发电机励磁系统强励功能分析与核算

吴跨宇，陈新琪，孙维真，王 超，楼伯良

（1.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江电力调度控制中心，杭州 310007）

0 引言

励磁系统强励是发电机并网运行时因遭受较大扰动（如线路短路故障）导致发电厂高压母线和发电机机端电压大幅降低时，励磁调节器快速控制功率整流桥全开放以输出最大励磁电流的特殊运行方式。发电机强励可以在系统电压跌落后通过大量输出无功功率来迅速抬升发电机机端电压和主变高压侧母线电压，对保证发电机有功功率送出以提高电力系统暂态稳定性、维持系统电压水平并在故障切除后加快母线电压的恢复速度以提高电力系统电压稳定性有重要作用，同时也为继电保护装置正确判断并切除故障提供条件[1]。

随着全国联网的逐步推进，特大型交直流互联电网需要考虑的系统问题越来越多。其中，由于快速微机励磁系统的大量应用而得到改善的机组暂态稳定问题也再度引起重视。如果大型机组由于线路故障而暂态失稳进入失步运行，则由于其有功功率和无功功率的大幅波动，将给系统带来非常不利的影响，甚至可能引发系统振荡和其他不良联锁反应。因此，通过核查工作来检查确认各发电机组实际具有的强励能力，比对标准规定对不符合要求的机组进行整改来确保所有机组都具有满足标准要求的强励能力，对保障大电网系统运行的稳定性具有积极意义。

1 强励的要求与限制因素

1.1 标准中有关强励的要求

强励电压和电流用于表征励磁系统的强励能力，电压响应时间和标称响应用于表征励磁系统强励的动态性能，即发生电压跌落后，励磁系统输出强励电压的速度。

国家标准[2]规定励磁顶值电压倍数（即强励电压倍数），应根据电网情况及发电机在电网中的地位确定。强励电压的一般要求可以概括为：采用自并励励磁的汽轮发电机为2.25倍，采用励磁机励磁的汽轮发电机为2倍，采用自并励励磁的水轮发电机为2～2.5倍。而强励电流的一般要求概括为汽轮发电机2倍10 s，水轮发电机2倍20 s。

1.2 强励能力的限制因素

忽略运行和故障工况影响，励磁系统的强励电压倍数主要由励磁变二次侧电压或励磁机定子电压决定。强励电流的大小主要取决于强励电压和励磁主回路设备的过电流能力。在系统暂态过程中，较高的强励电压对暂态稳定有利，但是过高的强励电压会带来以下问题：

（1）强励电压高，意味着整流桥交流侧电压高，而发电机转子绕组实际承受的励磁电压需要考虑的换相尖峰电压一般应按1.5～2倍的交流电压峰值考虑，过高的整流桥交流侧电压将使转子绕组承受的暂态尖峰电压接近甚至超过其允许耐压值。标准[2]规定，当励磁电流小于1.1倍额定值时，励磁绕组两端所加的整流电压最大瞬时值应不大于规定的励磁绕组出厂试验电压幅值的30%。

（2）三相可控整流桥交直流电压关系式为[3]：

式中：UE为整流桥输出直流电压；Uppt2为额定励磁变二次电压；α为触发角。

由式（1）可见，在控制触发角精度确定时，提高整流桥交流侧电压将同比增加励磁电压控制步长，励磁电压控制步长增大，会使发电机运行平稳性下降。

（3）强励电压倍数高，对励磁变、励磁机的容量和绝缘水平要求更高，提高强励电压倍数相应也提高了整流桥交流侧阻容吸收回路和可控硅及其阻容保护等主回路相关元器件的耐压水平、容量要求。

（4）自并励励磁系统一旦出现发电机空载误强励，较高的强励电压使发电机具有更大的磁场储能，要求灭磁电阻有更大的能容量。同时，过高的反向误强励电压增加了灭磁过程中的换流难度，从而对灭磁开关的弧压提出更高的要求。

因此，在满足标准要求的前提下，应根据实际情况确定合理的强励电压、电流倍数，而不宜单从提高励磁系统强励水平和电力系统稳定的角度一味追求过高的强励能力。

2 强励功能分析核算

2.1 发电机转子过电流能力

发电机本体安全是励磁系统和继电保护的控制、限制和保护功能的主要出发点。因此，强励核算首先应考虑发电机转子绕组的过电流和过负荷能力。

标准[4]规定的发电机转子过电流能力按式（2）定义：

式中：C为发热常数；If为励磁电流；Ifn为额定励磁电流，电流的取值按额定励磁电流为基值标幺化；T为过流热积累时间。

由式（2）可见，转子绕组过负荷一般以热积累常数形式表达，其参数一般可在发电机技术规范书中找到，如果厂家没有提供，则在核算过程中推荐采用典型热积累常数33.75或2.09倍10 s作为参考值。

同时，标准[2]规定，励磁系统顶值电流应不超过2倍额定励磁电流。

2.2 励磁系统强励能力

2.2.1 励磁功率柜输出能力

强励电压和强励电流大小主要受到励磁系统主回路的耐压和通流能力的影响。这里的主回路主要是指自并励和有刷励磁机励磁的大功率整流桥、无刷励磁系统的旋转整流二极管。

根据标准[2]要求，功率整流装置退出运行一个柜或一个并联支路后，应具有完全的强励能力和1.1倍额定励磁电流的连续运行能力。

在设计选型阶段，强励能力核算还应考虑整流元件与快熔的配合，灭磁开关的电流连续运行和短时过流能力。

2.2.2 励磁变输出能力

在采用自并励励磁或主励磁机的励磁电源来自机端励磁变压器的励磁方式中，励磁系统可控整流桥由机端励磁变供电，整流桥的允许运行电压和电流在满足强励电压和强励电流要求后，励磁系统实际强励能力由励磁变决定。

励磁变容量应满足1.1倍额定励磁电流下长期运行，在计算励磁变容量要求时还应考虑整流柜元件和外接电缆等的压降、谐波损耗、换相过程的损耗等，励磁变在励磁系统强励时具有的短时容量应满足发电机和励磁系统的强励电流和持续时间要求。

2.2.3 顶值限制与过励限制及其参数设定

励磁系统过励限制（Over Excitation Limit，OEL）是为保护发电机转子绕组过电流后的热积累导致绕组温度过高而设立。即将励磁电流限制到额定励磁电流或长期允许运行励磁电流，正确的过励限制反时限计算方法应该与发电机转子过电流公式一致，从而正确反映热积累的过程。

发电机机端电压突然大幅下降后，励磁系统将输出最大励磁电压即强励顶值电压。假设转子绕组直流电阻不受温度影响，由于励磁电压为直流量，因此不受限制的励磁电流最终将增长到励磁电压倍数同样的值。以图1中曲线为例，如果强励顶值电压不超过2倍，则强励电流稳定保持与强励电压同样的倍数，顶值限制不动作，对应图1中情况一。如果强励顶值电压超过2倍，则励磁电流亦将超过2倍，励磁系统中的顶值限制应在励磁电流增长到2倍时瞬时动作，降低励磁电压，控制励磁电流持续在2倍额定励磁电流运行，对应图1中情况二。而在强励的整个过程中，发电机转子绕组过励限制始终在正常工作，当励磁电流因顶值限制而达到2倍稳定强励后，经过反时限的延时（例如10 s）或励磁电流未达到顶值，但是热积累同样达到OEL设定值，则OEL动作并降低励磁电压将励磁电流限制到额定励磁电流或允许长期运行励磁电流值（例如1.05Ifn），励磁系统正常完成强励过程。

励磁系统瞬时动作的顶值限制、反时限动作的过励限制和反时限的转子过负荷或励磁变过电流保护的正确配合，既保证了发电机在系统故障状态下获得最大的持续强励电流，又保护了励磁变、励磁机、励磁功率整流桥和发电机转子绕组不会过电流和过负荷。

2.2.4 强励相关保护及其配合

与励磁系统强励有关的保护主要有励磁变过流速断保护、过流定时限保护、过流反时限保护、转子过负荷保护等。

图1 强励及其限制动作过程曲线

其中励磁变速断过流保护及其后备保护过电流定时限保护一般用于保护励磁变相间或励磁整流桥等主回路短路，其整定下限一般按照躲过系统故障过程中励磁回路感应的暂态电流和区外不对称短路发电机强励时，励磁变两相工作最大电流计算。强励核查过程应对励磁变过流定值与折算到交流的强励电流值进行比较，保证强励过程中保护不会误动。

过流反时限和转子过负荷动作特性应与发电机转子绕组允许过热特性相同，采用式（2）形式，整定参数保证保护在过热水平达到转子绕组最大允许值前动作。但应与励磁系统过励限制参数进行配合，在励磁系统完成强励后保护动作前，应让励磁系统有足够的时间将强励电流控制到长期允许运行电流水平，保持发电机和励磁系统继续运行，防止在大的系统振荡过程中，过多地切除发电机导致系统彻底崩溃。

2.3 影响三机励磁强励能力的重要因素

三机励磁系统在近端短路时，不存在整流桥交流侧电压降低问题，强励倍数容易得到保证。但是短路瞬间由于发电机转子绕组感应的暂态电流流过主励磁机电枢绕组，暂态电抗的存在会使主励定子电压下降。感应电流越大，强励初期主励定子电压下降越大，影响强励电压倍数。

无刷励磁系统由于无法测量发电机转子绕组励磁电流，一般使用励磁机励磁电流作为顶值限制和过励限制的参考量，并根据主励磁机的空载和负载特性折算到发电机转子侧。

三机无刷励磁系统强励电压和强励电流输出能力主要由副励磁机和主励磁机的电压、容量及其旋转整流二极管等综合决定。强励电流核算应综合考虑旋转整流二极管的额定电流及与之串联的快熔参数匹配。其强励电压则主要由主励磁机定子电压输出能力决定，而主励电压输出能力又涉及到主励转子电压即副励磁机定子电压和电流输出能力的影响。

3 浙江电网发电机强励功能存在的主要问题

3.1 1 000 MW级机组强励能力不足

根据浙江电网发电机强励核查结果，目前投运的采用三机无刷励磁系统的1 000 MW级汽轮发电机组实际可用强励倍数均只有1.5倍。限制其强励能力的主要原因为配套的主励磁机和副励磁机容量不足。反应出在机组的设计选型和招投标过程中，忽视对强励参数的要求，制造厂对发电机及其配套的励磁机和励磁系统参数遵守相关标准的意识不强。

3.2 某励磁系统OEL计算公式存在的问题

在大型发电机组中有大量应用的某型号励磁系统，其反时限过励限制（OEL）的时间t为：

式中：P1303为强励电流倍数；P1301为过励限制启动值；P1305为强励时间；If为励磁电流。

由式（3）可见，用于热积累积分的输入值为电流差的平方，实际的热积累过程是电流平方的差，两者存在明显差别。

采用标准[4]规定的计算式（2）和计算式（3）在不同参数下的过电流限制特性曲线如图2所示，可见，当采用式（3）时，虽然强励参数正确整定为2倍10 s，曲线2与曲线1却在约1.8倍额定励磁电流时出现交叉，即大于1.8倍额定励磁电流时，过励限制与发电机过电流允许时间配合正确；小于1.8倍额定励磁电流时，过励限制反时限动作时间要大于发电机过电流允许时间，不利于发电机转子绕组的安全运行。

现代成熟的微机继电保护装置0.1 s即能完成动作过程，后备保护一般也能在4 s内完成动作过程切除故障点。因此，4.7 s的强励时间足以让继电保护包括后备保护正确动作，切除故障。而强励倍数直接影响系统稳定性，其重要性要远大于强励时间。在该型励磁系统OEL计算公式得到正确修正前，推荐对应曲线3的一组临时设置参数，保持2倍的强励倍数，适当降低反时限延时时间至4.7 s，并设置启动电流为1倍。在该组参数下，虽然强励时间降低到4.7 s，但是保障了2倍的强励电流输出，且在过电流低段过励限制可以和发电机允许过电流能力正确匹配。

图2 不同公式下的反时限曲线

4 强励功能核查工作的重点

提高发电机-励磁系统的强励能力最简单的方式是提高主设备和励磁主回路相关元器件的容量和绝缘水平，但是这需要增加大量的投资。因此，首先应保证发电机和励磁系统设备各参数的合理匹配，各限制、保护参数的合理整定。在满足相关标准规定的前提下，提高强励能力并保证发电机及其励磁系统安全稳定运行。

（1）励磁系统的整流桥、励磁变、励磁机和灭磁开关等设备输出能力应大于发电机转子绕组过电流能力。

（2）强励电压倍数大于2倍的应设置顶值电流瞬时限制功能，顶值限制值一般为2倍。

（3）励磁系统过励限制应采用与发电机转子绕组过负荷一致的反时限热积累计算公式。限制启动值应整定为等于或略小于发电机长期允许运行电流。2倍强励电流点的时间应略小于发电机允许时间，且其时间差能满足强励返回和过负荷保护动作时间配合要求。

（4）励磁系统过励限制的返回值宜采用额定励磁电流或某一小于发电机允许长期运行电流的值，以保证机组在强励返回后，转子绕组反向热积累释放热量，保证绕组安全。

（5）励磁系统强励返回后，励磁控制系统中应有相应的转子绕组反向热积累积分计算过程。一旦在强励返回后的一个较短时间内再次强励，则其允许时间由上述反向热积累计算后得到的当前已有热积累量与允许热积累量的差值决定，确保特殊情况下发生连续多次强励时，转子绕组热积累量始终不会超过允许值。

（6）与发电机转子、励磁变和励磁机相关的保护整定参数应保证在发电机强励时不会误动作，且应考虑励磁变两相运行提供强励电流的情况。过流反时限和转子过负荷保护应与过励限制之间留有时间差，保证过励限制正常返回前不会误动切机。同样，考虑到保护的固有动作时间，相关保护整定时间与发电机转子过电流允许时间也应留有时间差，保证达到转子过流允许时间前，保护已完成切机动作。在满足上述配合要求的基础上，应取最大的过励限制允许时间。

（7）三机无刷励磁系统还应注重旋转整流二极管及其串联快熔的参数匹配。副励磁机的容量应保证能提供主励磁机定子输出强励电压、电流时的转子电流。

[1]吴跨宇.基于空载误强励灭磁对发电机过电压保护整定的研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（2）：98.

[2]GB/T 74093-2007同步电机励磁系统大、中型同步励磁系统技术要求[S].北京：中国电力出版社，2007.

[3]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

[4]GB/T 7064-2008隐机同步发电机技术要求[S].北京：中国电力出版社，2008.

[5]吴跨宇，竺士章，陈新琪.发电机严重故障工况灭磁仿真分析[J].大电机技术，2009（5）：49.