同步发电机转子过电压过程分析

佟林晖，李国良

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

1 同步发电机转子过电压的来源

1.1 可控硅整流桥产生的换相过电压

可控硅三相全波整流桥的原理如图 1所示，其整流输出的直流电压Uf波形如图2所示（电源频率50Hz）。图1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～K6六个元件轮流导通。

图1 可控硅全控桥整流原理图

图2 励磁电压波形图

图3 K1、K2硅管电流波形图

图4 GRC保护原理图

1.2 定子侧或转子侧开关通断产生的操作过电压

定子出口开关非同期并网或突然甩负荷跳闸，使定子电流发生阶跃突变，发电机气隙及铁心中磁通急剧变化，在转子励磁绕组LQ中感应出过电压。

转子侧的灭磁开关跳闸灭磁，使励磁电流快速下降，也会在励磁绕组LQ的电感及励磁变LB漏感中感应出较高的过电压。

1.3 定子出线短路或雷击等产生故障过电压

定子出线短路、接地，或遭雷击等事故时，定子侧产生故障过电压。这些过电压会经过定子绕组和转子励磁绕组LQ间的耦合感应到转子回路。

1.4 发电机异步运行时产生滑差过电压

同步发电机在运行中失磁，转子会在高于同步转速下异步运转，靠阻尼绕组的作用变成异步发电机。在有功负荷突然变化时，功率角发生突然变化或发生失步振荡的过程中，也有暂时的异步运行。这时转子励磁绕组 LQ的导体与定子电流产生的旋转磁场间有相对运动，导体切割磁力线产生感应过电压，此过电压是一个正弦波，其幅值

式中：f2——异步运行时转子滑差感应电压的电频率，一般小于20Hz；

w——LQ的串联匝数；

Ф——定子电流产生旋转磁场的主磁通；kw——LQ的绕组系数。

由于LQ的匝数w较多，Ehm较大，据有关资料[1]分析，在水轮发电机可达几万伏。

1.5 定子三相负载不对称（或非全相）运行时产生不对称过电压

发电机定子三相负载不对称或一相断路（非全相）运行时，定子三相电流不对称。这组不对称的三相电流，可以分解成三组对称的三相电流：“正序分量”、“负序分量”和“零序分量”。这三组对称的电流流过发电机定子绕组，分别产生空间相隔 120º电角度的磁场。由矢量分析可知，零序电流产生的合成磁场为零。正序及负序电流产生的合成磁场分别在空间作正向和反向的同步转速旋转，产生正序和负序磁通。转子绕组LQ是以正向同步转速旋转，它与正序磁通相对静止、与负序磁通以两倍同步转速相对运动。该过电压的幅值可用式（1）计算，式中的f2=100Hz，Φ为定子不对称电流产生的负序磁通。

2 转子过电压保护

对上述 5种过电压可采取不同的保护措施进行有针对性的保护。

2.1 阻容吸收保护

第一种换相过电压，频率高达300Hz，而且是长期连续的，可采用GRC型阻容吸收过压保护器，用于吸收可控硅的换相过电压。这种保护方式可将换相过电压限制到阳极电压峰值的1.5倍以下。

根据上述1.1条关于换相过电压的分析，其产生的原因在励磁变的漏感及线路电感，所以把GRC放在整流桥的交流侧效果比较好，如图 4所示。因换相过电压的产生只决定于并联桥臂中最后截止的那只可控硅，与并联桥臂的多少无关。在可控硅换相t3～t4阶段，LB次级绕组任意二相电流突变产生过电压时，都可以经过二极管D1～D6对电容C充电，从而得到缓冲，降低di/dt，限制了过电压。t4时刻后，C上的电荷向电阻R释放，等待下一个周期再次吸收。

2.2 压敏电阻保护

上述第 2～5四种过电压，都不是长期连续而是偶然发生的，适合用ZnO压敏电阻来保护。ZnO有优良的非线性伏安特性（见图 5），一方面在大电流冲击下残压不高，保护特性好；另外当过电压消失后，ZnO的续流迅速大幅度下降到mA级，可使过电压保护跨接器中的可控硅管自行关断。

图5 三种电阻的伏安特性

图6 异步运行时转子绕组等值电路

2.3 过电压保护的吸能容量

上述第 1～3种过电压持续时间都在毫秒级，能量不大。第4～5种持续时间较长，能量较大。

发生滑差过电压时，感应电势幅值Ehm如式(1)所示，由于Φ及w均较大，如LQ外电路开路（如可控硅整流桥反向不通，也相当于开路），则LQ的端电压就等于Ehm，将击穿绝缘或可控硅。如在LQ两端跨接 ZnO电阻，则其电压被限制，励磁绕组的等值电路如图6所示。图中Eh为滑差感应电势，有效值Eh= 4.44f2wΦKw，Rf是LQ的内电阻，Lfσ是LQ的漏电感，Rv是外接的ZnO压敏电阻的等效静态电阻值(随电流大小而变，电流大时阻值小)。则回路电流有效值

式中：Xfσ=2πf2Lfσ，是 LQ 的漏电抗。

分子、分母中转子滑差电频率f2消掉，w、Kw及Lfσ均是发电机的固有参数，Φ取决于定子并网的电压及电机参数等，基本为固定值，最后得出Ih近似为恒值，与滑差频率无关。即异步运行时的转子励磁绕组LQ可近似视作一个恒流源（如f2＜5，由于Eh及Xfσ均减小，电阻相对变大不可忽略，故Ih减小，更趋安全）。

式中：u——ZnO两端电压瞬时值，V；

I——ZnO内流通的电流瞬时值，A；t——时间，s；

T——异步运行工况持续时间，s。

式(2)中由 ZnO选择的残压决定，一般为1～3kV；

由发电机参数决定，一般为几千安，经验数据可取=（0.7～0.8）IfN；

T取决于发电机失磁保护的动作时间[3]，一般为125ms；

由此可算出W的大小。一般发电机的灭磁能容量远大于滑差过电压的能量。在发电机转子快速灭磁兼过电压保护装置中，灭磁及过电压保护所用的吸能限压ZnO元件是公用的，所以只要灭磁能容量满足了，过电压保护自然能满足，不必再作仔细的计算。

不对称过电压能量的理论计算方法与上述方法相似。由于 Ih的值基本与滑差频率无关，不对称运行的负序磁通Φ-比异步运行时的正序磁通小，也就是不对称过电压的电流小于滑差过电压；而不对称工况的持续时间则取决于继电保护的动作时间。经验估计的该过电压保护的吸能容量小于滑差过电压，同样不会超过灭磁装置的吸能容量。如果过电压保护的吸能限压ZnO元件是与灭磁兼用的，则只要灭磁能容量满足了，过电压能量也就满足。

上述分析是对水轮发电机而言。汽轮发电机由于其转子整体锻造的铁心中可产生的涡流阻尼作用，削弱了旋转磁场的感应电势，其滑差过电压及不对称过电压幅值不高[4]，根据经验该幅值 Uhm＜（3.5～4）UfN（额定励磁电压），对转子绝缘及励磁回路元件不造成危害，所以汽轮发电机允许较长时间（可达15min）的异步运行而不跳闸[4]。

综上所述，发电企业可根据自己电厂的实际情况采用不同的保护方式组合或保护定值以达到保护转子的目的。

[1]李基成. 现代同步发电机整流器励磁系统[M]. 水利电力出版社, 1987.

[2]李自淳. 淮南化肥厂630kW同步电动机用压敏电阻启动实验报告[R]. 合肥：中国科学院等离子体物理研究所, 1988.

[3]王维俭. 电力系统继电保护基本原理[M]. 清华大学出版社, 1991.

[4]史家燕. 国产TQN-100-2型汽轮发电机失磁异步运行试验报告[R]. 合肥：中国科学院等离子体物理研究所, 1982.