发电机励磁系统功率柜均流问题分析

李 辉,范进喜,刘 凯

(雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051)

文章编号：1006—2610(2015)04—0076—05

发电机励磁系统功率柜均流问题分析

李 辉,范进喜,刘 凯

(雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051)

简要述及了影响励磁功率柜均流的几个因素，包括元件通态特性、开通特性、温度、母排连接方式等，并针对官地水电站实际情况，提出相应解决措施。此外，还提出一种新的可控硅均流评判方法。

励磁功率柜；可控硅；均流；均流系数；官地水电站

0 前 言

目前，大、中型发电机组普遍采用静止可控硅自并励励磁方式。为了提高励磁系统的可靠性和增加励磁电源的容量，同时考虑到可控硅整流器容量的限制和系统对功率柜的冗余要求，一般都采用多功率柜并联运行方式，这样就产生了功率柜之间的均流问题。处理好功率柜之间的均流问题，对于提高励磁系统运行的可靠性，保证电厂安全可靠地运行具有重要意义。

DL/T 489-2006《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程》[1]中明确规定：在型式试验、交接试验和定期检查试验中都必须进行励磁系统整流功率柜的均流试验。

满足均流的基本方法包括物理均流和动态均流。物理均流主要是通过对可控硅元件筛选、交直流侧进出线匹配等方法来提高均流系数，而动态均流则借助于对同桥臂各晶闸管元件触发脉冲时间的控制达到均流的目的。本文主要针对官地电站励磁系统实际情况，分析并联功率柜之间电流分配不均的原因，并探讨其解决措施。

1 电流不均衡的危害

由于目前励磁系统在整流柜配置上大多采用N+2冗余配置，即退两柜时仍然能够满足发电机所有运行工况，所以发电机正常运行时，励磁电流远低于整流桥的额定标称电流。以官地水电站为例：在环境温度45 ℃时，单桥容许的最大励磁电流2 000 A，即便考虑到均流系数，4桥并联也能够达到7 200 A，而带满负荷工作时的励磁电流仅为2 800 A。在这种低负荷情况下考核可控硅整流桥的均流，对于发电机励磁本身并没有多大的意义。

但是对于功率柜容量配置较小的励磁系统，电流不均首先会致使负担过重的可控硅元件的结温升高而最先损毁，这样就加重了其他可控硅元件的负担，从而引起其他元器件相继损坏，这就是所谓的连锁击穿损坏现象，它会大大降低励磁装置的强励效果[2]。所以不均流现象的直接后果是缩短了可控硅的使用寿命，造成因可控硅的热击穿而引发大事故的隐患。

2 影响并列运行可控硅整流桥电流 不均衡的因素

2.1 均流回路分析

励磁功率柜主回路接线图(以2个功率柜并列运行为例)如图1所示。

图1 励磁功率柜主回路接线图

对于功率柜1和功率柜2，假设R1a、R2a分别为其交流侧进线电阻，R1d、R2d为直流侧出线电阻，Rt1、Rt2为可控硅通态电阻，L1a、L2a为交流侧进线电感，L1d、L2d为直流侧出线电感，Vt1、Vt2为可控硅通态压降，i1、i2为通过整流桥电流，则有：

(1)

从式(1)[2]中可以看到，影响并联运行功率柜均流的因素包括交流侧进线影响、直流侧出线影响、可控硅换相过程的影响和可控硅元件本身的影响。

2.2 交流侧进线的影响

由式(1)可知，交流侧进线的影响主要集中在进线电阻和进线电感上。当可控硅通态电阻Rt1、Rt2分别大于整流桥交流进线侧电阻R1a、R2a和直流出线侧电阻R1d、R2d时，交流进线侧电阻和直流出线侧电阻对均流的影响并不明显，但是在实际中这种情形很少出现，尤其当整流桥选择的可控硅通态电流比较大时，其通态电阻更小。

2.3 直流侧出线的影响

由于直接和转子负载相连，很大的负载电感减弱了直流侧出线对均流的影响，为此在处理均流问题时应优先考虑交流侧阻抗匹配问题。

2.4 换相过程的影响

在图1所示的励磁功率柜中，当整流器工作在非换相区时，共阴极和共阳极各有1只可控硅导通，如T15和T16导通，其等效电路如图2所示[3]。

图2 T15和T16导通等效电路图

图3 T15和T11换相等效电路图

当ωt=α时，T15和T11开始换相，等效电路如图3所示。则有：

(2)

式中：γ为换相角；Lγ为交流侧进线电感；ea和ec分别为A相和C相的阳极电压；i1为流经T11的电流；i5为流经T15的电流。

由于在上述回路中，换相电流iγ由T15逐渐转移到T11，所以：

i1=iγ,i5=Id-iγ

(3)

(4)

式中：Id为功率柜1的总电流，经整理得：

(5)

对式(5)进行积分，可得：

(6)

从式(6)中可以看到，在换相过程中，交流侧换相电感直接影响电流在功率柜之间的分配。尤其当电感较大时，换相过程对电流的分配产生决定性的影响。因此，对于交流侧采用电缆连接时，应尽量做到进线完全对称。图4是展示了一种理想化的并联可控硅的连接方式[4]。

图4 进出线母排完全一致的连接方式图

2.5 可控硅元件的影响

2.5.1 导通压降

可控硅元件的导通压降由2部分组成，其中之一为PN 结压降，即势垒压降, 另一部分为欧姆压降，即可控硅基片与外壳各部分的接触电阻造成的压降。对于势垒压降，可以用等效电压源代替；而对于接触电阻，则直接用电阻表示[5]。

假设只有2只可控硅并联，并联电压为V2，其接线如图5所示。

图5 可控硅并联接线图

此时，由于2只可控硅元件的正向伏安特性不同，2条支路流过不同的电流。其中，SCR1的电流为I2，SCR2的电流为I1。其伏安特性曲线[6]如图6所示。

对SCR1：V1=V0+I1·Rt2

(7)

对SCR2：V2=V0+I2·Rt1

(8)

则：I1·Rt2=I2·Rt1

(9)

即在相同的管压降下，元件的导通电流与其导通电阻成反比。为了保证其均流效果，应尽量选择通态特性相同或相近的元件用在同一个并联支路。最好是在元器件采购时就向供应商提出额定电流下元件导通压降的偏差范围。若要求的均流系数越高，则偏差应越小。

图6 并联可控硅伏安特性曲线图

2.5.2 可控硅导元件节温

图7 可控硅的导通特性曲线图

由于可控硅元件的导通特性与温度相关，在不同的温度下，导通特性会发生稍许偏移。具体的关联曲线[7]见图7。所以，对于均流系数，我们只应针对某一运行点或者某一具体温度来进行要求。

由图7 可知，在电流较大时(虚线和实线的交点以上)，可控硅的导通特性与可控硅的节温正相关，但在电流较小时(虚线和实线的交点以下)，可控硅具有负温特性，节温越高，导通压降越小。对于并联功率柜，当某一功率柜输出电流较大时，在相同散热条件下，电流输出大的可控硅装置的发热量增加，可控硅平均通态压降会增大，所以该功率柜的输出电流会相对减小，原来输出小的功率柜输出会相对增加，最终各装置输出电流达到一个新的平衡状态，均流系数会上升。相反，在导通电流较小时，这种负温特性则会恶化并联可控硅之间的均流效果。

为了保证均流效果，应尽量保证同一个并联支路上的可控硅具有相近的节温。如尽量将元件安装在同一散热器上。

2.5.3 开通延时时间

开通延时时间也会对并联支路的可控硅均流产生影响。如图5所示的并联支路，若SCR1的开通时间比SCR2的开通时间提早 ，则引起的瞬态不均的电流[8]为：

(10)

图8 开通延时时间不同引起电流的瞬态不均图

为保证并联运行的可控硅能够同时导通，在检测可控硅的实验过程中, 应进行开通延时时间配对。此外，可控硅触发脉冲回路也是影响电流分配的重要因素，在硬件回路设计时应注意以下几个问题：

(1) 必须满足可控硅触发时刻同步；

(2) 保证触发脉冲前沿陡峭，采用大电流触发。实践表明对于同一型号的可控硅，大电流触发能够得到较高的电流上升率，有效减少开通延时时间的影响。具体的方法是逐渐增大可控硅的门极触发电流，直到触发回路对开通延时时间的影响达到最小；

(3) 可控硅触发脉冲回路的可靠性对励磁功率柜均流至关重要，而从调节器发出的脉冲最易受到电磁干扰，所以脉冲回路应使用屏蔽电缆，防止可控硅动误触发[9]。

3 官地电站励磁功率柜均流处理

3.1 电站概况

官地水电站位于四川省凉山州西昌市和盐源县交界处，是继锦屏二级水电站之后，锦屏一级水电站的又一补偿电站。电站安装4台单机容量600 MW混流式水轮发电机组，总装机容量2 400 MW，年平均发电量117.76亿kWh。根据地理位置和国家电网的输电规划，官地水电站和锦屏一、二级水电站作为一组电源，供电川渝及华东。

官地水电站励磁系统功率柜选用德国西门子公司原装进口产品，单柜容量为2 360 A，其核心元件为EUPEC公司T 1971N型晶闸管。整流桥并联支路数为4，均流方式为物理均流，直流侧采用铜排连接，交流侧除了交流开关柜送至各功率柜的等长电缆外，还在各功率柜之间增设了并联电缆，其交直流侧连接布置方式见图9。

图9 官地水电站励磁系统功率柜连接方式图

3.2 故障情况及处理建议

官地电站1号机组于2012年3月31日投产发电。投运初期，机组带负荷较小，励磁系统运行正常。随着负荷的增加，在运行过程中发现部分功率柜电缆发热严重。后用红外线谱图仪测量，发现1号功率柜交流侧C相一根电缆外表皮温度达到89.6 ℃，用钳形电流表测量该电缆电流为640 A，电流过大导致发热严重。测量其它电缆电流后发现功率柜交流侧电流不均衡。

为消除安全运行隐患，于2012年7月9日进行了励磁阳极侧电缆更换，将现有YJV-3 kV-1×185电缆更换为YJV-3 kV-1×240电缆，并在电缆更换过程中严格把控施工质量，确保交流开关柜到功率柜的交流侧电缆长度匹配，功率柜间的汇流电缆长度匹配，电缆铜接头与功率柜交流侧铜排接触良好，无扭曲、变形现象并测量电缆的阻值。交流开关柜至各功率柜的具体的测量值见表1。

表1 电缆阻值测量表

重新开机并运行24 h候后，在励磁电流为2 650 A时，测得功率柜交流侧进线电缆最高温度39.4 ℃，最大电流310 A。

比较处理前，在励磁电流为2 140 A时，功率柜交流侧进线电缆最高温度89.6 ℃，最大电流为625 A，均流情况有较大的改善。检测数据如表2所示。

表2 功率柜交流侧进线电流数据表

官地水电站功率柜T 1971N型晶闸管通态电阻Rt=300 μΩ，略小于交流侧进线电阻Ra，交流侧电缆进线电阻对于均流的影响比较明显。电缆阻值不等、铜接头与功率柜交流侧铜排接触不均可能是造成功率柜均流较差的原因之一。

结合官地水电站和其他电站的运行经验，有如下建议：① 尽最大努力保障功率柜交流侧进线电缆等长，如有必要，可以适当延长电缆长度。② 取消功率柜之间增设的并联电缆。增设并联电缆主要是为了保证在一桥故障时电缆能够承受强励电流。根据电缆更换后功率柜交流侧电流测量情况计算，YJV-3 kV-1×240完全能够满足强励要求。增设柜间并联电缆反而增加了功率柜交流侧进线电阻和电感匹配难度，对均流产生负面影响。③ 在交流进线侧电缆上加套磁环，调节各并联回路补偿电感量的大小。

4 功率柜的均流试验

4.1 均流系数

均流系数是均流试验的衡量标准，是指并联运行各支路电流的平均值与最大值之比[1]。具体的计算公式为：

(11)

式中：KI为均流系数；Ii为第i条并联支路电流；Imax为并联支路中的电流最大值，共有m条并联支路。规范[10]规定：在发电机额定励磁电流情况下，均流系数不应低于0.85。

通过式(11)能够反映功率柜各并联支路中最大值与平均值的偏差，但是如果出现最大值很大、最小值又很小的极端情况，如表2中提到的B相电流，大值可以达到648 A，小值只有463 A，式(11)不能够真实地反映出最大值和最小值之间的偏差。而通过式(12)则可以很好的反映这一点。

(12)

5 结 语

物理均流措施包括按照晶闸管参数如导通压降、通态电阻、开通延时时间等进行匹配，按功率柜交、直流侧进出线进行匹配，采用强触发，在交流进线侧铜排或电缆上加套磁环等措施。动态均流则是通过数字方式对调节器输出的晶闸管触发脉冲进行处理，调整其导通时刻，从而达到均流的效果[11]。需要强调的是，即便采用了动态均流技术，也应该优先使用常规均流措施以满足各功率柜硬件回路的对称性，避免最先导通的晶闸管承受很大的冲击电流。

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Analysis on Current Sharing of Excitation Power Cabinet of Generator

LI Hui, FAN Jin-xi, LIU Kai

(Yalong River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610051, China)

Factors affecting the current sharing of the excitation power cabinet are described including the on-state characteristics, switching characteristics, temperature and busbar connection mode of components. Furthermore, the corresponding measures are provided for the actual issues of Guandi Hydropower Station. Additionally, a new assessment method for the current sharing of the controllable silicon is proposed.Key words:excitation power cabinet; controllable silicon; current sharing; current-sharing coefficient; Guandi Hydropower Station

2015-04-09

李辉(1984- ), 男，山西省榆社县人，工程师，主要从事水电站二次设备检修、维护工作 .

TM645.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.020