一起西门子THYRIPOL励磁系统灭磁回路故障浅析

赵鹏

（阳城国际发电有限责任公司山西阳城048102）

摘要：阐述了西门子THYRIPOL励磁系统正常停机及事故停机时灭磁回路工作原理及特点。对比了直流灭磁及逆变灭磁的利弊。分析了灭磁回路故障及灭磁可控硅V3脉冲变压器原边输入源改变后带来的安全隐患。并给出了THYRIPOL励磁系统灭磁回路日常维护和灭磁脉冲逻辑修改时的几点建议。

关键词：西门子THYRIPOL励磁系统；灭磁回路；逆变灭磁

引言

同步发电机在正常停机或事故事故停机时，由于转子绕组电感特性，储存在转子绕组内部的能量不能迅速消失，产生一个很高反电势施加于转子绕组和励磁装置，严重威胁转子绕组绝缘和励磁装置安全。因此安全可靠的灭磁，即关系到励磁系统自身安全，还与电力系统安全稳定运行密不可分。

目前发电机常用的灭磁方式有直流灭磁、交流灭磁和冗余灭磁（交、直流混用灭磁）三种方式。灭磁就是通过灭磁装置将发电机转子绕组中储存的能量以最快速度减至最小。逆变灭磁则是利用三相全控桥的逆变工作状态令励磁电源以反电动势形式加于励磁绕组，使转子电流迅速减到零的灭磁方式。

西门子THYRIPOL励磁系统采用冗余灭磁方式进行灭磁。在现场实际运行时曾因励磁调节器改造灭磁用可控硅V3脉冲变压器原边输入源发生变化导致脉冲变压器烧损事件。现将THYRIPOL励磁系统灭磁原理及脉冲变压器烧损原因进行探讨分析。

1西门子THYRIPOL励磁系统灭磁原理分析

（1）西门子THYRIPOL励磁系统灭磁原理硬件图如图1所示：机组正常及事故停运时，励磁调节器通道1灭磁命令QZ1和励磁通道2灭磁命令QZ2输入至A170隔离模块，经由K3切换继电器输出使U1光电三极管导通；U1光电三极管导通后PA4101A1处+24V电源经三极管使脉冲变压器原边带电，脉冲变压器副边感应出电动势后在灭磁用可控硅V3门极产生触发脉冲，近而使灭磁用可控硅V3导通，发电机转子绕组的能量通过非线性ZNO电阻R725、R721、R722得以消耗。当交流侧电源开关故障或励磁脉冲消失时，通过过电保护A401触发过电压用可控硅V1（反向过电压）或V2（正向过电压）导通，转子绕组能量通过非线性ZNO电阻R721、R722得以消耗。

（2）西门子THYRIPOL励磁系统灭磁软件图如图2所示：由图可以看出THYRIPOL励磁系统在励磁急停及整流桥触发脉冲故障时通过非线性ZNO电阻R725、R721、R722进行灭磁。因励磁系统自身硬件故障、就地OP面板、DCS画面及发变组保护动作后灭磁时，THYRIPOL励磁系统采用逆变及非线性ZNO电阻R725、R721、R722进行灭磁，即前面所说的冗余灭磁方式。

（3）逆变灭磁原理：由三相全控整流桥的工作原理可知，当控制角ɑ处于0°∽90°时为整流状态，当控制角ɑ处于90°∽180°时为逆变状态。另外控制角不能太大，否则会造成逆变颠复，西门子THYRIPOL励磁系统取ɑ=140°。根据公式U2=1.35COSɑ，在控制角ɑ处于90°∽180°时，输出电压U2为负值，励磁电源极性发生改变，发电机转子能量由转子绕组反送至电网，实现灭磁。这种灭磁方式由于不需要灭磁电阻导通、不燃弧、不产生大量热量，因而灭磁可靠。三相全控整流桥逆变时产生的反电势与交流侧电源电势成正比。对自并励的发电机励磁系统来说，由于励磁电源取自发电机机端，因此在逆变过程中，机端电压要下降，所以灭磁时间要增长。

西门子THYRIPOL励磁系统逆变灭磁必须具备的四个条件：①、交流电源不能消失，交流侧开关不能断开；②、转子绕组能量足够大；③、整流桥触发脉冲未消失，④触发脉冲角度在90°∽140°之间。

（4）西门子THYRIPOL励磁系统灭磁方式总结：从图2中可以看出，西门子THYRIPOL励磁系统在励磁自身硬件故障、就地OP面板、DCS画面及发变组保护动作后灭磁时，先进行逆变。灭磁命令经EX125延时模块延时4s后跳开交流侧电源开关，逆变结束，同时触发灭磁用可控硅V3导通。实际灭磁时由于机端电压下降很快，有可能在4s内机端电压不能维持脉冲的形成，造成逆变过程提前结束。4s后转子绕组的剩余能量经由非线性ZNO电阻R725、R721、R722进行消耗。

当急停励磁及励磁整流桥触发脉冲丢失时，将不经逆变灭磁过程，直接跳开交流侧开关，转子绕组全部能量由非线性ZNO电阻R725、R721、R722进行消耗。

当灭磁用可控硅触发脉冲回路故障时，由于灭磁用可控硅V3无法导通，所以转子全部能量将通过过电保护A401触发过电压用可控硅V1（反向过电压）或V2（正向过电压）导通得以消耗。

西门子THYRIPOL励磁系统通过上述三种灭磁方式的配合使用，可以产生互补效果，使灭磁更迅速更可靠。

2.直流开关灭磁及逆变灭磁方式比较

逆变灭磁特点：优点是逆变灭磁不燃弧、不产生大量热量，灭磁可靠。缺点是逆变灭磁时间较长。

直流开关灭磁特点：优点是灭磁时无需外部逻辑配合，操作简单。缺点是对直流开关端口弧压要求较高，多次分段大电流后会不同程度的消耗或损伤灭弧罩内的灭弧栅，影响灭磁开关的使用寿命。

3.励磁调节器软件升级后灭磁用可控硅V3触发脉冲变压器烧损分析

（1）2014年5月某电厂进行了3台机组的西门子THYRIPOL励磁系统调节器升级改造工作，在静态调试过程中发现3台机组的灭磁用可控硅V3触发脉冲变压器均有发热现象，温度约为90℃。通过对灭磁回路试验检查，发现灭磁用可控硅V3特性正常，灭磁用可控硅V3触发脉冲变压器烧损。检查励磁调节器软件逻辑，发现在THYRIPOL励磁系统调节器升级后灭磁命令由原来的高频脉冲信号变为了长灭磁命令。将升级后的励磁调节器灭磁命令修改为10s的高频灭磁命令，更换灭磁用可控硅V3触发脉冲变压器后灭磁正常。

（2）脉冲变压器的作用及工作原理：脉冲变压器通常用来变换窄的矩形脉冲电压，其电压的宽度一般为几微秒，甚至更小。但有时也变换宽脉冲，脉冲宽度可达到几千微秒。脉冲变压器的工作原理是利用铁芯的饱和性能将输入的信号源变成窄脉冲型输出的变压器。脉冲变压器的初级绕组中通一相适应的电压（电流），就会在次级绕组内按比例产生相应的电压。高频脉冲变压器的铁芯是用铁氧体材料制作的，这种铁芯制作的变压器不可以当普通变压器使用。

（3）脉冲变压器基本原理与普通变压器相同，但是铁芯的磁化过程是有区别的：①、脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波，而一般变压器是工作在连续不变的磁化中的，其交变信号是按正弦波型变化。②、脉冲信号是重复周期，具有一定间隔的，且只有正极或负极电压，而交变信号是连续重复的，即有正的也有负的电压值。③、脉冲变压器要求波形传输时不失真，也就是要求波形的前沿，顶降都要尽可能小。

（4）脉冲变压器烧损原因分析：通过对脉冲变压器工作原理及灭磁命令分析可知，在励磁调节器升级后灭磁命令由原来的高频脉冲信号变为长灭磁命令。加在灭磁用可控硅V3触发脉冲变压器原边为

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