【正文】 。 ? a 同步發(fā)電機與電網并列非全相合閘時。 ? b 變壓器高壓側發(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，當一次側開關合閘時，由于變壓器的分布電容 C12將高壓 u1耦合到二次側。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，這樣在二次側將感應出很高的過電壓。 ? 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生過電壓。 ? d 晶閘管整流電路直流側開關斷開時，由于電流突變，將在交流回路的電感上產生過電壓。 ? 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(K6六只管子輪流導通。假定在 t1時刻前， K1和 K6導通；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管導通， K1管截止。但是由于 K1管在導通期間晶體內積存了大量的少數載流子（電子和空穴），不能立即恢復截止，這樣在短時間內 K1和 K2同時導通，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(K6六只管子輪流導通。假定在 t1時刻前， K1和 K6導通；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管導通， K1管截止。但是由于 K1管在導通期間晶體內積存了大量的少數載流子（電子和空穴），不能立即恢復截止，這樣在短時間內 K1和 K2同時導通，稱為重迭區(qū)。此時 a、b兩相間產生暫態(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，似乎換流可以結束了。但此時 K1內還積存有大量的少數載流子，不能恢復截止，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，積存的少數載流子迅速復合完畢，立即恢復截止，故 K1反向電流立即回零， K2的正向電流也產生一個“猛跌”回到 If K K2硅管電流波形圖 （據實驗觀察， t3～ t4僅幾個 181。s）。硅管電流 ik1和 ik2同時也是電感 Lb內的電流，由于t3～ t4此電流變化率極大，故在電感 Lb中感應出極高的換相過電壓 Δu 。據了解，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)電機異步運行時產生滑差過電壓 ? 同步發(fā)電機在運行中失磁，會使轉子在高于同步轉速下異步運轉，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。這時轉子勵磁繞組 LQ的導體與定子電流產生的旋轉磁場間有相對運動，導體切割磁力線產生感應過電壓，此過電壓是一個正弦波，其幅值為 KwWf ?2hm ??式中： f2—— 異步運行時轉子滑差感應電壓的電頻率，一般為幾到十幾個 Hz W—— LQ的串聯匝數 Φ —— 定子電流產生旋轉磁場的主磁通 kw—— LQ的繞組系數 由于 LQ的匝數較多，故 Ehm較大，據有關資料介紹，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《電機學》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，將分別產生各自的磁場。由矢量分析可知，零序電流產生的合成磁場為零。而正序及負序電流產生的合成磁場分別在空間作正向及反向的同步轉速旋轉，稱作正序及負序磁通。而轉子繞組 LQ是以正向同步轉速旋轉的，它與正序磁通相對靜止而與負序磁通以兩倍同步轉速相對運動。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，則在轉子繞組中會產生很高的感應過電壓，危及晶閘管勵磁系統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、直流側和元件保護三種方式。可供選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。實際應用的過電壓保護措施，應視具體情況而定，通常選擇其中幾項，以構成合理的保護。選用時應以簡單可靠、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。 ? 抑制交流側過電壓的措施（只考慮與勵磁系統有關的） ? 對晶閘管換相過電壓，由于其產生的頻率高達 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)電機上反復試驗，限壓性能良好。經過 100多臺發(fā)電機使用的結果證明，這種保護方式可將換相過電壓限制到陽極電壓峰值的 。 ? 根據以上關于換相過電壓產生的原因分析，可見其產生的“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，如下圖所示。 ? 如有多臺整流柜并聯運行，建議在總交流進線處集中設一組 GRC即可。因換相過電壓的產生只決定于并聯橋臂中最后截止的那只晶閘管，與并聯橋臂的多少無關。在晶閘管換相 t3(t4階段， LB次級繞組任意二相電流突變產生過電壓時，都可以經過二極管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和回路電感產生振蕩。 ? ： a 由于直流側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斷，必須停機復歸，或用“熄滅線”、“暫態(tài)逆變”等復雜的操作來復歸，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），方能在國內順利使用。上右圖是 GB02型 ZnO過電壓保護跨接器，現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)導通， RV立即接入轉子回路導通吸能限壓；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，跨接器復歸關斷。反向過電壓由二極管 D導通限壓，同樣自動恢復截止。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（據有關資料顯示，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（異步運行時轉子繞組等值圖）所示。圖中 Eh為滑差感應電勢，有效值 Eh = ， Rf是 LQ的內電阻， 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。即異步運行時的轉子勵磁繞組 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，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。由于許多原始數據不確切，故要精確計算 W的數值有一定困難。但由經驗估計的大致數值范圍告訴我們，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備不健全的情況下，也可能出現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，均出現過上述情況。由電網通過定子側向轉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子不開路，避免產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)電機由于其轉子整鍛鐵心中可產生強烈的渦流阻尼作用，削弱了旋轉磁場的感應電勢，故其滑差過電壓及不對稱過電壓幅值不高，根據經驗該幅值 Uhm＜（ ～ 4） UfN（額定勵磁電壓），對轉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。相應的中國電力行業(yè)標準 DL/T 6501998中， “（汽輪）發(fā)電機轉子過電壓保護 …… 動作電壓值應高于 …… 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，兩者有本質的區(qū)別。 ? 總之，汽發(fā)機轉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阻容保護。但是這