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励磁变压器的过电保护(最终稿)
励磁变压器的过电压保护
李自淳 夏维珞 符仲恩
(科大创新公司科聚分公司,安徽 合肥 230088)
[摘 要] 本文分析了励磁变压器绝缘击穿的原因,探讨了过电压保护的方法,介绍阻容吸收器和三相限压器互补组合的一种有效过电压保护措施。
[关键词] 变压器;过电压;保护
前言
随着同步发电机自并励静止整流励磁方式的不断推广,励磁变压器的用量逐渐增多。随之励磁变绝缘击穿的事故也有所上升,特别是进口励磁变,由于其设计裕量较小,而且大都是三相同体,更容易发生击穿。励磁变压器的运行工况与普通变压器有何不同?为什么它的绝缘容易击穿?用什么方法可以有效地保护它不被过电压击穿?这些就是本文所要探讨的问题。
励磁变压器运行中过电压的来源
2.1 可控硅整流桥产生的换相过电压
励磁变压器的运行工况与普通变压器有一个很大的不同,就是在运行中其次级连续地、频繁地发生瞬间短路和开路,造成其输出电流频繁地高低起伏,产生极大的di/dt,由于绕组具有一定漏电感,所以在绕组内感应出连续、频繁的过电压。
图1为葛洲坝二江电厂7#水发机(125MW)励磁并联变二次a、b两相间线电压uab录波图。从图中可看出,在正常的正弦波电压上叠加了一连串的过电压尖峰,特别是在tc和tf时刻,正反向过电压峰值达到了正弦波峰值的2.3倍以上(最大值超出图框不可知)。如此高的过电压,重复频率为100Hz,连续不断地作用在励磁变的绕组上,必将使绝缘疲劳老化,最后导致击穿。
要探讨这过电压的来源,就得从励磁变的负载——可控硅整流桥和发电机励磁绕组来分析。
可控硅三相全控整流桥励磁的原理如图2所示,其整流输出的直流电压uf波形如图3所示(电源频率50Hz)。图2中励磁变压器LB次级相电势分别为ua、ub、uc,LB的漏感以及线路电感折合到次级绕组用集中电感Lb表示。正常运行时K1~K6六只管子轮流导通。
假定在t1时刻前,K1和K6导通;在t1时刻K2管子收到触发脉冲,此时
交流阳极电压(相电压)ub>ua,故K2管承受正向电压,K1管承受反向电压,换流趋势是K2管导通,K1管截止。但是由于K1管在导通期间晶体内积存了大量的少数载流子(电子和空穴),不能立即恢复截止,这样在短时间内K1和K2同时导通。此时a、b两相间产生瞬时的短路,uab≈0,短路电流id 增长速度did/dt =(ub-ua)/2Lb。短路期间整流输出电压的瞬时值uf = (uac+ubc) / 2,为a、b两相对c相线电压的平均值(考虑励磁变LB次级a、b两相的短路阻抗压降相同)。K1、K2两硅管电流的波形见图4。t1时刻前K1管电流iK1等于励磁电流If,K2管电流iK2为零;t1时刻K2管触发导通,其电流iK2上升,同时iK1下降,开始换流过程。由于发电机励磁绕组LQ大电感的影响,励磁电流If可视作恒值。根据柯希霍夫节点定律, iK1 + iK2 = If = 恒值。换流的快慢即iK1及iK2的变化率(同时也是短路电流id的增长率)diK/dt = (ub-ua)/2Lb。到t2时刻iK1降到零,iK2=If,似乎换流可以结束了。但此时K1内还积存有大量的少数载流子,不能恢复截止,故短路电流id继续增长,iK1变为负值,ik2 >If。到t3时刻K1反向电流达到最大值,积存的少数载流子迅速复合完毕,立即恢复截止,故K1反向电流立即回零,K2的正向电流也产生一个“猛跌”回到If(据实验观察,t3(t4仅几个μs)。硅管电流ik1和ik2同时也是电感Lb内的电流,由于t3(t4此电流变化率极大,故在电感Lb中感应出极高的换相过电压(u=-Lb。据了解,如不采取适当措施,(u可达到整流变二次电压正弦波峰值的1(3倍。
可以看出t1 ~ t4就是LB二次输出短路的过程,也即图1中tc0~tc的过程,称为“重叠区”。图1中,tc0~tc及tf0~tf为ab相的输出短路,uab降到几乎为零;ta及td前为ac相的输出短路,tb及te前为bc相的输出短路,此时uab也均下降,但不为零,过电压也不太高(此时换相过电压发生在ac相或bc相之间),详细可参阅“电力电子技术”的有关书籍[1]。
2.2 其它过电压
除了上述励磁整流变压器特有的换相过电压外,其它普通变压器可能出现的过电压,如开关投切的操作过电压、从高压电网窜入的大气过电压、高压出线短路、接地等的故障过电压等等,也都能作用到励磁变压器上。
3励磁变压器的过电压保护
3.1 概述
目前国际公认的最先进的过电压保护器件是氧化锌压敏电阻(或称非线性电阻ZnO)组成的无间隙避雷器。但在励磁变的过电压保护上存在以下实际问题:
3.1.1 电力部行业标准DL/T 583-1995《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》中4.5.
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