励磁调节器整流桥结构配置可靠性分析

唐诚

(中科华核电技术研究院有限公司，深圳 518124)

励磁调节器整流桥结构配置可靠性分析

唐诚

(中科华核电技术研究院有限公司，深圳 518124)

针对不同冗余配置的励磁调节器，提出可能存在单臂短路时故障扩大的风险，通过短路电流计算、可控硅导通特性和快速熔断器特性分析，得出不同配置的励磁调节器发生该故障的几率。

励磁系统;短路;整流桥;结构;可靠性

1 概述及问题

同步发电机励磁控制系统在合理分配无功功率、提高电力系统运行稳定性等方面起着十分重要的作用。励磁调节器作为励磁控制系统的控制核心，其工作稳定性和可靠性对同步发电机乃至整个电力系统来说，都是十分重要的。可靠性也称为励磁调节器中最重要的指标，因此，国内外对于大型发电机励磁调节器均采用双重冗余设计。

对于无刷励磁调节器来说，不同冗余配置大致可分为如下几种:

(1)主备配置模式:以 ABB、ALSTOM、SIEMENS为代表，正常只有一个通道运行，另一个通道热备用(整流桥处于冷备用状态)，当运行通道故障时自动切换到备用通道;

(2)调节器主备配置、整流桥并列运行:三菱和南瑞电控采用该模式，正常时只有一套调节卡件运行，另一套处于热备用，整流桥并列运行。一个卡件故障时自动切换到相应备用卡件(或备用通道)。

不同冗余配置的励磁调节器，在发生整流桥单臂短路时故障，因快速熔断器错误熔断而造成故障扩大的风险也不同［1］。本文将从硬件冗余配置角度，对该故障模式下发生故障扩大风险进行分析。

2 故障模式分析

2.1 多桥并联运行时单桥短路故障扩大［1］

图1 双桥并联运行时短路故障扩大风险示意图

两个可控硅整流桥并列运行的电路图如图1所示，假定A、B两个桥并联运行且A桥C+臂的晶闸管发生短路故障，下一个应该被触发导通的臂是A+，则当2个桥的A+被导通时，A、C相短路。故障的A桥C+臂流过全部的Icc，故障相的短路电流由A、B两个柜的A+支臂供给，这样，B柜正常A+支臂的加热功率约为故障C+臂的1/4，可能已超过熔断器的熔断安秒极限，有可能与故障C+臂的熔断器一起熔断，监视逻辑得到报警后，将按照规定逻辑闭锁所有发出熔断器熔断信号的整流桥的触发脉冲，励磁跳闸，冗余失败。

同理，对于三桥并联运行时某桥一臂出现击穿短路故障是，故障支臂的短路电流由三个整流桥共同提供，这时，正常支臂流过的电流为1/3I cc，其加热功率只有故障支臂的1/9，熔断器熔断几率较小。

2.2 双桥主备运行时单桥短路故障扩大

假设运行整流桥C+臂出现短路故障，在下一个触发脉冲发生后，运行整流桥的A+臂将和C+臂形成相间短路，如图2中①所示。

图2 双桥主备运行时短路故障扩大风险示意图

正常时，该短路电流将足以使两只通过短路电流的支臂熔断器快速熔断来切除故障(如图2中Fa和Fc)。但实际上，也可能发生只熔断一只熔断器的情况，这种概率是存在的。如果图2中熔断器Fa熔断，而Fc没有熔断，则短路故障依然存在。在整流桥切换后，备用桥导通支臂与故障桥短路支臂间将流过相间短路电流，如图2中②所示。这样就有可能导致备用桥相应短路支臂熔断器熔断，从而导致双桥退出乃至跳机。

对于上述微机励磁调节器来说，不管其整流通道是并列运行还是主备运行方式，均存在单整流桥短路时引起相邻整流器或备用整流桥同时故障的可能。

3 理论计算与分析

3.1 三相整流桥一臂击穿时短路电流

如图3(a)，设正当第5管向第1管换流时，第5管被击穿(永久性导通)。取这时wt=0，各相电势波形及各管导通情况如图，下面分两个阶段讨论短路电流计算[2]。

图3 一臂击穿短路电流计算

式中:E为相电势有效值。

A为积分常数，由初始条件决定。

设桥臂击穿是在桥空载情况下发生，即当t=0，i=0，由此初始条件可求出A，即

Im2为两相短路电流周期分量的幅值。

2.2 快速熔断器选择及保护功能分析

在分析可控硅故障过程中，必须分析可控硅的熔断器。在选择与可控硅元件串联的快速熔断器时，主要考虑快熔的额定电压和额定电流，其额定电流经验选择公式如下［3］:

式中:Kri取值1.25～1.54;Id为可控硅整流柜额定输出电流。

同时稳态短路电流计算，副励磁机的三相稳态短路电流约为交流侧额定线电流的1.55倍，即I(3)m=1.55Il，联合2.1节中最后一式，则，可控硅一臂短路时冲击电流约为:

由上述对比可知，可控硅一臂短路时各相冲击电流都大于快速熔断器的额定电流，如果两个整流桥并列运行，则B相的冲击电流均分在并列的两个支路上，约1.55Il，已经超过了熔断器的额定电流。实际上，由于两个整流桥的导通特性存在差异，可能某个整流桥的A+臂电流更大，这也可能加剧了1.1节中故障模式的发生。但是，快速熔断器的重要指标为I2t，文献［1］及前文分析则中在分析熔断器可能通过的短路电流，而忽视了熔断器所在可控硅支臂上的导通时间。尤其是对于中频励磁电源而言，其交流电源周期更短，考虑每个支臂的导通时间，其结果还未知。以某核电站400Hz励磁电源为例，结合图1中的故障模式进行分析。当整流桥单一支臂短路故障并下一个导通阶段时，两个桥的B+臂分别流过1.55Il的短路电流，由于交流励磁电源的周波为2.5ms，正常运行时每个支臂的其最大导通周期也只有0.8333ms，下一个脉冲到来时A+臂的晶闸管即被反向电压关断，B+臂导通，A+臂晶闸管在1.6667 ms才会重新导通。而快速熔断器的熔断时间约几毫秒，由I2t可知，短路的C+支臂一直流过短路电流，其快速熔断器热积累效应明显，而A+臂或B+臂重复再经历导通、关断的脉冲周期，电流倍数小且导通时间短(小于0.8333ms)，因此，结合电流和导通时间这两个关键因素考虑，非故障相支臂的热功率实际只有故障支臂热功率的1/12，甚至更小，相应支臂的快速熔断器熔断几率极低。针对这种情况，有的厂家也充分考虑措施，如ABB公司采用“fire all command(全触发)”来确保至少故障晶闸管的保险丝被烧断，一旦转换到备用整流器，故障晶闸管桥将被封锁。

同样的，对于单通道热备用的通道配置模式，如图2，当单臂击穿短路在下一个脉冲形成两相短路时，两个支臂的电流相等，故障支臂的快熔热积累时间比非故障相大，非故障支臂的热功率约为故障支臂的1/4，存在一定的熔断几率。如果采用三个整流桥并联运行方式，则B相的冲击电流由三个并联桥的B+臂均分，约0.03Il，小于熔断器的额定电流，且非故障相导通时间短，发生单桥一臂短路故障扩大的风险基本不会发生。

3 结论

从上述分析可知，双桥并联运行模式中，某桥发生一臂短路故障时，非故障相支臂熔断器熔断几率极低，故障支臂的熔断器能够正确切除故障。双桥主备运行模式中，某桥发生一臂短路故障时，非故障相支臂的熔断器存在一定的熔断几率。而三桥并联运行模式中，基本不会发生非正常熔断风险。

［1］ 李基成．现代同步发电机励磁系统设计及应用［M］．中国电力出版社，2009．

［2］ 樊俊，等．同步发电机半导体励磁原理及应用［M］．水利电力出版社，1980．

［3］ 杨秀杰．可控硅整流器的快速熔断器保护［J］．大电机技术，2002(61)．

［4］ 陈济东，等．大亚湾核电站系统及运行［M］．原子能出版社，1994．

Reliability analysis of AVR Structure Configuration for Large Capacity Generator w ith Brushless Excitation

TANGCheng
(China Nuclear Power Technology Research Institute Co．，Ltd，Shenzhen 518124，China)

This paper introduces kinds of regulator with different redundant configuration，and presents the risk of AVR fully fault down if there is short circuit in one of the rectifier bridges．After calculating the Short－ circuit current aswell as analyzing the characteristic of bridge and fast fuse，the fault possibility of AVRswith different configuration are presented in this paper．

excitation system;short circuit;rectifier bridge;structure;reliability

TM76

B

1004－289X(2013)05－0076－04

2013－08－01