发电机励磁转子过电压保护功能检测方法应用实践研究

潘益民

江苏华电戚墅堰发电有限公司 江苏省常州市 213011

摘要: 介绍了某型燃机发电机励磁转子过电压保护装置的配置功能。根据燃机发电机励磁转子过电压保护功能检测要求，结合现场工程实践，在分析当前发电机励磁系统过电压保护功能传统检测方法的基础上，通过采用一次和二次相结合的检测方法对公司发电机励磁转子过电压保护功能进行检测的应用实践，总结完善一种新颖实用且相对安全的励磁转子过压保护功能检测方法，这对优化改进发电机励磁转子过电压保护功能检测方法，提高检测过程的安全性、正确性和便捷性，确保发电机励磁系统过电压保护装置安全可靠运行，具有较好的借鉴意义。

关键词: 发电机励磁 转子过电压保护 检测方法 一次和二次相结合 安全性 新颖实用 优化改进

0. 引言

发电机励磁转子过电压保护功能是防止发电机励磁系统运行中产生的过电压危害转子绕组及相关回路的重要保护技术手段。发电机转子过电压保护的配置，主要由非线性吸能电阻器（如氧化锌ZnO）、可控硅器件、触发器等部件组成。目前可控硅整流静止励磁系统已在大中型同步发电机中广泛采用，在发电机运行时励磁可控硅整流换相及停机灭磁等正常工况和空载误强励、机端短路、励磁失控、机组内部故障等严重事故状态以及其他各种异常工况时，转子回路中会产生很高的过电压，这些过电压如不采取措施进行及时有效抑制就有可能危及发电机励磁绕组对转子铁芯之间的绝缘和可控硅整流桥，一旦这些部位的绝缘被过电压击穿将造成发电机事故停机和更大的经济损失，这就反应出发电机励磁转子过电压保护功能配置的重要性。在实际工程的应用实践中，就需要总结优化一套安全可靠且操作简便的检测方法来对发电机转子过电压保护装置的元件参数和工作可靠性进行周期性的检查和测试，从而保证发电机转子过电压保护装置的工作可靠性，进而提高发电机组的安全可靠运行性能。结合工程应用实践，本文介绍了某型燃机发电机转子过电压保护装置配置和工作原理，结合该型燃机励磁系统转子过电压保护装置检测工作的现场实际，总结优化出该型转子过电压保护装置检测工作的改进方法，对同型发电机转子过电压保护装置的检测工作有一定借鉴意义。

1．某型燃机励磁转子过电压保护装置配置和传统试验方法介绍

以某型燃机励磁转子过电压保护装置配置为例，该型转子过电压保护装置配置接线图如下图一：

1.1转子过电压保护装置配置的主要元件功能介绍

1.1.1 RV1灭磁电阻：RV1用于机组发生空载误强励、机端短路、励磁失控、机组内部故障等严重事故状态以及其他各种异常工况下的快速灭磁兼反向过压保护。

1.1.2转子侧正向过压保护电阻RV3

RV3用于吸收各种工况下的转子侧正向过电压。

1.1.3电源侧过电压保护RV2

主要防止QF分断后浪涌过电压及开断弧压对整流电源的伤害。

1.1.4触发器TR1~TR2

承担当转子反向过电压一次值达到保护整定值时，触发器TR1（TR2）两端按设计电阻分压比R1/R_TR1（等于R2/R_TR2）获得的二次分压值也同时达到对应整定设计二次值时，发出触发脉冲触发可控硅V1（V2）导通，进而使过电压全压加至非线性RV1灭磁电阻两端，从而使非线性RV1灭磁电阻被瞬时导通放电（当然，必须保证非线性RV1（RV2）灭磁电阻U10mA设计值小于对应一次过电压保护整定值一定的裕度范围），进而瞬时产生释放磁场能量的通路来快速有效抑制转子侧反向过电压和灭磁。

图一 某型转子过电压保护装置配置接线图

1.1.5触发器TR4

承担当转子正向过电压一次值达到保护整定值时，触发器TR4两端按设计电阻分压比R4/R_TR4获得的二次分压值也同时达到对应整定设计二次值时，发出触发脉冲触发可控硅V4导通，进而使过电压全压加至非线性RV3灭磁电阻两端，从而使非线性RV3灭磁电阻被瞬时导通放电（当然，必须保证非线性RV4灭磁电阻U10mA设计值小于对应一次过电压保护整定值一定的裕度范围），进而瞬时产生释放磁场能量的通路来快速有效抑制转子侧正向过电压。

1.1.6触发器TR3

承担当整流电源侧正向过电压一次值达到保护整定值时，触发器TR3两端按设计电阻分压比R3/R_TR3获得的二次分压值也同时达到对应整定设计二次值时，发出触发脉冲触发可控硅V3导通，进而使过电压全压加至非线性RV3灭磁电阻两端，从而使非线性RV3灭磁电阻被瞬时导通放电（当然，必须保证非线性RV3灭磁电阻U10mA设计值小于对应一次过电压保护整定值一定的裕度范围），进而瞬时产生释放磁场能量的通路来快速有效抑制整流电源侧正向过电压。

1.2 该型转子过电压保护装置传统试验方法分析

1.2.1 非线性电阻过压保护特性传统测试电路图见如下图二

^QsFUT1 ^T2R1 +

图二. 非线性电阻过压保护特性传统测试电路图(以测试GB02模块为例)

Qs---刀开关 FU---熔断器 T1---调压器

T2---升压变 R1 ---限流电阻 Vd---分压器

按图二所示接线,将高压输出端，示波器测试端接入过压保护器两端。

逐渐升高输出电压，直到示波器上出现如图三所示的波形为止，然后迅速记下数值，并立即将电压降到零（过压保护器动作导通的时间一般不要超过5～10秒钟）。图上UOP即为正向过电压动作值。

图三 非线性电阻过压保护特性传统测试示波器波形图

实测过压动作值在设计值的±5%范围内为合格。以上测试说明: 1.现场测试应在装置与系统断开时进行；2.所测结果中，正反向通态电压值是在较低的测试电流约1A左右下的残压值，并非装置的最高限压。

1.2.2 非线性电阻过压保护特性传统测试方法现场应用探讨

1.2.2.1在以上试验中，为测试转子过电压保护装置的保护动作电压，传统试验方法需要利用升压变压器等专用高压设备，缓慢增加升压变压器输出电压，当施加的正弦波电压瞬时值达到转子过电压保护装置动作值后，触发器TR动作触发可控硅V，此时可利用示波器观察过电压保护装置两端电压波形变化情况：即当观察到示波器显示的电压完整正弦波刚出现如图三所示的波形时，即可认为触发器TR刚动作触发可控硅V，转子过电压保护装置刚动作并已抑制住过电压，迅速记录下此时图三中所示过电压动作UOP值后，再降低输出电压完成一次测试工作。这种通过波形的变化和记录动作幅值的试验方法，可检验该转子过电压保护装置过电压动作值是否合格。

1.2.2.2在机组检修现场试验中，一方面缺少升压变压器等专用高压设备，另一方面由于部分电厂检修人员出于对转子过电压保护装置动作性能不太熟悉，或出于试验时对可控硅触发元件和非线性吸能电阻直接加上高压可能影响或损坏元件特性的顾虑而在常规检修中选择不做该过电压保护性能检测。但我们知道在DL/T419-2008、DL/T489-2006等运行和检修及试验规程中，对转子过电压保护装置的检测是有规定要求的。针对能有效抑制发电机励磁系统运行中产生的过电压危害转子绕组及整流元件的重要保护功能配置，我们需要寻求并优化总结出对发电机励磁转子过电压保护功能进行简便且安全有效的检测方法，来确证该保护功能的动作正确性，这对现场检修试验工作和保证发电机组可靠运行有实际应用意义。

2. 该型励磁转子过电压保护装置检测优化总结改进方法分析探讨

2.1 转子过电压保护模块原理分析： 根据上述该型转子过电压保护装置接线原理图，以转子侧过电压保护模块RV1为例，分析该型转子过电压保护装置的工作原理得出，触发器TR1~TR2实际承担当转子反向过电压一次值达到保护整定值时，触发器TR1（TR2）两端按设计电阻分压比R1/R_TR1（等于R2/R_TR2）获得的二次过电压值也同时达到对应整定设计二次值，触发器TR1（TR2）发出触发脉冲触发可控硅V1（V2）导通，进而使过电压全压加至非线性RV1灭磁电阻两端，从而使非线性RV1灭磁电阻被瞬时导通放电（当然，非线性RV1灭磁电阻U10mA设计值应小于对应一次过电压保护整定值），进而瞬时产生释放磁场过电压能量通路来快速有效抑制转子侧反向过电压和灭磁。

2.2 转子过电压保护模块检测总结改进方法分析探讨：

2.2.1以转子侧过电压保护模块RV1检测为例，参考传统检测方法中利用一次电压波形突变进行过电压保护模块一次过电压动作值检测的思路，再结合上述分析的转子过电压保护模块工作原理，我们设想改进的检测方法是（以RV1为例），先用低压测试电路检测出触发器TR1（TR2）实际二次过电压动作值UOP_（TR），然后按照分压比（R1+R_TR1）/R_TR1（或（R2+R_TR2）/R_TR2），即可计算出过电压保护装置的一次过电压动作值：U_{OP（一次）}=U_OP（TR）×（R1+R_TR1）/R_TR1（或（R2+R_TR2）/R_TR2）。

2.2.2根据以上分析，和传统试验方法相比，我们拟取消升压变，保留采用低压单相调压器、示波器，限流电阻作为试验仪器。拟采用的试验接线图如下：

图四.转子侧过电压保护模块RV1中TR1（或TR2）二次过电压动作值UOP_（TR）检测电路图

Qs---刀开关 FU---熔断器 T1---调压器 R1 ---限流电阻

总结改进测试方法说明：以图一中转子侧过电压保护模块RV1检测为例，短接熔断器F1和非线性电阻RV1，短接分压电阻R1和V7（或R2和V6），单相调压器施加到触发器TR1（或TR2）的端子1、2上的交流电压作为模拟发电机转子反相过电压（正向过电压保护由RV3和RV2模块承担，测试方法同RV1类似，这里不再赘述），由零开始，缓慢调节调压器输出电压，当施加的反向电压达到触发器TR1动作值后，触发器TR1动作触发可控硅V1，此时利用示波器观察到L02、L01两端光滑正弦交流电压波形刚好出现突变变化（出现第一个上拉突变波头）的情况：TR1（或TR2）触发器动作后，触发可控硅V1（或V2）瞬时导通，此时通过示（录）波器可观察到反向正弦半波电压瞬时会有比较明显的上拉波形，同时可控硅V1（或V2）由于小电流导通效应，会有一个较大的导通残压，但不影响我们正确判断过电压保护装置中的触发器TR1（或TR2）此时已正确动作触发可控硅V1（或V2）的导通情况，迅速记录此时触发器TR1（或TR2）的动作值，即可根据U

_{OP（一次）}=U_OP（TR）×（R1+R_TR1）/R_TR1（或（R2+R_TR2）/R_TR2）计算出该型转子过压保护装置实际一次过电压动作值U_{OP（一次）}。

按上述改进测试方法在某机组该型励磁转子过电压保护装置上进行实际检测。仍以图一中转子侧过电压保护模块RV1检测为例，实测R1 =4.5KΩ,R_TR1=95Ω，以下图五为转子侧过电压保护模块RV1中TR1（或TR2）二次过电压动作值UOP_（TR）检测波形图，图五中绿色光标处显示值：UAB=UOP_（TR）=-31.735V（负值表示反向过电压）。然后按照分压比R1/R_TR1（等于R2/R_TR2），计算出过电压保护装置的一次过电压（反向）动作值U_{OP（一次）}等于：

U_OP（TR）×（R1+R_TR1）/R_TR1=-31.735 V×（4500Ω+95Ω）/（95Ω）=-31.735V×48.368=-1534.97 V

对照该型励磁转子过电压保护装置转子侧过电压保护模块RV1出厂检测数据U_{OP（一次）}=-1600V，误差为：｜1534.97V-1600V｜/1600V=4.06%<5%，满足要求。通过对过电压保护模块RV中触发器TR二次过电压动作值UOP_（TR）在现场的实际检测，再通过对应电阻分压比计算出过电压保护装置的一次过电压动作值U_{OP（一次）}的改进测试方法，考虑到检测仪器和实际测量等误差因素，可以确认该改进测试方法所测量和计算出的结果和传统的一次过电压直接试验所得到的试验结果一致，能满足现场测试要求。

图五.转子侧过电压保护模块RV1中TR1（或TR2）二次过电压动作值UOP_（TR）检测波形图

2.2.3 非线性电阻的漏电流检测

按2.2.1~2.2.2项测试的触发器过电压动作值当然是二次过电压动作值，所以非线性电阻（比如RV1元件）的泄漏电流必须进行检验测量，这样把2.2.3 项和2.2.1~2.2.2项测试结果结合起来，才能确证整个过电压保护模块动作的正确性和可靠性。取下各非线性电阻单元熔断器，根据出厂试验记录中该单元各非线性电阻单元的压敏电压U10mA值（根据单元内并联数n， 测量注入电流n×10mA下的电压值作为该单元的U10mA），并取一平均值，用该单元各非线性电阻单元对应压敏电压U10mA值的50%(即0.5倍U10mA)，逐一加入每一单元，测量其泄漏电流。以下表一是某机组该型励磁转子过电压保护装置非线性电阻RV1各单体元件泄漏电流测试结果。

表一、泄漏电流试验：

3. 转子过电压保护装置检测总结改进方法和传统检测方法比较分析

3.1在以上叙述中，为测试转子过电压保护装置一次过电压动作值，传统试验方法是通过观察一次电压波形的变化和记录动作幅值的试验方法，需要利用升压变压器等专用高压设备，考虑到现场试验中专用高压设备搬运或现场缺少升压变压器专用高压设备及高电压试验带来相对较高的风险因素等情况，这给现场试验带来一定困难或诸多不便。

3.2改进测试方法是测试转子过电压保护装置二次过电压动作值，即通过对过电压保护模块RV中触发器TR二次过电压动作值UOP_（TR）在现场的实际检测，再通过对应电阻分压比计算出过电压保护装置的一次过电压动作值U_{OP（一次）}，该改进试验方法是通过观察二次电压波形的变化和记录动作幅值的试验方法，不需要升压变压器等专用高压设备，当然，为确证整个过电压保护模块动作正确性和可靠性，非线性电阻（如RV1元件）泄漏电流的检测在总结改进方法中是必要包含的测试项目。这给现场试验带来诸多方便，以上实践证明该改进方法简便且安全有效，这对现场修试工作和保证发电机组可靠运行有实际应用意义。

4. 结语

考虑到现代发电机转子过电压保护是防止发电机励磁系统产生过电压危害转子绕组及相关元件的重要保障手段。机组容量越大转子电压相对越高，过电压危害情况对机组影响也越大，这些过电压如不采取措施及时有效抑制就有可能造成发电机事故停机或更大的经济损失，这就反应出发电机转子过电压保护功能的重要性。在实际工程的应用实践中，需要总结优化一套安全可靠且操作简便的检测方法来对发电机转子过电压保护装置的元件参数和工作可靠性进行周期性的检测来保证发电机转子过电压保护装置的工作可靠性，进而提高发电机组的安全可靠运行性能。结合工程应用实践，本文在介绍某型燃机发电机转子过电压保护装置工作原理基础上，结合该型燃机转子过电压保护装置检测工作的现场实际，总结优化出该型燃机励磁系统转子过电压保护装置检测工作的改进方法，对同型转子过电压保护装置的现场检测工作有一定借鉴意义。

参考文献：

[1]竺士章.发电机励磁系统试验[M].北京:中国电力出版社,2005.

[2]高雄清.新型过压保护触发器在发电机励磁中的应用[J].四川水力发电,2013(10):119-120.

作者简介：

潘益民（1970-），男，江苏常州，本科，工程师,大型燃机电厂电气二次设备维护，近年主要从事燃气机组电气设备检修、改造调试、技术管理工作.

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