励磁系统过电压保护装置分析

标签：过压保护 可控硅

1. 防止交、直流系统中暂态过电压保护装置说明

产生过电压的原因，除了大气过电压外，主要是由于系统中断路器操作过程，以及可控 硅元件本身换相关断过程，在电路中激发起电磁能量的互相转换和传递而引起的过电 压。东方电机励磁系统中采用的过电压保护措施在交流侧为阻容吸收保护，直流侧为非 线性电阻。

AC 过压保护

一个交流过压保护电路放在每个整流桥的交流输入侧吸收由于可控硅换相引起的电压 尖峰。交流过压保护基本上由三相二极管整流桥和连接到它的直流输出侧的电容组成。 对于高频尖峰电容表现为低阻抗并当作一个滤波器。利用电容器两端电压不能突变，而 能储存电能的基本特性和电容并联有一个当电容放电时吸收能量的充放电电阻。在该应 用中的电容应该能够承受高的 di/dt。 二极管整流桥的交流侧采用带检测微动开关的熔丝 进行保护。 其接线方式采用反向阻断式接线如图所示。

图一 反向阻断式阻容吸收保护线路

DC 过压保护

在发电机机端故障如短路、 错误同期和/或异步运行时产生感应的负励磁电流， 该电流可能在励磁回路中引起高电压。这样的过电压必须限制在一个对励磁线圈的绝缘电压(试 验电压)和整流可控硅的 PIV(峰值反向电压)值足够安全的范围内。为此通常采用所谓的 CROWBAR 电路。CROWBAR 电路采用转折二极管检测励磁回路中的正和负的过电 压。无论何时动作，触发相关的可控硅，立即连接非线性磁场保护电阻与转子并联。

磁场保护

磁场保护的标准方案是应用可控硅整流桥带直流侧磁场断路器+CROWBAR 电路的磁 场保护方案，基于磁场断路器的逻辑控制、CROWBAR 可控硅触发和脉冲闭锁。 CROWBAR 电路采用转折二极管检测励磁回路中的正和负的过电压。无论何时动作， 触发相关的可控硅，立即连接非线性磁场保护电阻与转子并联逻辑控制同时送命令给： 磁场断路器分闸， 立即使在接受到一个来自发电机保护系统或内部励磁系统保护的跳闸 命令后启动磁场保护。CROWBAR 可控硅触发立即连接磁场保护电阻与转子并联，使 励磁电流换流到磁场保护电阻上。

通过磁场断路器弧压和磁场线圈间最大可允许的电压来估算和调配灭磁电阻的值。也根 据发电机机端三相短路感应的励磁电流和/或空载运行时顶值励磁电流来估算将要吸收 的聚集在磁场线圈的能量。

2. 并联可控硅电流均流方法说明

可控硅并联支路间电流分配不均的原因有二：

a 在瞬态时，由于并联元件开通时间的先后有差别，而引起瞬态电流不均;

b 在导通进入稳态后，由于并联元件在导通状态下的伏安特性(正向压降)有差异， 则引起稳态电流不均。过去多年来，提高并联可控硅桥中电流的分配总是一个问题。没 有一个实用的方法，正如交流进线的位置、在每个可控硅桥进线口的均流电抗器都不是 完全有效的。实际上在最好的情况下可接受 10%的额定电流不对称量已经超出了理论的 要求。东方电机由于采取了作为软件功能的动态电流分布，使流过每一个可控硅桥的电 流差不多是相等的。在大多数较大电流应用情况下，由于不必计算电流的不平衡性，通 过动态电流分布可以节省一个可控硅桥。此外，成组的可控硅整流桥的交流进线可以在 右边进线或者在左边进线。 这是因为不必考虑从变压器的二次侧到可控硅整流桥合适的 电磁路径。从而，交流母排内部互相连接是统一的和标准化的。因此，内部互相连接的交流母排的工作和费用极大地减少。

东方电机在解决以上电流分配不均方面采用以下方法：

a.在调节器内采取了作为软件功能的动态电流分布，使流过每一个可控硅桥的电流差 不多是相等的。

b. 在并联支路元件的选配上，保证所选元件的开通特性和正向压降基本一致，即开通 时间的偏差不大于 20 微秒， 正向压降的偏差不超过 0.05 伏， 元件的额定电流降低到 0.8 倍以下使用。

c. 在触发回路设计方面，尽可能提高触发电流的上升率和幅值，使开通时间偏差缩 小;

d. 在元件的排列和引出母线的位置上，力求做到使各支路的电阻相等，自感相等， 互感也大致相等;在母排的选用、处理工艺上力求做到并联支路的一致性。

3. 晶闸管与熔断器配合关系说明

快速熔断器的熔断特性是指通过熔体的熔断电流(峰值)与清除故障时间的关系。 清除故障时间包括熔体的熔化时间与飞弧时间。东方电机在选用熔断器时，采用以下方 法来实现晶闸管与熔断器的配合：

a 选用的熔断器的额定电流小于流过可控硅元件的实际工作电流，即：

式中：IR 为熔体的额定电流，IT(AV) 为整流元件的额定通态平均电流 IA(RMS)为流过桥臂的实际工作电流的均方根值 np 为并联支路数， KCI 为均流系数

b 在预期故障电流的条件下，熔体的熔断特性处于被保护元件的短时过载特性的 下方。预期故障电流是指不装熔断器时，该电路中可能产生的最大故障电流。

熔断器限流特性曲线和熔化特性曲线见附图。

4. 滑极保护方法说明

当发电机出现滑极时，发电机处于异步运行中，转子绕组会感生很大的交流电流， 从而在转子绕组中产生过电压，其值与转差率的大小有关。为了消除滑极所引起的过电 压，采用非线性电阻跨接在转子两端来保护转子和整流桥。

5. 抑制静态励磁装置输出回路中故障电流的方法说明

为了抑制静态励磁装置输出回路中故障电流，东方电机在设计中采取了以下措施：

a 励磁装置内部具有完整的自检和自诊断功能;

b 调节控制和功率部份采用冗余配置;

c 励磁装置设有各种限制和保护功能，如空载过励限制、低频过励限制、最大励 磁电流限制、最小励磁电流限制等功能。

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