可控硅励磁装置故障现象分析及处理措施

可控硅励磁装置故障现象分析及处理措施

叶鉴明

叶鉴明

惠州市龙门县天堂山水库管理局广东龙门516800

摘要:可控硅励磁是近年来水电站较为常用的发电机励磁方式，但故障发生率比较高，直接影响生产效益，正确分析故障并科学处理是关键。本文结合实际应用实例，就可控硅励磁装置故障现象，进行了技术分析，并给出了相应的处理措施，对于排除水电站可控硅励磁故障具有很好的参考价值。

关键词:励磁装置；故障；谐波；处理效果

SCRexcitationdevicefaultphenomenaanalysisandtreatmentmeasures

YeJianMing

Huizhoulongmencountyheavenmountainreservoiradministrationofguangdonglongmen516800

Pickto:SCRexcitationhydropowerstationismorecommoninrecentyearsisthegeneratorexcitationmode,butthefailurerateishigher,directlyaffecttheproductionefficiency,thecorrectanalysisofthefaultandscientificprocessingisthekey.Combinedwithpracticalexamples,andSCRexcitationdevicefaultphenomena,thetechnicalanalysis,andgivesthecorrespondingtreatmentmeasures,toeliminatehydropowerstationSCRexcitationfaultshasgoodreferencevalue.

Keywords:excitationdevice;Thefault;Harmonic;Thetreatmenteffect

可控硅励磁装置是一个可自动调节的励磁系统，它把电力系统信号经过一定的变换后，作为调节器的输入信号，并与给定信号相比较，产生相应的脉冲信号去控制功率单元的输出，达到自动调节系统无功功率的目的。它是水轮发电机组和汽轮发电机组的重要组成部分,其可靠性能的好坏,直接影响机组的并网发电。目前，大部分小型水轮发电机均采用可控硅励磁系统，但往往因为励磁故障使发电机不能发电。特别是在汛期，有水不能发电，给电站造成一定的经济损失。下面结合应用实例，对发生的故障进行简要的分析与处理。

1基本情况

1.1设备基本情况

某水电站可控硅励磁装置。以1套空压机系统为例,其中同步电动机供电额定电压是6kV、额定功率是550kW的；其转子电阻为0.1378,包括联接导线和滑环电阻时转子电阻为0.1618；额定励磁电压为50V,电流238A。配套的可控硅励磁装置是KGLF11-300/75型三相桥式全控整流固接励磁电路,双可控硅灭磁,直流输出电压75V,电流300A,整流变压器为Δ/Y-11接法。

1.2故障情况

可控硅励磁装置中可控硅元件温度过热,多次发生可控硅元件、控制及触发电路损坏现象。同步电动机向电网输送无功(即功率因数超前)运行时,同步电动机也严重发热,迫使同步电动机长期在欠励磁情况下运行。

2故障原因分析

2.1对电器设备传统认识上的误区

可控硅变流和控制技术在电气领域中算比较复杂的技术,由于上世纪80年代初在我国使用的时间还较短,在实际应用中有一些问题研究的还不够深入；在使用电气设备时受到传统方法宁大勿小的影响(如1台电气设备,实际电压、电流为220V,10A,而选用的开关、接触器等控制设备一般都选用500V,10A或20A以上的),往往在可控硅励磁装置的输出电压和电流选择时,采用比实际需要增大一个级差的做法。但这样做不仅不能增加设备的可靠性,还会适得其反,引起许多不良后果。

2.2可控硅励磁装置的整流变压器二次电压过高

有些工厂中使用的可控硅励磁装置的标称直流输出电压往往比同步电动机的额定励磁电压高出一至两个级差。如改造的这台同步电动机,供给额定励磁电流238A时,只需直流电压45.21V,选用KGLF11-300/75型,即75V直流输出电压的励磁装置,等于超出应选可控硅励磁装置三个级差。另一个问题是设计制造单位为系列励磁装置配用的整流变压器的二次电压相对于标称输出直流电压普遍过高。如KGLF11-300/75型可控硅励磁装置,二次侧输出交流电压90V,有的甚至达到110V。

2.3可控硅励磁装置的可控硅在大控制角α(即小导通角β)状态下运行的危害分析

(1)使整流可控硅过热或过热损坏

可控硅元件也和其他电气设备一样,决定其允许通过电流大小的主要因素是温度。可控硅管芯(3个PN结)的温度叫结温。结温的高低由发热和冷却两方面的条件所决定。额定结温即可控硅在正常工作条件下所允许的最大PN结温度。

(2)使整流变压器严重发热,甚至烧坏

由于谐波分量大,导致输入励磁装置的一次电流增大,无功功率很大、功率因数很低。使整流变压器初级绕组因过流而过热,因谐波而使铁芯发热、噪声增大。

(3)使可控硅励磁装置功率因数严重偏低

可控硅励磁装置功率因数严重偏低,从广义功率因数的概念来解释,是由谐波造成的。

(4)使可控硅励磁装置中灭磁电阻发烫

因为在可控硅小导通角时,可控硅励磁装置整流桥输出的直流电压中含有较多的谐波分量,这些谐波电流分量的负半波流经灭磁整流管GZ和灭磁电阻Rfd1、Rfd2,导致灭磁电阻发烫。

(5)使同步电动机易失步,不能向电网输送无功功率

运行中,为了减少可控硅励磁装置频繁故障,而使可控硅励磁装置长期处于欠激励运行状态,同步电动机不能向电网输送无功功率；其过载能力也显著下降,容易在电网短路时导致其带励失步,产生很大的失步冲击电流,反而会损坏可控硅,同时对电动机也会造成暗伤或损坏。

(6)抗干扰能力降低

因可控硅已工作在很小的导通角β下,触发环节受某种小的干扰就可使触发脉冲丢失,造成同步电动机失去励磁。

3判断整流变压器二次电压过高的方法

如果运行中的可控硅励磁装置故障较多,应认真检查整流变压器二次电压是否过高,一般按下列办法和步骤进行。

3.1观察标牌

检查可控硅励磁装置标称输出电压与同步电动机转子要求的励磁电压是否匹配正确。

3.2观察直流输出电压波形

通过示波器观察可控硅励磁装置直流输出电压波形,若电机正常运行时电压波形不连续,似脉冲电压或观察到控制角大于60°时。

3.3从运行状况和事故现象判断

(1)可控硅元件、整流变压器经常过热或烧坏,但运行时直流输出电压、电流并未超出规定值。

(2)灭磁可控硅和二极管均好,灭磁电压也按规定调整正确,灭磁电阻在电机正常运行时却发热或发烫。

通过以上各种方法一般正确判断可控硅励磁装置整流变压器变压比是否合理、二次电压是否过高。

4正确确定整流变压器二次电压的方法

整流变压器是根据负载(即同步电动机)所要求的直流平均电压Uα和Id以及整流主电路的型式进行设计的。在负载平均电压Ud和主电路形式一定的条件下,可控硅交流侧的电源相电压有效值U2(U2L=U2)只能在一个较小的范围内变化,因为电压U2选择过高,则可控硅装置运行时的控制角α过大,造成上述不利影响和损害。但若电压U2选择过低,则有可能在可控硅控制角α=0°时仍不能达到负载要求的电压额定值,因而就不能达到负载要求的功率,在同步电动机上更无法实现强行励磁防止其失步、稳定运行的功能。

以三相全控桥式整流电路励磁装置为例,介绍计算整流变压器二次线电压的几种方法。

4.1U2L的精确计算方法

整流变压器二次额定线电压U2L的较精确表达式为:

(2)

式中:

UD—同步电动机额定励磁电压；

RD—同步电动机转子电阻对于额定励磁电流和电压的标么值；

RP—同步电动机转子回路所有其它(包括异线碳刷及接触),电阻对于额定励磁电流和电压的标么值；

Idmax/Id—同步电动机转子允许的过载倍数,即最大过载电流与额定励磁电流平均值之比,其数值由同步电动机运行要求决定。若需要强励时可取强励的倍数1.4～1.6；若不考虑强励比值取1；

nUT—整流主电路中励磁电流经过几个串联可控硅的正向压降,即2UT；

A—控制角α=0°时整流电压平均值与整流变压器二次电压平均值的比值,即A=Ud0/U2L；对于三相全控桥式整流电路A=1.35；

B—控制角某一α角时整流电压平均值与控制角α=0°时整流电压平均值的比值,即B=Udα/Ud0,在此要求α小于60°,所以β=cosα。

C—取0.5；

ε—电网电压波动系数数,通常取ε=0.9,在供电质量较差、电压波动更大的情况下,应视具体条件,取更小的ε值。

Uk%—整流变压器的短路比,100kVA以下的整流变压器取Uk%=5,100kVA～1000kVA的整流变压器取Uk%=5～10。

以这次的改造可控硅励磁装置为例:

4.2U2L的简化计算方法

(3)

或(4)

系数(1-1.2)或(1.2-1.5)是考虑各种因素的安全系数；若考虑强励,系数可取大一点；B可取cos30°至cos60°。

4.3去消强励时U2L的计算方法

对于小容量的低压同步电动机可以按去消励磁装置的强励功能。因为低压供电网络不如高压供电网络可靠,而且低压保护选择性差,经常造成越级跳闸等事故,短时强励不能起显著作用；若生产及工艺等要求连续性不是太高时,可以去消励磁装置因电压降低而采取的1.4～1.6倍额定励磁的强励功能,这种情况U2L可按下式计算:

(5)

4.4改造整流变压器

对于已经投入运行的可控硅励磁装置,若整流变压器二次电压偏高,可采取措施:一是根据整流变压器产品设计资料和二次电压的计算值,通过计算确定整流变压器次线圈应拆匝数；二是采用边一圈一圈拆除次级线圈,边测量二次电压办法,最终使整流变压器二次电压等于计算值的数值。

对于小容量励磁装置或谐波允许的情况下,如果整流变压器二次电压需要降低约倍时,可将整流变压器的接线方式由Δ/Y改为Y/Y。

5处理效果

5.1各项技术数据显著改善

见表1和图1。

表1改造前后整流变压器一次谐波实测数据

图1改造后整流电压波形

5.2改造效果

可控硅励磁装置故障率显著降低,运行可靠稳定；并恢复了同步电动机向电网输送无功功率、调节电网功率因数的能力。1995年改造至今再没有发生任何类似故障。

6结束语

可控硅励磁装置是水电站重要的设备,其性能直接关系到机组的安全稳定运行,尽管目前可控硅励磁产品和技术都很成熟,但对于出现的故障问题，还要根据现场情况具体分析并加以解决，这样才能进一步提高其可靠性。上述故障问题的分析与处理经验，对其他电站也有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]韩云勇.可控硅励磁装置故障分析及处理[J].小水电.1994年04期

[2]李祥锋;孙向红.可控硅励磁装置的完善[J].电网与清洁能源.2006年第S1期