自并励发电机后备保护改进方案

刘振武，魏建忠，高仕斌

（1.华电集团白音华金山发电有限公司，西乌珠穆沁旗026200；2.西南交通大学电气工程学院，成都610031）

在发电机的各种励磁方式中，自并励方式的电源取自发电机机端，采用大容量的可控硅整流元件向励磁绕组提供励磁电流，由于整流元件采用了微机控制技术，电压响应速度快、灭磁或减励磁快速，无旋转部分，同时励磁调节器具有系统稳定器，可进行自并励励磁和附加励磁控制，很大程度上改善了电力系统暂态稳定性能，如文献[1]中指出励磁系统的时间常数越小越有利于系统维持稳定，加之其接线简单，可靠性高，造价低等优点。国外，某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式，美国、加拿大新建电站几乎一律采用自并励励磁系统。国内，近年来进口的大中型机组大都装备的是自并励励磁系统，对于600 MW 以上汽轮发电机组，自并励励磁已基本成为定型方式，部分电厂也完成了常规励磁向自并励励磁系统的改造[2-4]。

600 MW 发电机作为火力发电厂的三大主机之一，它的安全稳定运行对电力系统的稳定起到了决定性作用。原国家电力公司2000年9月28日颁布实施的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》及2002年原国家电力公司以国电调[2002]138 号文印发的《“防止电力生产重大事故的二十五项重点要求”继电保护实施细则》均对大型发电机组保护配置提出了要求，指出“确保大型发电机、变压器的安全运行，重视大型发电机、变压器保护的配置和整定计算……”。但自并励发电机，当外部发生对称或不对称短路时，由于励磁系统其特殊性，可能会导致励磁电流和短路电流随时间增长而衰减，过流保护不反应故障而拒动，必须增设发电机和相邻设备的后备保护，此保护是电力设备继电保护的最后一道防线，其地位十分重要，讨论此后备保护具有积极意义。

1 自并励励磁系统工作特性

自并励励磁系统具有高起始响应特性，使用的发电机对系统负荷波动和故障响应加快。文献[5]以上海石洞口二厂600 MW 机组为例，详细分析了自并励励磁系统在系统短路故障后的动态行为。图1 所示为其工作外部特性曲线，正常运行时处于bc 段，负荷变化时，微机励磁控制器可以自动调节励磁电流而使机端电压保持在Ufe附近，当发生线路远端短路或同期并列使得机端电压下降较多时，进行强励，工作在ab 段，强励电流约为额定励磁电流的2.0～2.5 倍。而发生线路近端短路或机端短路时，电压下降过低，励磁工作区进入oa 段，该段特点是Uf越小，励磁电流IL越小，IL进一步降低导致Uf进一步降低，最终使励磁电流和短路电流一直衰减以至于为零，此时，如果保护配置不当就可能导致保护拒动。

图1 自并励励磁系统工作外部特性Fig.1 External features of self-shunt excitation system

2 自并励发电机外部短路故障分析

2.1 短路电流计算

为使保护配置合理有效，首先需分析系统不同位置、不同故障类型下的短路电流分布及大小随时间变化趋势。文献[6，7]分别介绍了基于空间矢量法数学模型的发电机三相短路暂态过程的计算方法和基于电源支路电流法的短路电流计算方法。

本文以600 MW 汽轮发电机组为例，现选取发电机机端A 点、高厂变高压侧母线B 点、出线25 km 处C 点为分析对象，已知参数为：额定电压Un为20 kV，额定容量Sn为667 MVA，功率因数cos ψ=0.9，Xd=2.27，瞬变电抗Xd′=0.267 1，超瞬态电抗Xd″=0.238，负序电抗Xf2=0.201 1，空载励磁电压（整流后）Ufd0为153 V，额定励磁电压（整流后）Ufdn为428 V，强励时励磁电压为1 156 V，瞬态时间常数T′d0为8.724 s，超瞬态时间常数T″d0为0.045 s，励磁变压器额定电压20/0.89 kV，主变高低压侧额定变比500/20 kV，主厂变电抗Xt为0.13，单回路出线25 km 处的线路电抗Xl=0.023 5，以上各电抗值均以667 MVA 为基准容量下的标幺值。

依据文献[8]所推导的方法进行计算，求解三相短路和两相短路时的故障电流方程。其步骤如下。

（1）由于空载电控角和强励电控角均未直接给出，故需根据三相全控整流直流电压平均值方程反求空载电控角和强励电控角。

设励磁变压器低压侧线电压为Up-p，则可列三相全控整流直流电压平均值方程为

式中，α 为三相全控整流控制角。

由式（1）可反求空载励磁电控角α0和强励励磁电控角αk分别为

式中：Ufd0为空载时三相全控整流直流电压平均值；Up-p为励磁变压器低压侧线电压；Ufdk为强励磁时三相全控整流直流电压平均值；Up-p，k为强励磁时励磁变压器低压侧线电压。

（2）设短路点处的计算外接电抗为Xs，则临界外接电抗为Xs，cr。

临界外接电抗值为

式中，Cα=cos αk/cos α0

当短路故障发生在发电机机端时外接电抗等于零，即Xs=0。

（3）根据已求得的Xs、Xd、Xd′、Xd″，求短路电流超瞬态分量和瞬态分量：

1）三相短路故障时的超瞬态电流分量为

两相短路故障时的超瞬态电流分量为

式中：x2Σ= 1/（xf2+ xs2），xf2为发电机负序电抗、xs2为外接负序电抗。

2）三相短路故障时瞬态电流分量为

两相短路故障下瞬态电流分量为

（4）根据已知的T″d.0、T′d0、X″d、X′d、Xs，可求定子纵轴超瞬态时间常数T″d及自并励系统励磁回路的等效时间常数Td，k。

1）则定子纵轴在三相短路故障下的超瞬态时间常数为

于是我们得到：抛物线y=ax2+bx+c上有一点C(m，n)，直线l与抛物线交于A，B两点，当∠ACB=90°时，直线l经过一定点

超瞬态时间常数在两相短路故障下可计为

2）励磁回路在三相短路故障下的等效时间常数为

励磁回路在两相短路故障下的等效时间常数为

则由以上推导可列出发生经外接电抗短路时的短路电流方程为

三相短路时：

两相短路时：

2.2 短路电流特性分析

对于15 MVA 容量以下的小机组，一般发电机的xd=2.0 左右，Cα一般取值为6～8，xs在A 点短路时取值为0，B 点时取值为变压器短路阻抗，一般取值为0.10～0.15，所以对于小容量的并励发电机在A点、B点及线路上的一定范围内仍满足即同样会出现三相短路电流衰减至零的现象。

将本实例参数带入计算可知，在A、B、C 三点处三相短路时外接电抗均小于临界电抗，故短路电流将衰减。

代入实际参数后，列出自并励发电机系统各处短路电流方程为

由式（15）～式（20）可解出故障发生后不同短路故障下不同位置的短路电流。

由式（15）～式（20）绘制不同位置不同类型短路电流变化曲线如图2 和图3 所示。

图2 不同位置发生三相短路时短路电流曲线Fig.2 Three-phase short-circuit curves in different locations

图3 不同位置发生两相短路时短路电流曲线Fig.3 Two-phase short-circuit curves in different locations

3 后备保护方案

3.1 现有保护问题分析

文献[9]指出，大型发电机宜采用电流、电压保护作为后备保护。从近年现场的情况来看，发电机阻抗保护已基本不用，而过流保护因其结构简单可靠，仍普遍配置，但不少在使用中拒动误动的情况时有发生。如文献[10]介绍了一次发电机记忆过流保护误动跳母联的案例，文献[11]中提到2006年某电厂发电机后备保护拒动的案例。

传统的低压过流保护逻辑如图4 所示。由文献[12]可知，线路保护切除故障后，机端电压恢复约为故障切除时间的二分之一，约为（1.0～1.5）s，低压过流保护作为后备保护，需要与线路保护和发电机主保护配合，同时为躲过系统振荡过程需要有一定延时，一般根据保护装置厂家推荐，延时定值整定为（3～4）s。

图4 传统低压过流保护方案Fig.4 Traditional low-voltage and over-current protection scheme

分析图2、图3 曲线及图4 可知，在外接短路电抗小于临界点抗的范围内，三相短路电流均为衰减，3 s 时均已衰减至额定电流以下，传统过流保护的过流元件会在延时时段内返回而导致保护拒动，故需重新配置。

再次分析图2、图3 曲线可知，在主变高压母线和线路上发生两相短路时短路电流均为上升，不会使过流保护返回，而两相短路故障发生在发电机机端时故障电流衰减极慢，3 s 时短路电流为额定电流的1.7 倍，过流保护亦可正确反应故障。

当C 点发生三相短路时，传变到机端电压标幺值最高，Urmax= （xt+xl）/（xd″+xt+xl）=0.392，灵敏系数Ksen，U=0.6/0.392=1.53，仍满足1.3 灵敏度要求。

一般地，为躲过系统振荡过程并与相邻保护配合，须设置（3～4）s 的延时，而这段延时内如果主保护未动作，故障电流已衰减至后备保护的返回值以下，此时应动作的后备保护会拒动。由上述分析可得，要保证三相短路时后备保护不因短路电流衰减而拒动，只需加设低压记忆过流保护或低压保持过流保护即可，而无需装设复合电压（负序电压与低压的组合）记忆过流保护。既节省投资又能简化接线，提高保护的可靠性。

3.2 改进方案

方案1 采用带出口解锁的低压记忆电流保护，保护逻辑如图5 所示。工作原理为：当正常时电压元件U 测得电压大于整定值，输出为1，低电平使能的传输门闭锁，当短路故障时电压元件U测得电压小于整定值，输出为0，使低电平使能的传输门工作，同时过流元件启动，与门输出1 传至或门OR1 输出为1，启动延时继电器T1 的同时经记忆回路传回OR1，这样即使在短路电流衰减使过流元件返回的情况下OR1 仍能输出为1，使保护出口不拒动。

同时，加设延时继电器T2，使保护出口后经t2延时后使OR2 输出为1，确保装置自锁解除。

图5 带出口解锁的低压记忆过流保护方案Fig.5 Scheme of low-voltage and memorized over-current protection with unlocked trip

方案2 采用带低压保持回路的过流保护，保护逻辑如图6 所示，当过流元件检测到过流并启动时，与门输出为1，经或门输出1 并启动延时继电器，当低压元件启动后，与低压元件相连的与门输出也为1，此后，即使短路电流衰减致使过流元件返回，或门仍能输出1，延时t1 后出口，保护不会拒动。

图6 低压保持过流保护方案Fig.6 Over-current protection scheme with maintained low-voltage

方案3 除电流保护外也可以采用阻抗保护，文献[13]的分析也表明阻抗保护可作为发电机三相引线及相邻线路和母线的后备保护。但由计算或图2 可知，由于3 s 时短路电流已衰减至额定电流的20%，所以在A 点装设I 段低阻抗继电器做后备保护时，为躲过系统振荡过程并与相邻元件的后备保护配合，一般均有较长延时，如延时t=3 s。这种情况下，为保证可靠动作，装置的精工电流应小于额定电流的20%。

4 结论

（1）大型自并励发电机在经外部电抗短路时，故障电流变化趋势与外接电抗相关，存在临界电抗；三相短路和两相短路故障电流变化趋势不同，会影响传统的低压过流保护的正确动作。

（2）为保证自并励发电机后备保护可靠动作，只需装设低压记忆过流保护或低压保持过流保护即可保证灵敏动作，无需装设复压（负序电压和低压组合）记忆过流保护；如采用阻抗保护，则精工电流需要小于额定电流的20%。

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