發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率分析范文

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《西北水電雜志》2015年第二期

1影響并列運(yùn)行可控硅整流橋電流不均衡的因素

1.1均流回路分析勵(lì)磁功率柜主回路接線圖（以兩個(gè)功率柜并列運(yùn)行為例）如圖1所示。對于功率柜1和功率柜2，假設(shè)R1a、R2a分別為其交流側(cè)進(jìn)線電阻，R1d、R2d為直流側(cè)出線電阻，Rt1、Rt2為可控硅通態(tài)電阻，L1a、L2a為交流側(cè)進(jìn)線電感，L1d、L2d為直流側(cè)出線電感，Vt1、Vt2為可控硅通態(tài)壓降，i1、i2為通過整流橋電流。的因素包括交流側(cè)進(jìn)線影響、直流側(cè)出線影響、可控硅換相過程的影響和可控硅元件本身的影響。

1.2交流側(cè)進(jìn)線的影響由式（1）可知，交流側(cè)進(jìn)線的影響主要集中在進(jìn)線電阻和進(jìn)線電感上。當(dāng)可控硅通態(tài)電阻Rt1、Rt2大于整流橋交流進(jìn)線側(cè)電阻R1a、R2a和直流出線側(cè)電阻R1d、R2d時(shí)，交流進(jìn)線側(cè)電阻和直流出線側(cè)電阻對均流的影響并不明顯，但是在實(shí)際中這種情形很少出現(xiàn)，尤其當(dāng)整流橋選擇的可控硅通態(tài)電流比較大時(shí)，其通態(tài)電阻更小。當(dāng)交流側(cè)采用電纜而非銅排連接時(shí)，由于電纜的電阻率比銅排大許多，使兩者的比值Rt1/（R1a+R1d）減小，此時(shí)交流側(cè)電纜進(jìn)線的長度對于均流的影響將比較明顯。為了減少這種影響，應(yīng)盡量使用等長電纜連接。

1.3直流側(cè)出線的影響由于直接和轉(zhuǎn)子負(fù)載相連，很大的負(fù)載電感減弱了直流側(cè)出線對均流的影響，為此在處理均流問題時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮交流側(cè)阻抗匹配問題。

1,4換相過程的影響在圖1所示的勵(lì)磁功率柜中，當(dāng)整流器工作在非換相區(qū)時(shí)，共陰極和共陽極各有一只可控硅導(dǎo)通，如T15和T16導(dǎo)通，其等效電路如圖2所示[3]。從式（6）中可以看到，在換相過程中，交流側(cè)換相電感直接影響電流在功率柜之間的分配。尤其當(dāng)電感較大時(shí)，換相過程對電流的分配產(chǎn)生決定性的影響。因此，對于交流側(cè)采用電纜連接時(shí)，應(yīng)盡量做到進(jìn)線完全對稱。圖4是展示了一種理想化的并聯(lián)可控硅的連接方式。

1.5可控硅元件的影響

1.5.1導(dǎo)通壓降可控硅元件的導(dǎo)通壓降由兩部分組成，其中之一為PN結(jié)壓降，即勢壘壓降,另一部分為歐姆壓降，即可控硅基片與外殼各部分的接觸電阻造成的壓降。對于勢壘壓降，可以用等效電壓源代替；而對于接觸電阻，則直接用電阻表示[5]。假設(shè)只有兩只可控硅并聯(lián)，并聯(lián)電壓為V2，其接線如圖5所示。此時(shí)，由于兩只可控硅元件的正向伏安特性不同，兩條支路流過不同的電流。其中，SCR1的電流為I2，SCR2的電流為I1。其伏安特性曲線如圖6所示。即在相同的管壓降下，元件的導(dǎo)通電流與其導(dǎo)通電阻成反比。為了保證其均流效果，應(yīng)盡量選擇通態(tài)特性相同或相近的元件用在同一個(gè)并聯(lián)支路。最好是在元器件采購時(shí)就向供應(yīng)商提出要求：在額定電流下元件導(dǎo)通壓降的偏差范圍。若要求的均流系數(shù)越高，則偏差應(yīng)越小。

1.5.2導(dǎo)元件節(jié)溫由于可控硅元件的導(dǎo)通特性與溫度相關(guān)，在不同的溫度下，導(dǎo)通特性會(huì)發(fā)生稍許偏移。具體的關(guān)聯(lián)曲線見圖7。所以，對于均流系數(shù)，我們只應(yīng)針對某一運(yùn)行點(diǎn)或者某一具體溫度來進(jìn)行要求。由圖7可知，在電流較大時(shí)（虛線和實(shí)線的交點(diǎn)以上），可控硅的導(dǎo)通特性與可控硅的節(jié)溫正相關(guān)，但在電流較小時(shí)（虛線和實(shí)線的交點(diǎn)以下），可控硅具有負(fù)溫特性，節(jié)溫越高，導(dǎo)通壓降越小。對于并聯(lián)功率柜，當(dāng)某一功率柜輸出電流較大時(shí)，在相同散熱條件的情況下，電流輸出大的可控硅裝置的發(fā)熱量增加，可控硅平均通態(tài)壓降會(huì)增大，所以該功率柜的輸出電流會(huì)相對減小，原來輸出小的功率柜輸出會(huì)相對增加，最終各裝置輸出電流達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，均流系數(shù)會(huì)上升。相反，在導(dǎo)通電流較小時(shí)，這種負(fù)溫特性則會(huì)惡化并聯(lián)可控硅之間的均流效果。為了保證均流效果，應(yīng)盡量保證同一個(gè)并聯(lián)支路上的可控硅具有相近的節(jié)溫。如盡量將元件安裝在同一散熱器上。

1.5.3開通延時(shí)時(shí)間開通延時(shí)時(shí)間也會(huì)對并聯(lián)支路的可控硅均流產(chǎn)生影響。如圖5所示的并聯(lián)支路，若SCR1的開通時(shí)間比SCR2的開通時(shí)間提早t，則引起的瞬態(tài)不均的電流。其中：di/dt是SCR1開通時(shí)的電流上升率。具體請參見圖8。可控硅從觸發(fā)到完全導(dǎo)通必須滿足門檻電壓V（TO），V（TO）值較大的可控硅就會(huì)滯后于較小的可控硅導(dǎo)通。為保證并聯(lián)運(yùn)行的可控硅能夠同時(shí)導(dǎo)通，在檢測可控硅的實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)開通延時(shí)時(shí)間配對。此外，可控硅觸發(fā)脈沖回路也是影響電流分配的重要因素，在硬件回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：①必須滿足可控硅觸發(fā)時(shí)刻同步；②保證觸發(fā)脈沖前沿陡峭，采用大電流觸發(fā)。實(shí)踐表明對于同一型號(hào)的可控硅，大電流觸發(fā)能夠得到較高的電流上升率，有效減少開通延時(shí)時(shí)間的影響。具體的方法是逐漸增大可控硅的門極觸發(fā)電流，直到觸發(fā)回路對開通延時(shí)時(shí)間的影響達(dá)到最小；③可控硅觸發(fā)脈沖回路的可靠性對勵(lì)磁功率柜均流至關(guān)重要，而從調(diào)節(jié)器發(fā)出的脈沖最易受到電磁干擾，所以脈沖回路應(yīng)使用屏蔽電纜，防止可控硅動(dòng)誤觸發(fā)[9]。

2官地電站勵(lì)磁功率柜均流處理

2.1電站概況官地水電站位于四川省涼山州西昌市和鹽源縣交界處，是繼錦屏二級(jí)水電站之后，錦屏一級(jí)水電站的又一補(bǔ)償電站。電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量600MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2400MW，年平均發(fā)電量117.76億kWh。根據(jù)地理位置和國家電網(wǎng)的輸電規(guī)劃，官地水電站和錦屏一、二級(jí)水電站作為一組電源，供電川渝及華東。官地電站勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜選用德國西門子公司原裝進(jìn)口產(chǎn)品，單柜容量為2360A，其核心元件為EUPEC公司T1971N型晶閘管。整流橋并聯(lián)支路數(shù)為4，均流方式為物理均流，直流側(cè)采用銅排連接，交流側(cè)除了交流開關(guān)柜送至各功率柜的等長電纜外，還在各功率柜之間增設(shè)了并聯(lián)電纜，其交直流側(cè)連接布置方式見圖9。

2.2故障情況及處理建議官地電站#1機(jī)組于2012年3月31日投產(chǎn)發(fā)電。投運(yùn)初期，機(jī)組帶負(fù)荷較小，勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行正常。隨著負(fù)荷的增加，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)部分功率柜電纜發(fā)熱嚴(yán)重。后用紅外線譜圖儀測量，發(fā)現(xiàn)#1功率柜交流側(cè)C相一根電纜外表皮溫度達(dá)到89.6℃，用鉗形電流表測量該電纜電流為640A，電流過大導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。測量其它電纜電流后發(fā)現(xiàn)功率柜交流側(cè)電流不均衡。為消除安全運(yùn)行隱患，于2012年7月9日進(jìn)行了勵(lì)磁陽極側(cè)電纜更換，將現(xiàn)有YJV-3kV-1*185電纜更換為YJV-3kV-1*240電纜，并在電纜更換過程中嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，確保交流開關(guān)柜到功率柜的交流側(cè)電纜長度匹配，功率柜間的匯流電纜長度匹配，電纜銅接頭與功率柜交流側(cè)銅排接觸良好，無扭曲、變形現(xiàn)象并測量電纜的阻值。交流開關(guān)柜至各功率柜的具體的測量值見表1。重新開機(jī)并運(yùn)行24小時(shí)候后，在勵(lì)磁電流為2650A時(shí)，測得功率柜交流側(cè)進(jìn)線電纜最高溫度39.4℃，最大電流310A。比較處理前，在勵(lì)磁電流為2140A時(shí)，功率柜交流側(cè)進(jìn)線電纜最高溫度89.6℃，最大電流為625A，均流情況有較大的改善。檢測數(shù)據(jù)如表2所示。官地電站功率柜T1971N型晶閘管通態(tài)電阻Rt=300uΩ，略小于交流側(cè)進(jìn)線電阻Ra，交流側(cè)電纜進(jìn)線電阻對于均流的影響比較明顯。電纜阻值不等、銅接頭與功率柜交流側(cè)銅排接觸不均可能是造成功率柜均流較差的原因之一。結(jié)合官地電站和其他電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有如下建議：①盡最大努力保障功率柜交流側(cè)進(jìn)線電纜等長，如有必要，可以適當(dāng)延長電纜長度。②取消功率柜之間增設(shè)的并聯(lián)電纜。增設(shè)并聯(lián)電纜主要是為了保證在一橋故障時(shí)電纜能夠承受強(qiáng)勵(lì)電流。根據(jù)電纜更換后功率柜交流側(cè)電流測量情況計(jì)算，YJV-3kV-1*240完全能夠滿足強(qiáng)勵(lì)要求。增設(shè)柜間并聯(lián)電纜反而增加了功率柜交流側(cè)進(jìn)線電阻和電感匹配難度，對均流產(chǎn)生負(fù)面影響。③在交流進(jìn)線側(cè)電纜上加套磁環(huán)，調(diào)節(jié)各并聯(lián)回路補(bǔ)償電感量的大小。

3功率柜的均流試驗(yàn)

均流系數(shù)均流系數(shù)是均流試驗(yàn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，是指并聯(lián)運(yùn)行各支路電流的平均值與最大值之比[1]。具體的計(jì)算公式為。其中，IK為均流系數(shù)，iI為第i條并聯(lián)支路電流，Imax為并聯(lián)支路中的電流最大值，共有m條并聯(lián)支路。國標(biāo)中規(guī)定，勵(lì)磁功率柜均流系數(shù)不得低于0.85。通過式（11）能夠反映功率柜各并聯(lián)支路中最大值與平均值的偏差，但是如果出現(xiàn)最大值很大、最小值又很小的極端情況，如表2中提到的B相電流，大值可以達(dá)到648A，小值只有463A，式（11）不能夠真實(shí)的反映出最大值和最小值之間的偏差。而通過式（12）則可以很好的反映這一點(diǎn)。

作者：李輝范進(jìn)喜劉凱單位：雅礱江流域水電開發(fā)有限公司