跨接器主要参数要求及选择

范星座

（中广核能源开发有限责任公司成都分公司，四川成都610091）

跨接器主要参数要求及选择

范星座

（中广核能源开发有限责任公司成都分公司，四川成都610091）

发电机转子过压保护功能是励磁系统必须具备的重要功能之一。跨接器是常见采用的转子过压保护电路。本文针对励磁系统跨接器，介绍了其主要参数要求及选择。

转子过压保护；励磁系统跨接器；碳化硅；触发

1 概述

当发电机出现短路或励磁系统出现故障，如机端三相短路、失磁或低励造成失步等，就会在转子绕组中感应出负向的磁场电流，进而产生反向过电压。机组运行出现滑差将在转子绕组中感应正向磁场，在励磁绕组产生正向过电压。若该能量无法释放，感应电压快速上升，会达到转子绕组耐压试验电压的数倍，严重威胁转子和转子所连接设备的安全。

2 跨接器组成

跨接器，国外习惯称为CROWBAR，一般由可控硅阀、电流传感器组成，串联灭磁电阻后跨接在转子两端。见图1。

图1 跨接器接线图

2.1 灭磁电阻

灭磁电阻可采用线性电阻或非线性电阻，在非线性电阻的选择上，国内常采用ZnO，国外常采用SiC。

2.2 可控硅阀

正向控制元件一般由二极管构成。

反向控制元件一般由可控硅构成，反向控制元器件的选择与灭磁电阻的类型有关，在采用线性电阻、SiC时，由于其特性较软，在转子出现负压时，容易通流引起发热，故反向元器件选择采用可控硅，在采用ZnO时，由于其特性较硬，反向元器件一般选择采用二极管。

2.3 可控硅触发器

反向过电压触发器回路一般由R和CF所组成的过电压测量回路动作，发出触发脉冲，可控硅KPT导通，FR2进入导通状态，限制发电机转子的反向过电压，保护转子不受损害。

2.4 熔断器RD、线性电阻R1及二极管D2

正向过电压保护回路熔断器RD的熔断时间一般小于2 ms并且熔丝电压足够高，当部分支路产生故障，其相应熔断器快速熔断，产生的电压将故障支路的短路电流迅速迫入其他支路，故障支路被切除。线性电阻R1和二极管D2在机组正常运行时降低非线性电阻FR1的荷电率，延缓阀片老化。

2.5 线性电阻R2、非线性电阻FR2及二极管D1

当产生正向过电压时，保护转子绕组绝缘不被损坏，一般让D1的动作电压大于D2的动作电压。2.6电流检测器

当使用碳化硅电阻时，因为碳化硅电阻的漏电流较大，一般会大于跨接器回路可控硅的维持电流，为了防止碳化硅电阻跨接器动作后不能可靠返回，最常见的方法也是在跨接器回路装设过电流检测器，一旦电流长时间大于设定值就跳闸灭磁。

由于跨接器用于灭磁和转子过压保护，工作时间较短，一般不超过10 s，可以不采用散热器，而是直接压装。

3 跨接器主要参数要求

3.1 跨接器动作电压值

过电压保护动作值的选择原则如下：在任何情况下应高于最大整流电压的峰值；应保证励磁绕组两端过电压的瞬时值不超过出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的70%。整流电压的峰值就是阳极电压的峰值，其最大值要考虑允许过电压的倍数，比如1.5倍数；励磁电压的瞬时值是整流电压峰值与cos a角的乘积值。

3.2 放电电阻的选择

放电电阻一般同灭磁电阻共用，灭磁电阻又分为线性电阻和非线性电阻，而非线性电阻又分为氧化锌电阻和碳化硅电阻，因此，灭磁电阻的选择比较复杂，其基本要求见《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》。如果放电电阻不同灭磁电阻共用，比如国内的有些转子过电压保护装置，选用氧化锌电阻，则要选择氧化锌电阻的电压值和能容量，其电压值要高于灭磁电压值，要小于跨接器的动作电压值；其能容量选择比较困难，一般选择100 kJ～200 kJ（千焦耳）即可。

3.3 跨接器的返回措施

当转子过电压大于跨接器动作值时，跨接器动作并将转子电压限制为放电电阻两段的电压，在此电压的作用下，放电电阻将流过所要吸收的过电压能量，如果需要吸收的过电压能量大于放电电阻的极限能量，就必须采取措施，最常见的措施就是检测放电电阻的电流，一旦这个电流大于设定值就跳闸灭磁，这种方法也是处理转子异步过电压的最好方法。当跨接器动作后转子过电压消失，放电电阻承受正常运行的转子电压，对于氧化锌放电电阻来说，由于其正常转子电压下的漏电流很小，大大小于可控硅的维持电流，此时跨接器能可靠返回；对于碳化硅放电电阻来说，其正常转子电压下的漏电流很大，大大大于可控硅的维持电流，此时跨接器暂时不能返回，只有当转子电压变为零或者瞬时值变极性后才能返回。具体来说，正向过电压动作后，转子电压等于零或者其瞬时值变为负值时才能返回；反向过电压动作后，转子电压等于零或者其瞬时值变为正值时才能返回；为了防止碳化硅电阻跨接器动作后不能可靠返回，最常见的方法也是在跨接器回路装设过电流检测器，一旦电流长时间大于设定值就跳闸灭磁。

4 跨接器主要参数选择

4.1 非线性灭磁电阻容量的选择

空载励磁绕组储能：

W0＝0.5×L0×If02=0.5Rf0×Td0×If02

强励时，励磁绕组的储能，考虑到饱和及耗能分配影响，应乘以相应系数

WC＝0.5×LC×（KV×IfN）2

WC＝0.5×KSKRRf0Td0×(KV×IfN)2

式中IfN——额定励磁电流

If0——空载励磁电流

Td0——发电机空载时间常数

KV——强励电压倍数

KS——强励时励磁绕组饱和系数，一般取KS＝0.4水电取0.6

KR——灭磁时由灭磁电阻分担的磁场总容量，一般取KR＝0.7

Rf0——励磁绕组电阻（75°）

考虑20%裕度。

4.2 非线性灭磁电阻残压的选择

通常非线性电阻最大残压U残一般不低于励磁绕组出厂试验电压的30%，不高于50%。

U残＝UfN×（3～5），可控硅整流一般选4，二极管整流一般选3；

U10mA＝U残/1.5。

灭磁阀片的动作电压值约为U残×1/1.2～1.3

因此要求非线性灭磁电阻阀片一般应具有如下特点：

（1）阀片单片容量20kJ，最低电压不低于280V；

（2）阀片流过100 A的电压和流过10 mA的电压比值仅为1.5倍；

（残压比K＝U残/U10mA＝1.5）

（3）漏电流小，二分之一U10mA电压下的电流I=1/2 U10mA＜50μA；

（4）阀片能在持续运行电压Ue＝0.75 U10mA下工作；

（5）选取阀片数量时应注意考虑安装方式，一般一条组件上压装4组（残压低于1 000 V时最多可压装5组），每组中最多可串连3片（残压低于800 V时最多2片），每组单独配一个熔丝；也可采用双抽头式，即一条组件上压装8组，每两组共用一个熔丝。

4.3 过电压保护器残压的选择

U非全相＝U残×1.5

4.4 KPT、D1及D2参数选择

可控硅KPT、二极管D1、D2，其参数选取：

IfN＞1000A时，二极管D1、D2选ZP1000A/3200V，KPT选1000A/3200V；

500A＜IfN＜1000A时，二极管D1、D2选ZP800A/ 3200V，KPT选8 00A/3200 V；

IfN＜500 A时，二极管D1、D2选ZP500A/2500V，KPT选500A/2500V。

4.5 跨接器逻辑控制

由于转子过压分正向过压和反向过压，所以CT电流传感器测量的电流也对应有两个方向。当转子反向过压或事故跳闸时，测量的电流方向为负；当正向过压时测量的电流方向为正。该电流的方向影响到励磁系统中两个保护的不同动作逻辑。

当机组运行时出现转子反向过压，过压值大于反向过电压整定值时，R-CF触发可控硅KPT将非线性电阻FR2接入转子，将转子电压限制为FR2两端的电压，同时霍尔传感器CT检测电流经过，该电流显示值如果大于保护定值，系统发出“转子过压故障”信号。

当机组运行出现滑差并造成转子正向过压，过压值大于正向过电压整定值动作值时，FR2非线性接入转子，将转子电压限制为FR2非线性电阻两端的电压。同时霍尔传感器CT检测电流经过，送出信号给调节器，进行相应逻辑处理。

5 结论

在国内，大型发电机组中可恢复型跨接器应用较多，特别是在应用SiC作为灭磁电阻的情况下，通过正确的原理设计、合理的参数设置和适当的试验方法，验证该功能的可靠性，能够有效实现转子过压保护，避免不必要的机组停机。

发电机的灭磁既要考虑到可靠性，同时也要兼顾灭磁的快速性。

宜采用线性加非线性灭磁方案。

灭磁容量的计算必须依照发电机的参数，根据发电机的五阶模型对发电机机端三相短路、发电机空载误强励和发电机负载误强励3种工况进行仿真计算。

[1]王丹，陆继明，毛承雄.三峡水轮发电机组灭磁方案研究[J].电网技术，2002，（6）：39-42.

[2]DL/T 583-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件[S].

[3]李先彬.电力系统自动化[M]，1981.

TM864

A

1672-5387（2017）02-0012-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.02.004

2015-07-24

范星座（1977-），男，工程师，从事电站安全生产管理工作。