水轮发电机励磁变流器过流故障原因分析

水轮发电机励磁变流器过流故障原因分析

文摘：本文分析了水轮发电机KLZ-3型可控硅励磁装置两相运行引起励磁变流器过流故障。由于可控硅元件损坏造成发电机励磁装置两相运行，在发电机输出功率不变和机端电压基本恒定条件下运行时，可控桥励磁电流减少，复励桥电流增加，引起励磁变流器过流，长时间运行，励磁变流器发热，绝缘材料老化，绝缘性能下降，影响设备安全运行。

关健词：水轮发电机；可控硅励磁装置；励磁变流器；过流故障

Abstract: this paper analyzes the KLZ-3 type hydraulic generator excitation system controlled by two phase operation flow converter excitation fault. Due to the damage caused by silicon components generator excitation device two phase run, in generator power output unchanged and machine under the condition of constant voltage of the basic operation, controllable bridge exciter current reduce, after LiQiao current increases by, excitation converter the flow, long time running, excitation converter fever, the insulation aging, insulation performance drop, affect the safe running of the equipment.

Keywords: hydraulic generators; Silicon controlled excitation device; Excitation converter; Flow fault

1概述

昭平县西部山区某小水电站几年前发生了一起因可控硅励磁装置两相运行引起励磁变流器过流故障。该电站设计水头21.76米，设计流量24.63米3/秒，发电机型号

TSL-260/35-20，装机容量3×1600千瓦，电站通过3条35千伏线路向外供电，发电机励磁系统采用了直流侧并联自复励方式。水轮发电机机组励磁装置型号KLZ-3，配励磁变压器一台、励磁变流器一台、可控硅控制屏一块。KLZ-3型自复励可控硅励磁装置原理框图见下图一。励磁变压器主要技术数据：额定容量30千伏安、原边额定电压6300伏、副边额定电压140伏。励磁变流器主要技术数据：额定容量30千伏安、原边额定电流184安、副边额定电流168安。励磁装置输出的参数：发电机空载额定电压时输出直流电压39伏、直流电流100安，发电机在功率因数为0.8时输出直流电压100伏、直流电流345安。2008年2月16日，昭平县发生了重大冰冻雪灾，该电站一条35千伏线路在距电站12公里山脊处因雪灾发生倒杆引起线路三相短路，解列事故线路，机组重新建压并网。当时发现电站3号机组无功功率不能调到额定值，停机检查，发现故障是由于可控硅励磁装置B相脉冲触发插件的脉冲输出三极管过流损坏，造成B相可控硅截止。当时雪灾严重，进站公路多处发生坍塌，电站对外交通阻断，损坏的元件站里又无备件，不能即时修复。同时县电网多处电站遭受雪灾，救灾供电告急。该电站是县网主要电源，担负起昭平县西部片区的救灾生产临时供电任务，决定电站3号机组在可控硅励磁装置的B相脉冲触发损坏下情况下带“病”运行，可控桥输出直流70安，运行中无功功率比正常略低，有功出力基本达到额定值，在紧急关头缓解了全县抢险抗灾的供电压力。抗灾工作结束后，对3号机组进行一次全面检修，发现发电机定子尾端的励磁变流器LL（如图一所示）的原边A相引出导线绝缘材料因过流运行发热老化，绝缘性能变坏，必须进行更换维修。

2励磁变流器过流故障分析

2.1励磁变流器基本工作原理

电站发电机励磁采用直流侧并联自复励的励磁装置,它提供给发电机的励磁电流包括可控硅分量和复励分量。复励分量由发电机尾端的励磁变流器从定子电流中取得交流电流

经三相不可控的复励桥整流而得。励磁变流器将发电机输出电流的变化反应到复励桥的整流器交流侧，经整流后供给发电机负荷时补偿电枢反应对气隙磁场的去磁或加磁作用所需的励磁电流。当发电机空载时，励磁变流器是不起作用的，亦即励磁变流器不能为发电机转子提供励磁电流。当发电机带上负载以后，负载电流越大，电枢反应作用越强，复励变流器提供给发电机转子的励磁电流亦增大，故能自动补偿负载电流及其相角变化时对发电机端电压的影。当发电机及外部短路时，励磁变流器并能为发电机转子提供强行励磁电流，确保继电保护装置可靠切除故障。可控励磁装置和复励励磁装置既有分工又有联系,当可控硅励磁装置有故障时,必然引起复励装置相关设备、元件的不正常运行。

接入复励桥的励磁变流器相当于一台电流源。其整流接线原理如下图二（a）、变流器二次侧电流波形如下图二（b），整流波形如下图二（c）。从图二（b）中知道，供给发电机励磁绕组的电流是由-ib、ia、-ic、ib、-ia在正半周的包络线，由于发电机励磁绕组是一电感性负载，其两端电压超前于电流一定角度。为便于分析，选择在一个周期之内分为六个区间，每个区间，各相电流瞬时的方向如下表。例如在0~时间内，由图二（a）知，ia、ic为正，ib为负。复励桥上D1、D3、D5三只管子导电，等值电路如图三，流过发电机励磁绕组的电流为iL=ia+ic=-ib，励磁电压为：uL=uab=-ubc，即励磁变流器副边电压uab、ucb与励磁电压相等。由于1、5两只管子同时导通，使得励磁变流器副边uca=0，励磁电流iL=-ib与励磁绕组的阻抗ZL相乘为励磁电压uL，即：uL=，角的大小由励磁绕组的阻抗决定。考虑发电机励磁绕组电感的因素，经计算，可以得出复励桥输出直流电压平均值和励磁变流器副边交流电压有效值的比值，以及输出直流电流的平均值和励磁变流器副边输出交流有效值的比值，即：，。利用此关系式可以算出故障时励磁变流器副边电流。

复励桥输出电流及整流元件在周期内导通情况表

2.2可控桥缺相运行分析

从图二（a）可知，可控桥与复励桥并接于发电机励磁绕组，共同向励磁绕组提供励磁电流。本装置可控桥为三相半控桥，其接线原理如图二（a）所示。三相半控桥接线由可控硅元件1～3和二极管4～6组成。在图三，当元件2处在正向电压b1时，其控制极在B相脉冲触发下使元件2导通，经整流的励磁电流ILK由B相经元件2、励磁绕组L、元件4到A相，如图二（a）所示，励磁绕组电压UL=Uba。当Uba处在如下图三中的t3点后，Uba〈0，元件2无整流电流输出，这时励磁绕组电流减少，同时在其自感电势作用下产生的电流继续在续流二极管D中流通，以限制励磁绕组电流减少，元件D在t3点后开始与元件2、4换流。同理A、C相整流以此类推。

电站3号机组励磁装置在雪灾应急运行，因可控硅触发回路元件损坏引发B相脉冲丢失，造成可控硅缺B相运行。在图三中，触发控制角α设定在110°左右，在缺B相的情况下，换流时，续流二极管D的续流压降加在元件1、4上产生的电流大于元件1的维持电流，在时间t6后至C相脉冲到来之前，元件1仍然导通，抵制励磁电流减少，相应发电机励磁绕组加有如图三所示的电压Uab，可控硅元件参数配合恰当，励磁装置不会出现失控现象。但是，这部分电流与流过续流二极管D的电流叠加在发电机的励磁绕组上，因复励桥与可控桥相并联，构成二端口网络，从复励桥端看进去，也等效增加了复励桥负载的电流。为了不断提供励磁绕组的磁场能量，维持发电机端电势，在可控桥缺B相时，复励桥此时自动相应增加A相励磁电流，如图二（d）所示，确保基本稳定输出无功功率。

下面简略估算可控桥缺B相时，复励桥A相电流增加值。机组正常运行：励磁装置输出额定直流电流345安，其中复励桥输出直流ILF=168×1.22=205(安),式中1.22为换算系数；可控桥输出直流电流ILK=345-205=140（安）。可控桥缺B相运行时，可控桥输出直流电流ILK=70安，为了维持输出无功功率不变，复励桥A相需增加输出直流电流△ILfa=140-70=70(安)，增加的直流全部加于复励桥A相，复励桥A相输出直流电流为ILfa=70+205=275（安），归算至励磁变流器原边A相电流有效值I1=KI2==246(安)，式

中K为励磁变流器变比。励磁变流器A相原边电流过流倍数Ka==1.34。

由上面计算结果而知，电站3号机组励磁变流器A相绕组在雪灾应急供电期间运行承受了1.34倍过电流，励磁变流器原边绕组导线型号与绝缘工艺与副边绕组有别，在过流运行过程，容易引起导线发热，时间一长出现绝缘材料老化故障，直至危及设备安全运行。

3结语

（1）发电机励磁装置可控硅在长时间的缺相运行会对相关电气设备造成严重影响。在日常运行时，应避免发电机励磁装置缺相运行，减少设备故障。

（2）小水电站特别是山区的小水电站应该对一些日常生产中关键的、重要的、易发生故障的设备元器件留有足够的备件，确保电站在应急时刻发电设备正常运行。

（3）对临时应急运行的电气设备，要加强值班人员运行巡视，发现设备异常情况时应及时停机处理，避免灾难性事故发生。

参考文献

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