三机式励磁系统副励磁机输出回路绝缘监测方法研究

彭立英,冯存亮,唐诚,向健

(中广核研究院有限公司,广东 深圳 518124)

三机式励磁系统副励磁机输出回路绝缘监测方法研究

彭立英,冯存亮,唐诚,向健

(中广核研究院有限公司,广东 深圳 518124)

本文针对三机式励磁系统的副励磁机输出回路缺乏绝缘监测措施展开研究,结合现场实际情况对目前常用于小电流接地系统的绝缘监测方法对该回路的适应性进行分析.分析表明零序电压监测方法可适用于副励磁机输出回路的绝缘监测,最后通过Matlab仿真验证了零序电压检测原理对副励磁机输出回路绝缘监测的有效性.

副励磁机;绝缘监测;零序电压

励磁系统是发电机的重要组成部分,直接影响发电机的运行特性,其主要任务是根据发电机的运行状态,向发电机的励磁绕组提供一个可控的直流电源,以满足发电机各种运行方式下的需要.根据励磁电源的不同,励磁系统一般可分为他励型和自励型两类.三机式励磁系统是一种非常典型的他励型励磁系统,广泛用于大容量发电机组.

在三机式励磁系统中,副励磁机是整个系统的励磁电源源头,它的运行状况直接影响整个励磁系统.但在实际运行中,仅对副励磁机输出线电压进行监测,没有设其它保护措施.本文针对副励磁机的结构及输出回路特性,结合目前主流的绝缘监测方法,对副励磁机的输出回路进行绝缘监测的可行性分析.通过理论对比分析,零序电压绝缘监测方法可实现对该回路的绝缘监测,最后通过Matlab仿真实验验证了该方法的可行性和有效性.

1 三机式励磁系统简介

三机式励磁系统的主要设备包括主励磁机、副励磁机、旋转二极管、自动电压调节装置、灭磁装置.其中主励磁机的电枢、副励磁机转子和二极管整流都是旋转部件(安放在励磁机的转轴上),运行时随发电机转子一起旋转.三机式励磁系统中的副励磁机为一永磁发电机,永磁磁极安装于转轴上,定子发出的交流电流经可控硅整流器整流后,供给主励磁机的励磁绕组.主励磁机为一旋转电枢型交流发电机,其励磁绕组安装在定子上,电枢安装在转轴上.电枢发出的交流电流经旋转整流器整流后供给发电机的励磁绕组.

2 三机式励磁系统存在问题

三机式励磁系统电源取自同轴旋转的副励磁机,不受电力系统运行情况的影响,工作可靠.但由于副励磁机本体保护措施不够全面加之其输出回路缺乏相应的监测措施,在实际运行中曾发生多起由于该系统绝缘故障导致设备烧毁的事件,给运行电厂带来重大的安全隐患和经济损失.某电厂副励磁机因缺乏有效绝缘手段而导致副励磁机烧毁的现场情况如图1所示.

图1 副励磁机定子铁芯沟槽烧毁图

一般来说发电机转子大轴绝缘和转子绕组绝缘均有专门的绝缘监测或保护装置,同时自动电压调节装置也能对其整流桥输出直流进行绝缘监测,但副励磁机及其输出回路并没有相关绝缘监测及保护措施.如果副励磁机及其定子绕组至整流桥输入端发生绝缘故障,系统将无法获知绝缘信息,只能任由故障发展,最终可能导致发电机励磁系统的崩溃及主设备损坏.

3 解决方案可行性分析

以某电厂为例,副励磁机是一个输出电压约100~400V,频率为400Hz的中压中频电源,副励磁机的中性点不接地,因此对其输出回路的绝缘监测措施可以借鉴中低压系统常用的监测方法.目前中低压系统常用的监测方法有注入式监测、零序电流监测、零序电压监测.

由于副励磁机的定子绕组虽为星形连接,但其中心点没有引出,注入式监测系统没有注入点.同时由于注入式监测引入了新的交流量,三机式励磁系统中的自动电压调节装置含有晶闸管等非线性元件,电路错综复杂,新的交流量对此装置的影响难以预见,因此该方法不适合于副励磁机定子绕组和输出回路的绝缘监测.

副励磁机的定子绕组为星形连接,中心点不接地,属于小电流接地系统.当系统发生单点接地时,系统中的零序电流非常小,接近零.因此零序电流方法无法有效监视系统的单点接地情况.

零序电压监测方法一般采用电磁式电压互感器开口三角绕组构成的绝缘监测装置来监视系统的绝缘状况.当副励磁机输出回路正常运行时,回路中无零序电压量,此时开口三角绕组的输出电压为零.当输出回路发生单相接地或两相接地故障时,系统的平衡特性遭到破坏,将出现零序分量,此时开口三角绕组的将输出非零量,即

因此,可以根据系统有无零序电压的大小来判定副励磁机定子绕组及输出回路的绝缘状况.

图2 单相故障仿真结果图

4 仿真验证

为了验证零序电压监测方法的可行性,本文以某电站副励磁机为基础搭建仿真模型进行分析.该副励磁基本参数如下:额定电压UN=200V,额定电流IN=288A,额定频率f=400Hz,额定转速n=3000rev/min.本文模拟了副励磁机输出回路发生单相接地故障和两相接地故障时,系统的输出特性及零序分量情况.

工况 一:在0.5s时副励磁机输出端发生A相单相接地短路,0.51s故障切除,故障前后输出电压、输出电流、零序电压和零序电流波形依次如上图2(a)、(b)、(c)、(d)所示.从图中可以看出故障发生后,故障相的电压降低,但故障相的电流变化很小,零序电压比较大,零序电流比较小.

工况二:在0.5s时副励磁机输出端发生A、B两相接地短路,0.51s故障切除,故障前后输出电压、输出电流、零序电压和零序电流波形依次如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示.从图中可以看出故障发生后,故障相的电压降低,但故障相的电流有一定的变化,零序电压比较大,零序电流比较小.

5 结语

为了有效的监测副励磁机输出回路的绝缘状况,本文提出了借鉴中压系统的监测方法来实现对该回路的有效监视.通过对比不同的绝缘监测原理,分析得出基于零序电压的绝缘监测方法适合副励磁机回路的绝缘监测,最后的Matlab仿真实验表明,该方法能有效的监视副励磁机输出回路的绝缘.

图3 两相故障仿真结果图

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