励磁大功率柜阻容参数设计新方法
万和勇 陈小明
（葛洲坝水力发电厂 湖北宜昌 443002）
摘 要 针对某些励磁大功率柜阻容保护存在的缺陷，本文分析其原因，提出了一种设计励磁大功率柜阻容参数的新方法，按照此方法设计的阻容保护运行情况很好。 关 键 词 晶闸管 关断过电压 阻容保护 励磁装置
0. 引言
在发电机励磁系统可控硅整流装置运行过程中，晶闸管从导通到阻断会产生关断过电压，其尖峰易导致晶闸管的反向击穿。为了抑制晶闸管关断过电压，常常在晶闸管两端并接阻容保护:电阻和电容串联后并联于可控硅两端。在阻容保护电路中，电容吸收尖峰过电压，电阻限制电容的充放电流，起到吸收电容能量、阻尼回路产生震荡、限制晶闸管开通损耗与电流上升率等作用。倘若励磁大功率柜阻容参数选择不当，就会出现电阻温度过高或烧毁、电容爆裂、甚至晶闸管过电压击穿等故障。近几年，葛洲坝电厂励磁大功率柜阻容器件故障率很高，占整个励磁故障的60%以上，还发生电容爆裂导致功率柜烧毁等事故。另外，双鸭山电厂、大化电厂也发生励磁大功率柜阻容故障。由此可见，分析和解决这些故障极为重要。
1. 阻容参数传统设计方法及其效果
励磁大功率柜阻容参数传统设计方法，一般是按照有关技术手册中给出的数据，再根据经验数据进行选取。这种方法对于设计1000A 以下励磁功率柜阻容参数是合适的，但对于1000A 以上的励磁大功率柜，其效果就不太理想了，甚至会造成阻容保护本身故障。设计励磁大功率柜阻容参数的传统方法，一般以下面的经验数据表格和计算方法为依据，这里，U m （V ）是可控硅整流桥阳极电压峰值，f （H Z ）其频率。
电容耐压一般按晶闸管额定电压的1.1—1.5倍选择
电阻功率在国内文献中按下式计算: P R =fCU 2m ⨯10-6（W ）
葛洲坝电厂励磁大功率柜阳极额定电压为780V ，单柜额定输出参数1600A/800V，采用1650A/4200V晶闸管。若按照上述方法选择阻容参数，则R=15Ω/120W，C=2μF/4.6KV-6.0KV。考虑到市场上电容的质量和耐压等级，以及整个阻容装入到功率柜风道之中的通风情况，阻容参数最终确定：R=25Ω/60W，C=1μF/4KV。
按照上述方法设计的阻容参数，型式试验和运行情况表明：（1）电阻温度严重发热。电阻温度一般都在120C 以上，最高达到250C 。为了降低电阻温度，只有将阻容安装在功率柜风道内，进行强迫冷却。但由于风道内空间狭窄，布置起来很困难，同时也给运行和检修带来很大的麻烦。（2）电容易爆裂。目前功率柜一般使用油浸电容，这种电容在较大的充放电流作用下，以及受电阻高温的辐射影响，内部压力增大，轻者电容漏液，重者电容爆裂。（3）对换相过电压的抑制效果较差。励磁功率柜一般采取多柜并联方式，某一柜的阻容损坏后，其吸收过电压的任务，就会转移到其他柜的阻容上。由于大功率柜较中小功率柜并联数少，一旦某一柜的阻容损坏，其他柜的阻容吸收能力就明显不足，此时用示波器可发现，可控硅阳极电压上叠加的换相过电压明显上升。另外，由于电容易发生漏液情况，因而运行中的电00
容值不断下降，抑制晶闸管过电压的效果也就越来越差。
分析上述问题，我们发现阻容设计传统方法存在三个问题：（1）在大晶闸管的阻容经验数据表中，电阻偏小，这对于限制电容的充放电流以及降低电阻的运行温度都不利。（2）电容的耐压水平，按晶闸管的额定电压选择不合理，应按照可控硅整流装置的阳极电压来选择，因为大功率柜的晶闸管额定电压都很高，市场上很难找到合适电压等级的电容器。（3）国内文献中电阻功率计算公式，没有考虑阳极电源中的谐波分量。事实上，流过电阻上的电流是一个尖峰电流，谐波分量非常大，只考虑了基波分量来设计电阻功率，显然是不够的。
综合以上分析，我们不难看出，在选择阻容参数时存在抑制过电压水平与控制电阻发热之间的矛盾。如果希望阻容吸收效果好，就要加大电容值，那么电阻功率也相应增大。我们曾作过一个试验，使用1625A/4200V晶闸管，在阳极电压500V 情况下，如果要将尖峰过电压抑制在3倍阳极电压以内，电容需选择4.7μF ，其电阻功率将达到600W, 按单个功率柜装设一个三相全控桥考虑，电阻总功率将达到3.6kw 。这种选择显然不现实也不科学。如果电容值选择得过小，那么电阻功率也就很小，但吸收效果就很差。如果单纯为了降低电阻发热功率而将电容值选得很小，使过电压不能被抑制在阳极电压的5倍以内，是比较危险的，这样等于没有阻容保护，晶闸管将随时有被过电压击穿的可能。我们知道，阻容保护回路的作用是将晶闸管关断过电压抑制在晶闸管允许的范围内，并保证有一定的余度，以往的经验是要将过电压抑制在阳极电压的3倍以内，但目前看来这样作并不适合。因为这样作势必会使电容值特别大，电阻发热功率也特别大。引起电容爆裂的一个原因是电容值选择不合理。一般来说，电容大，吸收效果好，但流过电容的电流也大，当其超过允许值时，电容内部压力增大，导致电容漏液或爆裂。电容小，吸收效果差，阳极换相过电压也大，当其超过允许值时，就会导致电容过压击穿。
2．阻容参数设计新方法
目前随着大功率半导体技术的不断发展，晶闸管的反向电压可以做得很高，在设计功率柜时，选用的晶闸管反向电压都在阳极电压的6倍以上，将换相尖峰过电压抑制在3倍阳极电压以内没有必要。考虑到一些其它因素，取4.5倍比较适合，这样电容可取相对比较小的值，电阻发热功率也比较小。
在电阻功率的计算中，国外文献使用的公式为P R =2fCU 2m ⨯10-6, 是国内公式的2倍。
根据我们实际测算，基波分量在电阻总功率之中只占30-35%，应是国内公式的3或3.5倍才对。国外只考虑将电阻功率加一倍，是因为选用的电阻可保证在300C 以内安全运行，而且电阻一般安装在比较空旷的地方，电阻发热不致影响其他元器件。国内使用的电阻一般为普通绕线电阻，只加一倍是不行的。
由于换相尖峰过电压水平与回路中的电感量密切相关，在选择阻容参数时必须考虑励磁变的阻抗值。另外由于晶闸管管子性能不一致，特别是电流上升率di/dt不尽相同，产生的换相尖峰过电压也不同。因而，对于不同机组的励磁系统和不同厂家的硅元件，一定要考虑整流变阻抗电压和晶闸管的电流上升率等参数的影响，以准确确定现场实际过电压水平。我们在参考了国内外同行的成功经验和听取了国外元件厂家的一些建议后，对阻容参数提出了新的选择方法，具体计算公式及步骤如下：
1． 计算整流变正常二次电流I SN ，式中的I DN 指功率柜额定输出电流
I SN 0=23⨯1. 1⨯I DN
2． 计算分相电感L ，式中 UK 是整流变阻抗电压，E 是阳极电压，ω=2πf π，π为
圆周率 = 3.14，而 F 为频率。 L =2L p =U K ∙E
SN
+δ=90︒3∙ω∙I 3． 计算交流电压最大跳变值，此时移相角和换相角按α
V =2∙E ∙sin(α+δ) J 考虑 4． 校核晶闸管电流上升率是否满足要求
di/dt=VJ /L
5． 根据可控硅生产厂家产品数据手册，查出恢复电荷Qs 值，计算阻容参数
时间常数:τ=2QS /1.414VJ
电容: C=2⨯I T ⨯10
电阻: R=τ/C
6． 确定电容耐压
按照额定阳极电压的4-5倍选择
7． 计算电阻功率
2 P R =3fCU m ⨯10-6-3
8． 选择阻容器件型式。
电容建议采用固体介质的电容。电阻建议采用金属氧化物无感电阻，其优点是发热均匀，散热效率高，并且无电感，很适合用于晶闸管阻容保护回路。
按照阻容参数设计新方法，我们对广西某电厂功率柜的阻容参数重新计算，并进行工业试验，其试验结果很好，具体数据见下表：
3. 运行情况总结
阻容保护目前仍是晶闸管过压保护中最简单，应用最普遍的一种过电压保护。以前由于励磁大功率阻容参数选择不当，使阻容回路接连出现问题，造成阻容爆裂或可控硅击穿，机组被迫停机，严重影响了机组的安全运行。我们在对出现故障的多台励磁大功率柜阻容进行分析后，提出了以上解决方法，并且对广东粤连电厂、广西大化电厂、黑龙江富拉尔基电厂的大功率柜进行了阻容更换，更换后的功率柜至今有的运行一年多，有的超过两年了，一直运行良好。
主要参考文献
[1] 郑忠杰，吴作海. 电力电子变流技术 北京 机械工业出版社 1999.5
[2] ABB Technical brochures by ABB semiconductor AG, 2000
[3] MITEL Technical brochures by power product customer service centres
[4] 电力半导体器件和电力变流器标准汇编 北京 中国标准出版社 1995.5
作者简介:
万和勇 工程师 从事发电厂励磁系统设计工作
陈小明 高级工程师 长期从事发电机励磁系统和直流系统的技术工作
作者照片:
万和勇（右1）、陈小明（右2）、王会霞（左3）、刘增煌老师（左2）、胡先洪（左1），
在三峡大坝后合影，纪念三峡电厂励磁系统模型及参数现场试验结束。