摘要：本文介绍自并励励磁系统的重要作用，以及自并励励磁系统组成，重点介绍了自并励励磁系统常见过电压类型和各种过电压原因分析及抑制措施，并分享了在实际工作中如何正确分析和处理励磁系统过电压的一些经验。
关键词：励磁过电压；换向过电压；非线性伏安特性；自感
一、励磁系统的作用：
励磁系统对发电机以及电力系统都有着非常重要的作用，是发电机重要的组成部分，因此励磁系统的安全稳定运行直接影响到发电机和电力系统的安全运行。励磁系统的作用主要表现在以下几个方面：
1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；
2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；
3）提高发电机并列运行的静态稳定性；
4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；
5）当发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；
6）当发电机外部出现故障时，能可靠进行强励，以提高带延时过电 流保护动作的可靠性。
7）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。
二、自并励励磁系统的组成
励磁系统可分为他励交流励磁机系统和自并励励磁系统，他励交流励磁机系统又可分为：1）三机他励励磁系统：2）两机他励励磁系统；3）两机一变励磁系统；4）无刷励磁系统。
自并励磁系统主要由励磁变、同步变压器、整流功率柜、PID控制器、灭磁柜、PT（电压互感器)、CT（电流互感器)等部分组成，由于近年来计算机技术的发展和应用，PID控制器正逐渐被微机控制单元取代，微机控制器相比传统的PID控制器有着更好的人机交互性；调试和实验简单方便；内部参数设置更加便捷；再加上强大的联网功能，使得远方监视和控制成为可能，这些都是传统的PID控制器无法比拟的，自并励磁系统结构原理图如图1所示：
图1
三、自并励磁系统过电压的危害
自并励磁系统由于自身的优越性，越来越多的被采用，陕西安康水力发电厂联营电站也同样使用了自并励磁系统，通过原理图（图1)可以看到，自并励磁系统相比与其它励磁方式结构相对简单，励磁系统故障类型多，主要类型有电源故障、微机故障、脉冲故障、PT故障、CT故障等等，这里对这些故障类型就不再赘述了，下面我重点分享下自并励磁系统过电压这一故障的危害。
励磁系统过电压故障的危害在整个励磁系统中属于危害比较严重的一种。当励磁系统过电压出现后，轻则造成一些元器件损坏（现在励磁系统中都有比较完善的过压保护措施，元器件损坏在实际运行中发生的几率还是很小的，这个会在后面介绍），重则可能引起机组事故停机造成电网损失。
四、自并励励磁系统过电压的分类
自并励励磁系统过电压，我们按过电压位置可分成：(1)交流侧励磁系统过电压；(2)直流侧励磁系统过电压种类型；按形成原因可分为:（1）操作过电压；（2）运行过电压。
（1）交流侧励磁系统过电压，主要由以下几方面原因引起：
1)经由主变压器或发电机端传输到励磁系统的大气过电压。
2)励磁变压器分断引起的过电压。
3)换相过电压。
（2）直流侧励磁系统过电压，直流侧励磁系统过电压主要有以下几方面原因：
1)发电机在失步和失步后拉入同步的过程中引起的转子绕组过电压。
2)发电机外部短路切除后的电压恢复过程引起的转子过电压。
3)发电机快速灭磁过程中断开转子回路时产生的的过电压。
4)从定子线圈耦合过来的大气过电压和操作过电压。
5)发电机非同期并列引起的转子绕组过电压。
（3）运行过电压，运行过电压主要有以下几方面原因：
1)晶闸管整流桥换相过电压。
2)发电机异步运行时产生滑差过电压。
3)定子三相负载不对称（或非全相）运行时产生不对称过电压。
4)发电机运行中如发生突然短路、失步、非全相或非同期合闸等故障，则在转子绕组中会产生很高的感应过电压，危及晶闸管励磁系统整流电路的安全运行。
五、自并励励磁系统中各类过电压原因：
1、交流侧励磁系统过电压：
1）经由主变压器或发电机端传输到励磁系统的大气过电压。
经由主变压器或发电机端传输到励磁系统的大气过电压，大气过电压也叫雷电过电压，它分为直击雷过电压、感应雷过电压和雷电侵入波三种。直接雷击过电压 是指雷云直接对电器设备或电力线路放电，雷电流流过这些设备时，在雷电流流通路径的阻抗（包括接地电阻）上产生冲击电压，引起过电压；感应雷过电压 是指在电气设备（例如架空电力线路）的附近不远处发生闪电，虽然雷电没有直接击中线路，但在导线上会感应出大量的和雷云极性相反的束缚电荷，形成雷电过电压；雷电侵入波过电压 因直接雷击或感应雷击在输电线路导线中形成迅速流动的电荷称它为雷电进行波。雷电进行波对其前进道路上的电气设备构成威胁，因此也称为雷电侵入波。通过这几种过电压的特点我们不难看出，直击雷过电压和雷电侵入波过电压对电气设备危害最为严重，具有过压幅值高、电流大、破坏性强的特点，感应雷过电压相对危害较轻。大气过电压通常是直接击穿变压器绝缘或通过感应在变压器二次侧过电压，当线路或主变压器遭遇这种过电压时，就会在励磁变的高低压侧形成过电压，发电机的定转子回路中也会出现过电压。这种过电压的特点是过压幅值高、系统冲击大、破坏性强。运行人员可根据天气情况、系统冲击、保护动作情况以及设备损坏情况来做出判断，这种原因引起的励磁回路过电压是比较容易判断的。
2）励磁变分断引起的过电压：
励磁变分断引起的过电压，励磁变分断通常是因为励磁变低压侧断路器误跳闸或误操作引起，也可能是励磁变保护跳闸引起。这种由励磁变分断引起的过电压原因主要是：励磁变分断后电流会迅速变小，再加上分断回路中有电感存在，电感中存有剩余能量，这样就促成了电感产生自感，其大小为U=-L（di/dt），通过公式我们可以知道产生过电压大小与电流的变化率成正比，与电感的大小也成正比。
3）换相过电压
三相全控桥式整流电路是一种可将三相交流整流成直流的可控电路，它能根据负载的需要调节触发角来改变输出的电压值。工作过程分为六个阶段，顺序为VT1 、VT6 导通，输出电压Uab；VT1、VT2导通，输出电压Uac；VT2、VT3导通，输出电压Ubc；VT3、VT4导通，输出电压Uba；VT4、VT5导通，输出电压Uca；VT5、VT6导通，输出电压Ucb，这样就完成了一个同期导通触发，输出的电压波形如图3所示。
通过上面导通过程及波形我们可以看出，当输出电压是Uab时刻，VT2、VT3、VT4、VT5均承受反向电压是截止的，同理当VT1、VT2导通，VT3、VT4、VT5、VT6是截止的。所以通俗的讲我们把这种整流回路中由导通变截止或由截止变导通的过程叫换相。
换相过电压通常发生在由导通变截止这一过程中，通过一些试验和相关资料表明这种过电压最大能达到几千伏甚至上万伏电压，对整流晶闸管的危害是非常大的，这种过电压产生的原因又是什么呢？一是：励磁变压器存在漏抗，换相过程中产生过电压，二是： 由于可控硅元件在换相结束前可控硅关断瞬间，由于可控硅元件体内载流子的积蓄效应，被关断可控硅元件的反向阻断能力不能立刻恢复，因而有很大的反向电流流过，当可控硅元件恢复阻断能力时，反向电流迅速减小， di/dt绝对值很大，可达1000A/us，这样大的电流突变，会在被关断回路电感上产生很高的感应电压，这样就产生了换相过电压。
（图3）
六、 励磁系统过电压的保护措施
1）经由主变压器或发电机端传输到励磁系统的大气过电压。
前面我们分析了这种过电压形成的原因及危害，这部分内容将要介绍怎样抑制这种过电压。大气过电压通常发生在线路、母线、或主变压器这些室外设备上，电压也是由这些设备直接传递或通过感应传入到励磁系统的，因此要防止这种过电压最重要的是从源头预防。
随着现在电力设备安全性和可靠性的提高，防雷电的技术也有了很大发展，线路上使有的避雷线、室外开关站安装的避雷针都随处可见，在母线上安装的避雷器都起着重要作用，近些年普遍应用的稳控装置也为系统保驾护航。
2）励磁变分断引起的过电压
励磁变分断引起的过电压，这种过电压形式在现实中是很少出现的一种情况，从自并励励磁系统图（1）中，我们可以看出励磁变通常是与发电机出口母线直接相连的，励磁变低压侧也很少安装开关（断路器）的，这样的系统结构大大提高的励磁系统工作的可靠性，也防止了由励磁变分断引起的过电压。但对于安装有开关（断路器）励磁变压器，防止由于分断引起的过电压措施有这几点：（1）提高励磁变保护的可靠性，防止保护误动作。（2）提高工作人员的安全意识，防止工作人员误操作。（3）发电机出口开关处（励磁变高压侧)安装的阻容式吸收器也对过电压有抑制作用。
3）换相过电压
换相过电压形成的原因及过程前面已经介绍过了，它也属于自感过电压类型，通常解决这类问题的思想方法有两种：第一就是延长电流突变时间使di/dt尽可能小。第二就是给它从新建立一个辅助电路，使自感电流形成回路，通过这个辅助回路消耗掉剩余能量。
三相全控桥式整流电路中，晶闸管导通和截止时间都是非常短的，如果延长晶闸管截止关断时间，有可能造成别的晶闸管导通失败，所以用方法一来解决换相过电压是行不通的。目前广泛采用的是第二种方法，我们把它称为整流式阻容吸收回路。
4）直流侧过电压的保护措施
这部分内容着重介绍一下直流侧过电压的保护方法，引起直流测过电压因素多，前面也分析过了。直流侧过电压的抑制方法主要的采用非线性电阻来限制。为了更好的理解这种限压方法，下面我们先了解一下非线性电阻及非线性电阻的伏安特性。
非线性电阻是指电阻在某些条件下，阻值会发生急剧的变化，导电时不遵从欧姆定律。流过非线性电阻的电流不与加在其两端电压成正比。
当加在非线性电阻两端的电压低于一定值时，非线性电阻表现出很大的电阻，流过它的电流是非常小的，可以认为是开路；但当电压升高到一定值时，流过非线性电阻的电流会急剧增大，这时表现出短路。正是利用了它这种特性，正常工作时，电路没有过电压，将非线性电阻并联于回路中，这时它呈现出很大的电阻（相当于开路)不会影响电路的正常工作，但当回路中出现过电压后，非线性电阻在过电压的作用下就会很快导通，呈现出短路特性，限制了电压继续升高，保护了回路的安全。
从目前国内励磁系统直流侧限制过电压措施可以看出，有以下两个特点：
a)采用线性电阻与非线性电阻配合灭磁方式。
b)由被动灭磁向主动灭磁方向发展。
例如我站采用的NES6100励磁系统就具有这种特点，当励磁电流较小时，它采用线性电阻灭磁，而当励磁电流较大时，则采用非线性电阻灭磁。以往的灭磁方式中，直流侧电压升高后，利用非线性电阻伏安特性，来限制电压进一步增高，现在则采用灭磁开关跳闸与灭磁回路开关合闸联动的方式，这种方式的优点是：它可以将过电压限制在一个更低水平上，灭磁的速度也更快一些。
目前励磁系统直流侧在限制过压措施方面还存在一些问题，如发电机事故后，这时灭磁速度越快，就会减少设备的损坏程度，但另一个问题也伴随产生，这就是自感过电压。前面也提到过自感过电压，它的大小为U=-L（di/dt），如果灭磁速度快，就意味着（di/dt）会较大，这样会产生一个很高的自感过电压，进而影响灭磁，因此要在灭磁速度和限制过压上要找一个平衡点，才可以更好的起到限制过电压作用。
自并励励磁系统过电压是一个综合复杂的问题，引起的原因也很多，表现的形式也可能不一样。在遇到这类问题时，要根据发电机的运行工况以及电网系统的运行情况，充分考虑到其他一些外部因素，只有经过细致全面的分析和排除，才能找出真正的原因，方便问题的解决。
参考文献：
[1].何希才等编《现代电力电子技术》 北京 国防工业出版社
[2].黄俊等编《电力电子变流技术》北京 机械工业出版社
[3].王志良主编《电力电子新器件及其应用技术》北京 国防出版社
[4].林涓励主编《电力电子技术基础》北京 机械工业出版社
论文作者:闫华
论文发表刊物:《电力设备》2016年第17期
论文发表时间:2016/11/7
标签：过电压论文; 励磁论文; 系统论文; 发电机论文; 电压论文; 电阻论文; 回路论文; 《电力设备》2016年第17期论文;