【正文】 。 ? a 同步發(fā)電機與電網(wǎng)并列非全相合閘時。 ? b 變壓器高壓側(cè)發(fā)生兩相或三相短路時。 ? c 非同期狀態(tài)下運行。 ? 操作過電壓： ? 產(chǎn)生操作過電壓有下列幾種情況： ? a 由高壓電源供電的勵磁變壓器，當一次側(cè)開關(guān)合閘時，由于變壓器的分布電容 C12將高壓 u1耦合到二次側(cè)。此過電壓值將隨變壓器的變比增加而增大。 ? b 在勵磁變壓器空載時，如果電源電壓過零時突然斷開電源，則會產(chǎn)生嚴重的瞬變過電壓。這是因為此時空載電流達到最大值，而電感性負載電流不能突變，但回路要求 ? 電流為零，這樣在二次側(cè)將感應(yīng)出很高的過電壓。 ? c 勵磁變壓器一次繞組的漏抗與二次繞組的分布電容（包括抑制電容）所形成的振蕩電路在勵磁變壓器合閘（相當于突然加上一個階躍電壓）時，將引起瞬變過程而產(chǎn)生過電壓。 ? d 晶閘管整流電路直流側(cè)開關(guān)斷開時，由于電流突變，將在交流回路的電感上產(chǎn)生過電壓。 ? 運行過電壓： ? a 晶閘管整流橋換相過電壓： ? 晶閘管三相全控整流橋的原理圖如下上圖所示，其整流輸出的直流電壓 Uf波形如下下圖所示（電源頻率 50Hz）。下左圖中勵磁變壓器 LB次級相電勢分別 為 ua ub uc ， LB 的漏感以及線路電感折合到次級繞組用集中電感 Lb表示。正常運行時 K1(K6六只管子輪流導(dǎo)通。假定在 t1時刻前， K1和 K6導(dǎo)通；在 t1時刻 K2管子收到觸發(fā)脈沖，此時交流陽極電壓（相電壓） ubua，故 K2管承受正向電壓， K1管承受反向電壓，換流趨勢是 K2管導(dǎo)通， K1管截止。但是由于 K1管在導(dǎo)通期間晶體內(nèi)積存了大量的少數(shù)載流子（電子和空穴），不能立即恢復(fù)截止，這樣在短時間內(nèi) K1和 K2同時導(dǎo)通，稱為重迭區(qū)。此時 a、 的漏感以及線路電感折合到次級繞組用集中電感 Lb表示。正常運行時 K1(K6六只管子輪流導(dǎo)通。假定在 t1時刻前， K1和 K6導(dǎo)通；在 t1時刻 K2管子收到觸發(fā)脈沖，此時交流陽極電壓（相電壓） ubua，故 K2管承受正向電壓， K1管承受反向電壓，換流趨勢是 K2管導(dǎo)通， K1管截止。但是由于 K1管在導(dǎo)通期間晶體內(nèi)積存了大量的少數(shù)載流子（電子和空穴），不能立即恢復(fù)截止，這樣在短時間內(nèi) K1和 K2同時導(dǎo)通，稱為重迭區(qū)。此時 a、b兩相間產(chǎn)生暫態(tài)的短路，短路電流 id 增長速度受 (ubua)電壓差及回路電感 Lb的控制，did/dt =（ ubua） /2Lb。短路期間整流輸出電壓的暫態(tài)值 uf = (uac+ubc) / 2，為 a、b兩相對 c相線電壓的平均值（考慮勵磁變 LB次級 a、 b兩相的短路阻抗壓降相同）。 KK2兩硅管電流的波形見下圖“ K K2硅管電流波形圖”。 t1時刻前 K1管電流 iK1等于勵磁電流 If， K2管電流 iK2為零； t1時刻 K2管觸發(fā)導(dǎo)通，其電流 iK2上升，同時 iK1下降，開始換流過程。由于發(fā)電機勵磁繞組 LQ大電感的影響，勵磁電流 If可視作恒值。根據(jù)柯?；舴蚬?jié)點定律， iK1 + iK2 = If = 恒值。換流的快慢即 iK1及 iK2的變化率（同時也是短路電流 id的增長率）決定于 (ubua) 的電壓差及回路電感 Lb的影響， diK/dt = (ubua)/2Lb。到 t2時刻 iK1降到零， iK2=If，似乎換流可以結(jié)束了。但此時 K1內(nèi)還積存有大量的少數(shù)載流子，不能恢復(fù)截止，故短路電流 id繼續(xù)增長， iK1變?yōu)樨撝担?ik2 If。到 t3時刻 K1反向電流達到最大值，積存的少數(shù)載流子迅速復(fù)合完畢，立即恢復(fù)截止，故 K1反向電流立即回零， K2的正向電流也產(chǎn)生一個“猛跌”回到 If K K2硅管電流波形圖 （據(jù)實驗觀察， t3～ t4僅幾個 181。s）。硅管電流 ik1和 ik2同時也是電感 Lb內(nèi)的電流，由于t3～ t4此電流變化率極大，故在電感 Lb中感應(yīng)出極高的換相過電壓 Δu 。據(jù)了解，如不采取適當措施， Δu 可達到陽極電壓峰值的 2～ 4倍。 ? b 發(fā)電機異步運行時產(chǎn)生滑差過電壓 ? 同步發(fā)電機在運行中失磁，會使轉(zhuǎn)子在高于同步轉(zhuǎn)速下異步運轉(zhuǎn)，靠阻尼繞組的作用變成異步發(fā)電機。在有功負荷突然變化時，功率角發(fā)生突然變化或發(fā)生失步振蕩的過程中，也有暫時的異步運行。這時轉(zhuǎn)子勵磁繞組 LQ的導(dǎo)體與定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場間有相對運動，導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，此過電壓是一個正弦波，其幅值為 KwWf ?2hm ??式中： f2—— 異步運行時轉(zhuǎn)子滑差感應(yīng)電壓的電頻率，一般為幾到十幾個 Hz W—— LQ的串聯(lián)匝數(shù) Φ —— 定子電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的主磁通 kw—— LQ的繞組系數(shù) 由于 LQ的匝數(shù)較多，故 Ehm較大，據(jù)有關(guān)資料介紹，水輪發(fā)電機可達幾萬伏。 c 定子三相負載不對稱（或非全相）運行時產(chǎn)生不對稱過電壓 發(fā)電機定子三相負載不對稱或一相斷路（非全相）運行時，定子三相電流不對稱。根據(jù)《電機學(xué)》中“對稱分量法”的分析，一組不對稱的三相電流，可以分解成三組對稱的三相電流，分別為“正序分量”、“負序分量”及“零序分量”。這三組對稱的電流流過發(fā)電機定子三相在空間相隔 120о 電角度的繞組，將分別產(chǎn)生各自的磁場。由矢量分析可知，零序電流產(chǎn)生的合成磁場為零。而正序及負序電流產(chǎn)生的合成磁場分別在空間作正向及反向的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，稱作正序及負序磁通。而轉(zhuǎn)子繞組 LQ是以正向同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，它與正序磁通相對靜止而與負序磁通以兩倍同步轉(zhuǎn)速相對運動。該過電壓的 ? 幅值可用上式計算，不過式中的 f2 =100Hz， Φ 為定子不對稱電流產(chǎn)生的負序磁通。 ? d 發(fā)電機運行中如發(fā)生突然短路、失步、非全相或非同期合閘等故障，則在轉(zhuǎn)子繞組中會產(chǎn)生很高的感應(yīng)過電壓，危及晶閘管勵磁系統(tǒng)整流電路的安全運行。 ? 抑制過電壓的措施： ? 抑制過電壓的保護分為交流側(cè)、直流側(cè)和元件保護三種方式?？晒┻x用的過電壓保護措施有九種，它們是：避雷器、接地電容、抑制電容、阻容保護、整流式阻容保護、硒堆保護、壓敏電阻、元件阻容保護和晶閘管跨接器。實際應(yīng)用的過電壓保護措施，應(yīng)視具體情況而定，通常選擇其中幾項，以構(gòu)成合理的保護。選用時應(yīng)以簡單可靠、吸收暫態(tài)能量大、抑制過電壓的能力強，而且使用壽命長、功耗低等為原則。 ? 抑制交流側(cè)過電壓的措施（只考慮與勵磁系統(tǒng)有關(guān)的） ? 對晶閘管換相過電壓，由于其產(chǎn)生的頻率高達 300Hz，又是長期連續(xù)的，用 ZnO壓敏電阻來吸收效果不好。因為 ZnO要求長期的荷電率限制在 ，即意味著不能頻繁而連續(xù)地導(dǎo)通吸能，否則容易老化，漏電流上升，壽命縮短，所以一般不采用。目前采用整流阻斷式阻容吸收過壓保護器，專門用于吸收晶閘管的換相過電壓，在四川寶珠寺 200MW水輪發(fā)電機上反復(fù)試驗，限壓性能良好。經(jīng)過 100多臺發(fā)電機使用的結(jié)果證明，這種保護方式可將換相過電壓限制到陽極電壓峰值的 。 ? 根據(jù)以上關(guān)于換相過電壓產(chǎn)生的原因分析，可見其產(chǎn)生的“源頭”在勵磁變的漏感及線路電感，所以“從頭攔截”比較好，我們把整流阻斷式阻容吸收過壓保護器（簡稱GRC）放在整流橋的交流側(cè)，如下圖所示。 ? 如有多臺整流柜并聯(lián)運行，建議在總交流進線處集中設(shè)一組 GRC即可。因換相過電壓的產(chǎn)生只決定于并聯(lián)橋臂中最后截止的那只晶閘管，與并聯(lián)橋臂的多少無關(guān)。在晶閘管換相 t3(t4階段， LB次級繞組任意二相電流突變產(chǎn)生過電壓時，都可以經(jīng)過二極管D1(D6對電容 C充電，從而得到緩沖，降低了 di/dt，限制了過電壓。 t4時刻后， C上的電荷向電阻 R釋放，等待下一個周期再次吸收。 ? 二極管 D1 ～ D6的作用一是可使三相共用一組 R、 C，節(jié)省體積大、價格高的高壓電容；二是防止 C上的電荷向勵磁回路釋放，避免在晶閘管換相重迭瞬間二相短路時 C突然放電產(chǎn)生極大的 di/dt，損壞晶閘管；三是可以避免電容 C和回路電感產(chǎn)生振蕩。 ? ： a 由于直流側(cè)過電壓均不是長期連續(xù)而只是偶然發(fā)生的，非常適合用 ZnO壓敏電阻來保護。主要是 ZnO有優(yōu)良的非線性伏安特性（見下左圖），一方面在大電流沖擊下殘壓不高，保護特性好；二是在過電壓消失后， ZnO的續(xù)流迅速大幅度下降到 mA級，可使過電壓保護跨接器中的晶閘管管自行關(guān)斷。而進口的跨接器用 SiC作吸能元件，其漏電流大，過電壓保護動作后不能自行關(guān)斷，必須停機復(fù)歸，或用“熄滅線”、“暫態(tài)逆變”等復(fù)雜的操作來復(fù)歸，可靠性降低。故很多進口的 SiC跨接器均改成 ZnO跨接器（如葛洲壩、龍羊峽等電站），方能在國內(nèi)順利使用。上右圖是 GB02型 ZnO過電壓保護跨接器，現(xiàn)已普遍推廣使用到千余臺發(fā)電機，其工作原理如下： ? 正常運行時 KP不通，正向勵磁電壓被 KP阻隔，反向雖然有二極管 D導(dǎo)通，但勵磁電壓反向峰值很低，所以 ZnO電阻 RV承受電壓不高，荷電率很低，可保證其長期工作壽命，不易老化。正向過電壓襲來時，通過分壓電阻 R1使觸發(fā)器 CF動作，輸出觸發(fā)脈沖使 KP 三種電阻的伏安特性曲線圖 GB02型 ZnO過電壓保護器 圖中： 1 線性電阻 ? 觸發(fā)導(dǎo)通， RV立即接入轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)通吸能限壓；過電壓消失后， RV的續(xù)流即下降到 mA級，小于 KP的維持電流， KP自行截止，跨接器復(fù)歸關(guān)斷。反向過電壓由二極管 D導(dǎo)通限壓，同樣自動恢復(fù)截止。正向過壓保護動作電壓值可以通過改變 R1的阻值來整定，調(diào)整方便。如勵磁電壓峰值不高（如采用直流勵磁機或交流勵磁機不可控整流勵磁），ZnO直接跨接的荷電率＜ ，可用 GB01直跨型過電壓保護器（見下左圖），比較簡單可靠。 b 當發(fā)生滑差過電壓時，感應(yīng)電勢幅值 Ehm如前式所示，由于 Φ 及 w均較大，故其值相當可觀（據(jù)有關(guān)資料顯示，水輪發(fā)電機可達幾萬伏）。如 LQ外電路開路（晶閘管整流橋反向不通，也相當開路），則 LQ的端電壓就等于 Ehm，勢必擊穿絕緣或晶閘管。如在 LQ兩端跨接 ZnO電阻，則其電壓被限制。這時勵磁繞組的等值電路圖如右下圖（異步運行時轉(zhuǎn)子繞組等值圖）所示。圖中 Eh為滑差感應(yīng)電勢，有效值 Eh = ， Rf是 LQ的內(nèi)電阻， Lf?是 LQ的漏電感， Rv是外接的 ZnO壓敏電阻的等效靜態(tài)電阻值 (隨電流大小而變，電流大時阻值小 )。則回路電流有效值 Ih 近似為恒值，與滑差頻率無關(guān)。即異步運行時的轉(zhuǎn)子勵磁繞組 LQ可近似視作一個恒流源（如 f2＜ 5，由于 Eh及 Xf?均減小，電阻相對變大不可忽略，故 Ih減小，更趨安全。一般發(fā)電機的滅磁能容量均遠大于滑差過電壓的能量。目前使用的發(fā)電機轉(zhuǎn)子快速滅磁兼過電壓保護裝置中，滅磁及過電壓保護所用的吸能限壓 ZnO元件是公用的，所以只要滅磁能容量滿足了，則過電壓保護自然能滿足，不必作過份仔細的計算。 ? c 不對稱過電壓能量的理論計算方法與上述相似，由于 Ih的值基本與滑差頻率無關(guān)，不對稱運行的負序磁通 Φ 比異步運行時的正序磁通?。ㄗ顕乐氐娜毕噙\行時為 1/3），故不對稱過電壓的電流小于滑差過電壓，而不對稱工況的持續(xù)時間亦決定于繼電保護的動作時間。由于許多原始數(shù)據(jù)不確切，故要精確計算 W的數(shù)值有一定困難。但由經(jīng)驗估計的大致數(shù)值范圍告訴我們，該過電壓保護的吸能容量小于滑差過電壓，同樣不會超過滅磁裝置的吸能容量。如果過電壓保護的吸能限壓 ZnO元件是與滅磁兼用的，則只要滅磁能容量滿足了，過電壓能量也自然滿足。 ? d 以上兩節(jié)的分析均是在發(fā)電機繼電保護正常動作的情況下，用較短的時間切除異步運行及非全相工況。但是在人員誤操作或設(shè)備不健全的情況下，也可能出現(xiàn)超長時間的異步運行或非全相工況，如巖灘、古田溪、富水等水電站，均出現(xiàn)過上述情況。由電網(wǎng)通過定子側(cè)向轉(zhuǎn)子回路過電壓保護元件源源不斷地輸入能量，最后 ZnO的吸能超過了極限，將過熱燒毀。但由于其限壓作用，保住了發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組不受損害，屬“丟卒保帥”。但一般在 ZnO的吸能裝置中是用串、并聯(lián)方式將 n片 ZnO組成 m個支路，每個支 GB01直跨型過電壓保護器圖 異步運行時轉(zhuǎn)子繞組等值圖 路都串有特殊的熔斷器，因為 ZnO片電氣損壞時呈短路狀態(tài)，故而用特殊的熔斷器將故障支路退出。所以在異步運行及非全相保護中，有一條 ZnO片支路是不允許串聯(lián)特殊的熔斷器（且該支路的殘壓比滅磁、過壓保護的其它 ZnO片支路的殘壓高），以保證發(fā)電機在異步運行及非全相運行中轉(zhuǎn)子不開路，避免產(chǎn)生更高的過電壓危及發(fā)電機。 ? e 上述 b、 c、 d節(jié)的分析均是對水輪發(fā)電機而言。汽輪發(fā)電機由于其轉(zhuǎn)子整鍛鐵心中可產(chǎn)生強烈的渦流阻尼作用，削弱了旋轉(zhuǎn)磁場的感應(yīng)電勢，故其滑差過電壓及不對稱過電壓幅值不高，根據(jù)經(jīng)驗該幅值 Uhm＜（ ～ 4） UfN（額定勵磁電壓），對轉(zhuǎn)子絕緣及勵磁回路元件不致造成危害，故汽輪發(fā)電機允許較長時間（可達 15分鐘）的異步運行而不跳閘。相應(yīng)的中國電力行業(yè)標準 DL/T 6501998中， “（汽輪）發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護 …… 動作電壓值應(yīng)高于 …… 異步運行時的過電壓值”，這里是采取“躲”的方式，而水輪發(fā)電機不允許異步運行，采用“限”和“切”的方式，兩者有本質(zhì)的區(qū)別。 ? 總之，汽發(fā)機轉(zhuǎn)子過電壓保護只要其動作電壓值定得足夠高（大于 ~4倍 UfN），就能躲過異步滑差和不對稱過電壓，不必考慮這二項的吸能容量。 ? ： ? 為了防止晶閘管元件關(guān)斷過程引起的過電壓（包括換相過電壓）可在每只元件的兩端分別并聯(lián)阻容保護。但是這