励磁变压器的过电压保护(最终稿)

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1、励磁变压器的过电压保护李自淳夏维珞符仲恩（科大创新公司科聚分公司，安徽合肥230088）[摘要]本文分析了励磁变压器绝缘击穿的原因，探讨了过电压保护的方法，介绍阻容吸收器和三相限压器互补组合的一种有效过电压保护措施。[关键词]变压器；过电压；保护1前言随着同步发电机自并励静止整流励磁方式的不断推广，励磁变压器的用量逐渐增多。随之励磁变绝缘击穿的事故也有所上升，特别是进口励磁变，由于其设计裕量较小，而且大都是三相同体，更容易发生击穿。励磁变压器的运行工况与普通变压器有何不同？为什么它的绝缘容易击穿？用什么方法可以有效地保护它不被过电压击穿？

2、这些就是本文所要探讨的问题。2励磁变压器运行中过电压的来源2.1可控硅整流桥产生的换相过电压励磁变压器的运行工况与普通变压器有一个很大的不同，就是在运行中其次级连续地、频繁地发生瞬间短路和开路，造成其输出电流频繁地高低起伏，产生极大的di/dt，由于绕组具有一定漏电感，所以在绕组内感应出连续、频繁的过电压。图1为葛洲坝二江电厂7#水发机（125MW）励磁并联变二次a、b两相间线电压uab录波图。从图中可看出，在正常的正弦波电压上叠加了一连串的过电压尖峰，特别是在tc和tf时刻，正反向过电压峰值达到了正弦波峰值的2.3倍以上（最大值超出图框

3、不可知）。如此高的过电压，重复频率为100Hz，连续不断地作用在励磁变的绕组上，必将使绝缘疲劳老化，最后导致击穿。要探讨这过电压的来源，就得从励磁变的负载——可控硅整流桥和发电机励磁绕组来分析。可控硅三相全控整流桥励磁的原理如图2所示，其整流输出的直流电压uf波形如图3所示（电源频率50Hz）。图2中励磁变压器LB次级相电势分别为ua、ub、uc，LB的漏感以及线路电感折合到次级绕组用集中电感Lb表示。正常运行时K1～K6六只管子轮流导通。假定在t1时刻前，K1和K6导通；在t1时刻K2管子收到触发脉冲，此时6图2可控硅全控桥整流原理图图

4、3励磁电压波形图图1葛洲坝二江电厂7#机励磁变二次线电压uab录波图(未装GRC)Y轴：电压—500V/格X轴：时间—2ms/格交流阳极电压（相电压）ub＞ua，故K2管承受正向电压，K1管承受反向电压，换流趋势是K2管导通，K1管截止。但是由于K1管在导通期间晶体内积存了大量的少数载流子（电子和空穴），不能立即恢复截止，这样在短时间内K1和K2同时导通。此时a、b两相间产生瞬时的短路，uab≈0，短路电流id增长速度did/dt=（ub-ua）/2Lb。短路期间整流输出电压的瞬时值uf=(uac+ubc)/2，为a、b两相对c相线电压的

5、平均值（考虑励磁变LB次级a、b两相的短路阻抗压降相同）。K1、K2两硅管电流的波形见图4。t1时刻前K1管电流iK1等于励磁电流If，K2管电流iK2为零；t1时刻K2管触发导通，其电流iK2上升，同时iK1下降，开始换流过程。由于发电机励磁绕组LQ大电感的影响，励磁电流If可视作恒值。根据柯希霍夫节点定律，iK1+iK2=If=恒值。换流的快慢即iK1及iK2的变化率（同时也是短路电流id的增长率）diK/dt=(ub-ua)/2Lb。到t2时刻iK1降到零，iK2=If，似乎换流可以结束了。但此时K1内还积存有大量的少数载流子，不能

6、恢复截止，故短路电流id继续增长，iK1变为负值，ik2＞If6。到t3时刻K1反向电流达到最大值，积存的少数载流子迅速复合完毕，立即恢复截止，故K1反向电流立即回零，K2的正向电流也产生一个“猛跌”回到If（据实验观察，t3~t4仅几个µs）。硅管电流ik1和ik2同时也是电感Lb内的电流，由于t3~t4此电流变化率极大，故在电感Lb中感应出极高的换相过电压Du=-Lb。据了解，如不采取适当措施，Du可达到整流变二次电压正弦波峰值的1~3倍。可以看出t1～t4就是LB二次输出短路的过程，也即图1中tc0～tc的过程，称为“重叠区”。图1

7、中，tc0～tc及tf0～tf为ab相的输出短路，uab降到几乎为零；ta及td前为ac相的输出短路，tb及te前为bc相的输出短路，此时uab也均下降，但不为零，过电压也不太高（此时换相过电压发生在ac相或bc相之间），详细可参阅“电力电子技术”的有关书籍[1]。2.2其它过电压除了上述励磁整流变压器特有的换相过电压外，其它普通变压器可能出现的过电压，如开关投切的操作过电压、从高压电网窜入的大气过电压、高压出线短路、接地等的故障过电压等等，也都能作用到励磁变压器上。图4K1、K2硅管电流波形图图5GRC保护原理图3励磁变压器的过电压保护

8、3.1概述目前国际公认的最先进的过电压保护器件是氧化锌压敏电阻（或称非线性电阻ZnO）组成的无间隙避雷器。但在励磁变的过电压保护上存在以下实际问题：3.1.1电力部行业标准DL/T583-19