

关键字：发电机；灭磁开关；，快速熔断器 弧压    

   Generator;de-excitation swtitch; current-limiting fuses；arc voltage

        Due to the accident of Generator stator bar and rotor winding earth fault and thyristor of excitation system in Tankeng Power Plant, In order to deal with the problems including excessively low arc voltage of the de -excitation switch and lack  protection of current-limiting fuses. The de -excitation switch is replaced and installatiaon of current-limiting fuses  in Thyristor to meet the operation requirements

1、滩坑水电站灭磁系统事故概况

滩坑发电厂1号发电机发生定子绕组B相端部的两个支路匝间短路，机组跳机。故障造成21号磁极接地，磁极线圈对铁芯有明显的发电，转子电流表烧穿，过电压保护正向可控硅损坏，非线性ZnO灭磁电阻#32、#48熔丝熔断并烧坏。同时事故后灭磁开关检查发现存在拉弧现场，分析此开关弧压无法满足灭磁开关正确换流的必要条件[1]：UK≥UL+ UZ，对此需要对灭磁开关进行更换。

   滩坑电厂发电机发生“转子过电压动作”，原因为电站出线遭受雷击，部分可控硅遭受过电压击穿损坏。需加装励磁系统桥臂电流监视及交流侧过电压装置以保护可控硅。

2、快速熔断器参数校验计算

  在整流柜各支臂上串联接入快速熔断器以保护晶闸管元件出现异常工况时不致损坏。当整流柜支臂故障时，快速熔断器可快速地切除故障，防止影响到整个装置的运行

2.1快速熔断器的额定电压：根据快速熔断器选择依据，其额定电压应大于整流桥侧额定电压。

Urn≥Kru×U2N ≥（1.2～1.3）×800=960～1040

式中：

Urn   快速熔断器额定电压V

Kru    裕度系数，取1.2～1.3

U2N    功率整流柜交流侧额定电压有效值V

2.2快速熔断器的额定电流：

按照下面的公式选择计算：

IkR.max＜1.57×IT＜1.57×3170=4976.9A

IkR.min＞0.577×ISR＞0.577×2200=1269.4A

式中：IT  ----所选择的晶闸管元件额定正向平均通态电流值A

      ISR ----所选择的功率整流桥额定输出电流A

在IkR.max和 IkR.min 之间选择合适的电流值作为快速熔断器额定电流。快速熔断器额定电流值宜选择接近IkR.min 的数值，保证晶闸管元件故障时快速熔断器可靠熔断。

2.3额定分段能力计算

如果出现在不同桥臂上下两个可控硅同时被击穿，且整流装置直流输出侧出现短路情况，此时流过该击穿可控硅串联快熔的电流最大，可以等效于为励磁变压器二次侧直接短路时的短路电流。为此按照系统阻抗为零，励磁变压器副边短路工况下的最大短路电流，校核快速熔断器最大分断电流。

   快速熔断器要求在运行中出现大电流时，要与可控硅元件损坏之前熔断，以保护硅元件，即要求其I2t特性要小于硅元件I2t特性，根据硅元件选择，其I2t特性为5120000A2s,

滩坑水电站选用的RSM型快速熔断器，型号参数为207RSM-1200V/1800A-7,  其弧前I2t特性为365000 A2s，断弧I2t特性为2100000 A2s，其和为2465000 A2s，比可控硅元件的I2t特性小很多，满足保护硅元件的要求

考虑短路发生在励磁变低压侧出口，短路电流最大为：

ID=×=16.67×=21.65kA      

       考虑整流柜直流出口处短路，假定可控硅内阻及铜排长度电流均为零，其输出电流与可控硅触发角相关，当触发角为最低时 （假定为0度），短路电流最大，其波形为六相脉动电流，平均值为：

   IDd=1.35*ID=1.35*21.65=29.22kA                       

改直流侧短路电流折算至每臂可控硅电流为：

IDSCR=IDd*==16.875kA

虽然每整流臂由3个可控硅并联，但考虑最严重工况，假定该电流由一个快速熔断器分断，则快速熔断器的最大分断电流不小于该电流16.875kA

    而快速熔断器207RSM-1200V/1800A-7的额定分断能力为100kA,大于短路的最大电流16.875kA,故满足快速熔断器分断能力的需求。

3、磁场断路器参数选型校验

一、额定电压

   磁场断路器额定电压要保证发电机安全运行在最大电压，并保留一定的裕度。计算选择时，最大电压按空载误强励时发电机定子电压和功率整流桥全开放进行计算[2]。

   可靠系数按照一般1.1倍选择，选择计算公式为：

   Ufmax=1.35×KpactU2N×COSαmin=1.35×(1.3～1.5) ×800×COS10=1382.67～1595.4V   

   UkN≥1.1×Ufmax=1520.93～1754.9V                      

   Kpac—空载误强励的机端电压倍数，一般取1.3～1.5

   U2N—励磁变压器副边电压V

   Ufmax—发电机最大磁场电压V

   αmin—强励时晶闸管触发角，一般励磁调节器设置的最小控制角10°～15°

二、额定连续电流

  磁场断路器额定电流应保证发电机安全运行在最大长期持续转子电流，保留一定裕度：可靠系数按照一般1.1倍选择

   IkN ≥1.1 IfN=1.21×1370=1657A

   IFn—发电机额定转子电流

三、额定短路分段电流及弧压的选择

 3.1最大短路电流为IDd =29.22kA

3.2 按照技术要求，磁场断路器的最大磁场电压，发电机机端三相短路或空载误强励情况下能成功地断开发电机磁场电流及可靠地投入灭磁电阻对发电机进行灭磁，并能分断转子正、负极回路短路电流，灭磁开关分断前采用闭锁脉冲技术，保证在灭磁开关断开，可控硅输出电压为交流电压，在交流负半波时，输出电压与开关弧压同向。

  UArc≥URmax+ Ufmax

UArc : 磁场断路器分断灭磁时的电压值

  Ufmax ：阳极电压峰值电压

  URmax ：最大灭磁电流对应的灭磁电阻两端电压

考虑到发电机最严重的灭磁工况——空载误强励时， 根据计算机仿真结果及实际故障录波图可知， 机端电压上升的最大可能值为 1.45 倍的机端电压[3]。 励 磁 电 源 电 压 Ufmax最 大 值 为 ： Ufmax =1.35×1.45UT2=1.35×1.45×800=1566V， 式中， UT2为励磁变压器低压侧二次线电压额定值。

按照标准要求，URmax为灭磁电压介于发电机额定励磁电压的3-5倍

即灭磁电压URmax =（3-5）Ufn=1215-2025V

UArc≥URmax+ Ufmax=2025+1566=3591V

滩坑水电站励磁设备灭磁开关选用瑞士赛雪龙公司磁场断路器，开关额定电压都为2000V，开关额定电流2600A/3600A,其最大开断电流为80kA,灭磁弧压为4000V，满足要求。

因此， 励磁系统的安全裕度系数 K为： K=4000/（2025+1522）=1.13。 上述计算过程中灭磁电阻的最高灭磁电压采用的是励磁电流速断定值，而励磁整流装置输出的励磁电源电压采用的是空载误强励最大可能电压。 由于 2 个最大值不会同时出现， 因此安全裕度系数为1.13完全足够[4]。

4、结语

发电机转子回路灭磁断路器配合灭磁电阻作为目前广泛使用的灭磁方式， 可靠性主要受灭磁断路器弧压和灭磁电阻能容量的影响 。 以滩坑发电厂发电机励磁系统为研究对象， 分析了灭关弧压参数低，计算灭磁开关的性能参数 。 通过改造解决了励磁回路缺陷，改造后灭磁系统满足标准规定故障工况的灭磁要求 。

参考文献：

[1 ] 李基成 现代同步发电机励磁系统设计及应用 中国电力出版社 2009

[2] 合肥科聚公司 科聚论文集 2008

[3] 吴跨宇， 周平， 高春如， 等.基于空载误强励灭磁对发电机过电压保护整定的研究[J].电力系统保护与控制， 2011，39（2）： 98-101. 

[4] 基于机组增容改造的励磁系统选型分析计算_廖松涛 吴跨 宇 ， 竺士 章 ， 陈 新琪 . 发 电 机严 重 故 障 工 况 灭 磁 仿真分析[ J ]. 大电机技术 ， 2009 （5）:49-52