阶梯式过电压保护电路

技术领域

电气工程技术领域，具体而言，涉及一种阶梯式过电压保护电路。

背景技术

当发电机定子侧发生不对称短路、失步、非同期合闸或非全相运行等问题时，会在转子中感应出过电压。另外，励磁整流系统的换相尖峰过电压、以及从交流侧通过励磁变压器和气隙传递过来的大气过电压和电网操作过电压也会出现在转子系统中。而转子过电压会损坏与之相连的励磁设备和转子绝缘，导致事故扩大。因此必须设置转子过电压保护装置。

一般来说，由于铁磁材料的阻尼作用，大气过压和电网操作过电压传递到转子系统上会被削弱一部分能量，其强度和持续时间都较小；非全相或大滑差异步运行时过电压剧烈，时间长，其能量较大；晶闸管换相尖峰过电压时间短，能量小。

这些过电压产生的条件不同、强弱不同，因此，应当采取不同的保护方法。

但是，现有进口励磁系统的转子过电压保护通常采用SiC+跨接器的结构型式。SiC电阻的特点是容量大，非线性指数大，一旦导通很难截止，而持续的导通状态会损坏SiC电阻，而SiC损坏的特征是开路，这又会进一步加剧转子过压程度。因此当跨接器导通SiC时，励磁系统就会发出机组解列停机信号。

现有国产励磁系统的转子过电压保护则大多采用ZnO电阻，若荷电率较高的话，还会配上晶闸管触发的跨接器。ZnO电阻的特点是单片容量小，非线性指数小，过电压消失后，电阻会自动断流退出，不会影响发电机正常运行。但是ZnO电阻单价较高，若过压保护范围覆盖持续过压的工况，则电阻能容会较大，成本会比较高。

针对发电机转子短时的感应过电压尖峰和定子失步、非全相运行时带来的长时间过电压的问题，以及ZnO保护电阻和SiC保护电阻的优缺点，本申请提出一种两级阶梯式过电压保护技术，采用晶闸管触发的ZnO电阻加大功率电阻的两级结构和方法，整体方案配置简单，性能可靠，易于实现。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请旨在提出一种阶梯式过电压保护电路，其根据过电压产生的条件荷能量强弱而针对性设计，保护范围全面，设备配置简单，成本低，易于推广。

根据本申请的一方面，提出一种阶梯式过电压保护电路，用于与发电机转子绕组和/或整流桥并联连接，所述阶梯式过电压保护回路包括并联连接的第一过电压保护支路和第二过电压保护支路，其中：

所述第一过电压保护支路包括ZnO电阻、熔断器、两个晶闸管及第一跨接器；所述第二过电压保护支路包括线性电阻、两个晶闸管及第二跨接器。

根据一些实施例，所述第一过电压保护支路的所述ZnO电阻、所述熔断器及反向并联的晶闸管串联后与所述第一跨接器并联，且所述第一跨接器连接两个晶闸管的触发端。

根据一些实施例，所述第二过电压保护支路的所述线性电阻与反向并联的晶闸管串联后与所述第二跨接器并联，且所述第二跨界器连接两个晶闸管的触发端。

根据一些实施例，当所述发电机转子绕组收到过电压冲击，所述第一过电压保护支路动作，吸收过电压能量；

当电压数值进一步上升，所述第二过电压保护支路动作。

根据一些实施例，当所述第一跨接器检测到所述发电机转子绕组两端电压高于第一动作电压时，所述第一跨接器触发晶闸管导通，投入所述ZnO电阻；

当过电压消失，所述ZnO电阻电流截止，所述晶闸管关断，所述第一过电压保护支路退出。

根据一些实施例，当所述第二跨接器检测到所述发电机转子绕组两端电压高于第二动作电压时，所述第二跨接器触发晶闸管导通，投入所述线性电阻。

根据一些实施例，所述第二过电压保护支路动作，励磁系统将向机组发解列停机令。

根据一些实施例，所述第一过电压保护支路的所述第一动作电压低于所述第二过电压保护支路的所述第二动作电压。

根据一些实施例，所述第一动作电压和所述第二动作电压高于正常灭磁时的电压；

所述第二动作电压不超过70％转子工频耐压试验值；

所述第一动作电压低于所述第二动作电压的400V-500V。

根据一些实施例，当过电压持续升高，导致ZnO电阻损坏时，所述熔断器熔断，将所述第一过电压保护支路断开。

根据一些实施例，所述第一过电压保护支路用于抑制所述发电机转子绕组中的短时过电压能量，配置小容量的所述ZnO电阻。

根据一些实施例，所述第二过电压保护支路用于抑制发电机转子绕组中的长时间过电压能量，配置大容量的所述线性电阻。

根据本申请的一些实施例的技术方案可具有以下有益效果中的一个或多个：

(1)过电压保护回路根据跨接器整定的动作电压值导通，无需外部输入控制信号，限制过电压能力强，正常运行时不存在误动的风险。

(2)当转子中出现短时过电压时，触发过电压保护支路1，当过压消失后，ZnO电阻自动截止，过电压保护支路1退出。发电机维持正常运行。

(3)当发电机出现非同期合闸、非全相运行时，转子中出现长时间的过电压时，触发过电压保护支路2，有效限制过电压水平，同时向机组发送解列停机令，保护机组和励磁设备安全。

(4)本方案的过电压保护回路根据过电压产生的条件荷能量强弱而针对性设计，保护范围全面，设备配置简单，成本低，易于推广。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，而不是对本申请的限制。

图1示出一示例性实施例的发电机转子绕组阶梯式过电压保护电路的原理图；

图2示出一示例性实施例的用于发电机转子绕组及整流桥的阶梯式过电压保护技术的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

下面描述本申请的装置实施例，其可以用于执行本申请方法实施例。对于本申请装置实施例中未披露的细节，可参照本申请方法实施例。

图1示出一示例性实施例的发电机转子绕组阶梯式过电压保护电路的原理图。

如图1所示，发电机转子绕组阶梯式过电压保护电路包括过电压保护支路1、过电压保护支路2、发电机转子绕组、三相桥式整流器和励磁系统输入电源。

根据示例实施例，过电压保护支路1、过电压保护支路2与发电机转子绕组并联，与三相桥式整流桥并联，励磁系统输入电源通过三相桥式整流器中点输入。

根据示例实施例，三相桥式整流器为励磁系统功率整流单元，将输入交流电源整流成直流，输出至发电机转子绕组。

根据示例实施例，过电压保护支路1包括ZnO电阻、熔断器、两个晶闸管及跨接器1，其中，ZnO电阻、熔断器及反向并联的晶闸管串联后与跨接器1并联，且跨接器1连接两个晶闸管的触发端。

根据示例实施例，过电压保护支路2包括线性电阻、两个晶闸管及跨接器2，线性电阻与反向并联的晶闸管串联后与跨接器2并联，且跨界器2连接两个晶闸管的触发端。

根据示例实施例，过电压保护支路1与过电压保护支路2并联，构成两级保护。

根据示例实施例，过电压保护支路1用于抑制转子中的短时过电压能量，采用ZnO电阻、双向晶闸管和跨接器1的方案，配置小容量ZnO电阻。

根据示例实施例，当跨接器1检测到发电机转子绕组的电压高于动作电压U1时，跨接器1触发晶闸管导通，投入ZnO电阻，抑制过电压进一步上升。

根据示例实施例，当过电压消失后，ZnO电阻中的电流自动截止，晶闸管因电流过零点自然关断，过电压保护支路1退出，发电机维持正常运行。

根据示例实施例，过电压保护支路1用于抑制转子中的短时过电压能量，采用小容量ZnO电阻加双向晶闸管串联的方案。

根据示例实施例，根据转子中的电流流向不同，跨接器1只需要触发一个对应的晶闸管，使电流流过ZnO电阻。

根据示例实施例，过电压保护支路1中串联有熔断器，当过电压持续升高，导致ZnO电阻损坏时，此时熔断器熔断，将过电压保护支路1断开。

根据示例实施例，过电压保护支路2用于抑制转子中的长时间过电压能量，采用线性电阻、双向晶闸管和跨接器2的方案，配置大容量的线性电阻。

根据示例实施例，当转子电压高于动作电压U2时，跨接器2触发双向晶闸管导通，投入线性电阻，抑制过电压进一步上升。

根据示例实施例，根据转子中的电流流向不同，跨接器2只需要触发一个对应的晶闸管，使电流流过线性电阻。

根据示例实施例，过电压保护支路2用于抑制转子中的长时间过电压能量，采用大容量线性电阻加双向晶闸管串联的方案。

根据示例实施例，由于出现长时间过压时，发电机通常处于失步、非全相等非正常运行状态，已经不适宜继续运行。因此，第二级过电压保护动作时，励磁系统将向机组发解列停机令，以保障机组安全。

根据示例实施例，过电压保护支路1的动作电压U1，低于过电压保护支路2的动作电压U2。

根据示例实施例，当发电机转子受到过电压冲击时，过电压保护支路1首先动作，通过吸收过电压能量抑制过电压峰值。当过电压数值进一步升高，达到过电压保护支路2的动作电压U2，线性电阻投入，形成几乎短路的电流通路，从而限制过电压数值，保护发电机励磁绕组和励磁设备。

根据示例实施例，在设计动作电压U1和U2时，首先要保证其高于正常灭磁时的电压，另外电压U2按照不超过70％转子工频耐压试验值设计，电压U1按照低于U2值的400V-500V设计。

根据一些实施例，过电压保护支路1与过电压保护支路2与三相桥式整流器并联，故也可以对整流桥的过电压起到保护作用。

根据一些实施例，若整流桥过电压，过电压保护支路1首先动作，通过吸收过电压能量抑制过电压峰值。当过电压数值进一步升高，达到过电压保护支路2的动作电压U2，线性电阻投入。

根据一些实施例，过电压保护支路1中串联有熔断器，当过电压持续升高，导致ZnO电阻损坏时，此时熔断器熔断，将过电压保护支路1断开。

根据一些实施例，由于出现长时间过压时，发电机通常处于失步、非全相等非正常运行状态，已经不适宜继续运行。因此，第二级过电压保护动作时，励磁系统将向机组发解列停机令，以保障机组安全。

图2示出一示例性实施例的用于发电机转子绕组及整流桥的阶梯式过电压保护技术的流程图。

在S210，检测到转子电压高于动作电压U1。

根据示例实施例，当跨接器1检测到转子两端电压高于动作电压U1时，跨接器1触发晶闸管导通，投入ZnO电阻，抑制过电压进一步上升。

根据示例实施例，当过电压消失后，ZnO电阻中的电流自动截止，晶闸管因电流过零点自然关断，过电压保护支路1退出，发电机维持正常运行。

根据示例实施例，根据转子中的电流流向不同，跨接器1只需要触发一个对应的晶闸管，使电流流过ZnO电阻。

在S230，电压持续升高，熔断器熔断。

根据示例实施例，过电压保护支路1中串联有熔断器，当过电压持续升高，导致ZnO电阻损坏时，此时熔断器熔断，将过电压保护支路1断开。

在S250，检测到转子电压高于动作电压U2。

根据示例实施例，当转子电压高于动作电压U2时，跨接器2触发双向晶闸管导通，投入线性电阻，抑制过电压进一步上升。

根据示例实施例，过电压保护支路1的动作电压U1，低于过电压保护支路2的动作电压U2。当发电机转子受到过电压冲击时，过电压保护支路1首先动作，通过吸收过电压能量抑制过电压峰值。当过电压数值进一步升高，达到过电压保护支路2的动作电压U2，线性电阻投入，形成几乎短路的电流通路，从而限制过电压数值，保护发电机励磁绕组和励磁设备。

根据示例实施例，在设计动作电压U1和U2时，首先要保证其高于正常灭磁时的电压，另外电压U2按照不超过70％转子工频耐压试验值设计，电压U1按照低于U2值的400V-500V设计。

在S270，励磁系统向机组发解列停机令。

根据示例实施例，由于出现长时间过压时，发电机通常处于失步、非全相等非正常运行状态，已经不适宜继续运行。因此，第二级过电压保护动作时，励磁系统将向机组发解列停机令，以保障机组安全。

应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。

此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本申请示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。