陈秋林，马大海，刘德翼，胡 涛，王 勇

（华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司，西藏 山南 856400）

1 序言

西藏位于青藏高原西南部，平均海拔在4 000 m以上，被称为“世界屋脊”。西藏水能资源蕴藏量十分丰富。位于西藏境内的雅鲁藏布江是中国最长的高原河流（流域平均海拔约4 000 m），是世界上海拔最高的大河之一，水能资源蕴藏量达1.13亿kW。

目前正在开发的雅鲁藏布江中游河段海拔在4 500～3 000 m之间，已建成的藏木水电站海拔3 300 m，正在建设的加查水电站、大古水电站海拔都在3 000 m以上。随着海拔高度增加，大气压力下降，空气密度和湿度相应地减少，对电气设备影响最大的是设备绝缘能力下降。为了保证高原水电站安全运行，对于电站电气设备，特别是涉网的高电压设备，需要提高绝缘等级才能满足运行要求。

励磁系统是水轮发电机最重要控制设备，它的可控硅整流回路产生的换相尖峰过电压幅值大，其峰值电压幅值远大于励磁回路的绝缘能力，直接关系到励磁及发电机转子回路的绝缘安全。如何解决该过电压问题，保证励磁系统在高原环境下安全运行，本文做了重点介绍。

2 励磁系统概述

发电机励磁系统由励磁变压器、自动调节器、可控整流装置、起励装置、灭磁及过电压保护装置，以及交流侧过电压吸收装置等组成，原理接线如图1所示。

图1 可控硅整流励磁系统原理图

这种励磁系统制造简单，布置方便，工作可靠，维护便利，当电力系统出现故障时响应速度快。近年来我国大中型水轮发电机组基本上都采用这种励磁系统。

励磁系统采用可控硅全控制整流方式，可控硅在开通和关断瞬间会产生过电压，特别在可控硅换相期间，由于有励磁变漏感，以及励磁变至整流柜电缆电感等原因，会产生较高换相尖峰过电压。尖峰过电压数值能达到数千伏，频率为6倍交流电源频率。大型发电机励磁电压高、励磁电流大，产生换相尖峰过电压幅值更高，叠加在励磁变副边电压上，数值会达到几千甚至上万伏，如果不采取有效保护方式，对励磁回路、发电机转子回路的绝缘会造成极大损坏，极端情况下，会击穿可控硅和发电机转子绕组的绝缘。

3 可控硅整流电路产生过电压原因

将整流电路简化，考虑励磁变漏感、励磁变至整流柜电缆电感，发电机转子绕组等效为电阻和电感串联，如图2所示。

图2 可控硅整流回路原理图

图中Ea、Eb、Ec分别是励磁变三相输出电压，La、Lb、Lc是励磁变漏感和电缆电感之和。为了分析方便，将图1中的VT1～VT6共6只可控硅分别用+A、+B、+C、-A、-B、-C 代替。x、r是发电机转子绕组电感和电阻。根据电力电子整流电路原理，整流桥工作过程为（+A-B）→（+A-C）→（+B-C）→（+B-A）→（+C-A）→（+C-B），一个周期内全控桥整流可控硅有6次换相。

下面，以线电势Eba为例，分析（+A-C）→（+B-C）换相过程。

（1）（+A-C）：当 +A-C 相工作时，+A-C 相两只可控硅导通，其它可控硅处在截止状态，电流Id流向如图3(A)所示：+A→x→r→-C。

图3 可控硅换相过程示意图一

（2）（+A-C）→（+B-C）换相过程。换相开始前瞬间，ia=If，ib=i=0，由于发电机转子绕组是大电感性负载，根据电感电流不能突变原理，直流侧电流If在换相过程中基本保持不变。ib逐渐上升ia逐渐减少，这个过程中出现了+A、+B、-C 3只可控硅导通的情况。电流If的流向如图3(B)所示的（+A、+B）→x→r→-C。

换相过程中，出现了+A和+B共同导通的情况，Ea、Eb经+A、+B可控硅出现了短时的短路时刻，Ea、Eb之间出现了换相短路电流i，换相短路电路流向如图3(C)所示。

随着换相过程继续进行，ia=If-i逐渐减少，最终ia=0，+A相可控硅完全关断，+A相换相至+B相。整流可控硅由（+A-C）换相至（+B-C）。而ib=i逐渐上升，最终达到ib=If，+A、+B可控硅换相完成，如图4（B）所示。

图4 可控硅换相过程示意图二

在换相结束前+A相可控硅关断瞬间，由于可控硅元件内部载流子电荷效应，+A相可控硅反向阻断能力不能立刻恢复，因此有很大的反向电流流过。当+A相可控硅恢复阻断能力时，反向电流迅速减小，di/dt绝对值可达100 A/μs，这样大的电流突变，会在被关断回路电感La和Lb上产生很高的感应尖峰电压，即换相尖峰过电压。可控硅关断瞬间等效电路如图5（A）所示。

图5 可控硅关断及整流输出电压示意图

图5（A）等效电路中，+A相可控硅电流突然关断的瞬间，由于回路存在电感，在电感La、Lb上产生反电势ELa和ELb，电势极性正好与阳极电势Eab极性相同，即换相尖峰电压正向叠加在阳极电势Eab上形成很高的尖峰过电压。

（3）（+B-C）换相结束后，如图 4(B)所示，电流流向为+B→x→r→-C。

三相可控硅全控整流桥输出电压表达式Uf=1.35U2cosα，式中：

U2——励磁变副边电压；

Uf——可控硅整流输出电压；

α——可控硅控制角，整流输出电压时可控硅控制角范围 0～90°。图 5（B）是控制角 60°时发电机转子电压波形。

图中Δu是上文中分析的换相尖峰电压Uf叠加在整流输出波形上。一个周期内有6次换相尖峰电压叠加。

4 过电压保护及吸收方式

大型发电机励磁系统可控硅整流回路装设的保护和吸收回路有两种，一种是交流侧加装三相RC吸收装置如图6（A）所示。

图6 可控硅整流过电压吸收回路示意图

图6（A）由3只高压电容和3只大功率电阻组成Y型或△型并联在可控硅整流桥交流侧。优点是回路简单，缺点是：①电容、电阻的参数不好配合。由于电容是交流的，电容容量受到限制，单只高压电容容量一般为1～3.3 μF，需要采取多只电容并联才能达到设计的容量。②与电容串联的电阻发热严重，需要功率比较大，对器件安装位置有极大的要求，要想达到设计的理想换相过电压吸收效果，需要专门设置一个柜体用于安装RC过电压吸收装置。③由于励磁变漏感和电缆电感，如果电容参数没有选择好，容易造成串联谐振过电压。

另一种是交直流侧加装反向阻断式RC吸收装置,如图6（B）所示，由交流侧压敏电阻、可控硅整流桥硅元件吸收RC回路、反向阻断式RC吸收网络等3部分组成。

（1）交流侧压敏电阻RVa～c主要用于限制和吸收整流桥交流侧的尖峰过电压。

（2）可控硅整流桥硅元件两端并联RC吸收回路，保护可控硅元件在开通和关断瞬间不会被过电压击穿。

（3）反向阻断式RC吸收网络由图中二极管D1～D6组成整流桥，电阻R1电容C1组成换相尖峰电压充电、放电回路，电阻R2、R3电容C2、C3组成整流桥桥臂辅助放电回路。与前者相比，有以下优点：

1）同等吸收效果情况下，只需要交流侧电容C容量的1/3。C1为直流回路电容，为了达到理想的换相尖峰电压吸收效果，电容容量可选择30 μF甚至更大。

2）放电电阻只有一个，R1消耗功率为前者的1/3，更利于柜体内安装布置。

3）避免了交流侧电容放电导致可控硅换相的di/dt增大。

4）避免了电容和交流回路产生谐振。

反向阻断式RC吸收装置任何一相交流回路因换相引起的尖峰过电压均可经过二极管整流桥D1～D6对电容C1进行充电，使得过电压尖峰得到抑制和吸收，换向后电容上的电荷能量经电阻R1释放。一个周期内完成充电、放电过程，下一次换相尖峰过电压到来后继续吸收和能量释放。只要R1、C1的参数选择合适，完全可以达到理想的吸收换相尖峰过电压效果。

可控硅每次换相所产生尖峰过电压能量为W=0.5LI2。式中：

L——励磁变漏感和电缆电感；

I——换相前的线路电流。

U2e——励磁变额定电压；

I2——励磁变额定电流=1.15×0.816I=0.938 4I（1.15为励磁变容量选取15%余量，0.816为三相全桥的整流系数，I为励磁变副边额定电流）；

Uk——励磁变阻抗电压；

f——电源频率（取50 Hz）。

C——C1的电容值；

U1——换相尖峰电压；

U——吸收尖峰能量后的电压，即为励磁变副边额定电压经二极管整流桥D1～D6整流后的电压。

设U2e为励磁变副边额定电压，C1电容吸收后U2e峰值为K1倍，电容C1通过电阻R1放电后U1幅值为K2倍，则上式变换为：

综合前面公式变换为下式：

则换相尖峰电压吸收电容C1的计算式为:

t——放电时间，在50 Hz系统中为3.3 ms；

τ——C1、R1放电回路的时间常数，τ=RC。

电阻R1计算式R=τ/C式中τ取电容C1的放电时间。

5 典型工程应用

四川阿坝州某水电站海拔2 500 m，属于高海拔地区。水电站机组相关参数：额定功率50 MW，额定电压13.8 kV，额定负载时励磁电压/电流：464 V/606 A，额定空载时励磁电压300 V。励磁变容量1 000 kVA，电压变比13.8 kV/0.75 kV，短路阻抗Uk=6.3%。根据前面推导的公式计算如下：

（1）励磁变漏感

（2）励磁变至整流柜电缆等效电感L2

交流电缆为ZR-YJV-3×120 mm2铜芯电缆，长度50 m，每相3根并联。

根据电力电缆电感计算公式，电缆电感由自感、导线电感和金属护套电感组成。每相电缆电感为

（3）交流回路等效总电感L=L1+2L2=212.9×10-6（H）

（4）可控硅换相尖峰电压

可控硅型号5STP12F4200，额定电压4 200 V，额定同态平均电流1 150 A，di/dt＜100 A/μs，开通时间tρ≈ 5～20 μs。

额定空载时励磁电流300 A折算到每只可控硅通过的电流为110.1 A，额定负载时励磁电流660 A折算到每只可控硅通过的电流为222.4 A（折算系数为 0.367）。

计算发电机在空载状态和额定负载状态，可控硅开通时间为5 μs、10 μs和20 μs时电流变化率di/dt见表 1。

表1 单位：A/μs

根据换相尖峰电压计算式△U=Ldi/dt，选择可控硅开通时间20 μs分别计算。发电机在空载时发电机额定负载时

励磁变副边电压U2e=750 V，峰值电压可控硅在额定负载时换相尖峰电压2 367.4 V，如果可控硅在60°时换相，换相尖峰电压此时正好叠加在励磁变副边电压的波峰上为3 427.9 V。

（5）电压吸收电容C1

设计时，希望换相尖峰电压能完全被电容C1吸收，取吸收后的电压倍数K2为基准值（K2=1），尖峰电压K1=2 367.4/1 060.5=2.23。则

式中I2=660 A×1.15×0.816=568.7 A，为额定励磁电流折算到可控硅交流侧，考虑15%的裕量。

由于电容规格问题，选取电容C1为30 μF/2 800 V。

（6）放电电阻R1

选取电阻R1为600 Ω，功率选择2 kW。

（7）可控硅整流桥桥臂RC回路及辅助放电回路电阻R2、R3电容C2、C3

辅助桥臂放电回路R2、C2、R3、C3可以将部分的尖峰电压通过转子及过压保护回路吸收，保护可控硅功率器件，其作用与并联在桥臂上的RC回路相同，其参数也与其相似。根据经验计算公式取R=R2=R3=10 Ω/100 W，电容C=C2=C3=1.5 μF/2 000 V（此处不再展开计算）。

（8）交流侧压敏电阻RVa～c

交流侧压敏电阻RVa～c用于限制和吸收整流桥交流侧过电压，其过电压值动作阈值按躲过发电机1.3倍过电压时励磁变副边电压峰值选取，其动作值为

该电站投运时发电机带额定负载，励磁电流660 A，励磁电压474 V，励磁变压器副边电压750 V，现场试验做了录波，见图7。

图7

图7（A）是可控硅整流桥交流侧电压，图中可控硅换相时，除了在交流侧产生电压缺口外（换相时两只可控硅造成两相瞬时短路），换相尖峰电压Ldi/dt完全被C1电容吸收了，没有叠加在交流侧电压上。

图7（B）是阻断式吸收回路C1两端的电压波形。二极管整流桥D1～D6整流后电压峰值电压△u=81.6 V。前面计算的发电机额定负载时可控硅换相尖峰电压2 367.4 V，被完全吸收的有2 285.8 V。

该电站3台机组于2009年7月份相继投运，截止至2020年励磁系统已连续11年一直安全稳定运行，没有出现过一次事故。说明在高海拔地区，励磁变副边电压过高情况下，反向阻断式RC吸收装置完全可以吸收可控硅换相尖峰过电压。

6 总结

随着西部大开发建设力度的增加，未来在西藏高海拔地区建设和投产的电站会越来越多，高海拔地区造成电气设备绝缘能力下降。采取的措施一方面是提高设备绝缘能力，按高一级绝缘能力选型，但是提高了设备的造价。另一方面是对设备的过电压采用技术手段加以吸收，完全可以保证设备安全稳定运行。

本文介绍的大型发电机励磁系统反向阻断式RC吸收回路，通过科学合理地选择器件参数，完全可以吸收可控硅回路换相时产生的尖峰过电压，使励磁系统、发电机转子回路的绝缘不受损坏，保证励磁系统在高海拔地区安全稳定运行，提高了设备可靠性。