发电机变压器组保护与自并励励磁系统的技术配合整定分析

王 宁

（华能国际电力股份有限公司上安电厂，石家庄 050310）

自并励励磁系统是指为发电机端部的静止励磁系统提供整流电源装置的系统。发电机自动励磁调节装置（AVR）通过调节、限制、切换等方法对励磁系统起到限制和保护的作用，主要包括，低励磁限制和保护、过励磁限制和保护、励磁过电流限制和保护等。其动作顺序是，先进行限制，使AVR恢复至正常工作状态；当限制器动作后AVR仍然不能恢复至正常工况工作时，再由AVR的保护延时动作，将AVR由工作通道切换至备用通道或自动切至手动（有时延时将AVR切至50Hz手动）；如仍然不能恢复至正常工况工作，最后由发电机继电保护作用，实现停机［1］。但是，当前多数电厂的发电机变压器组保护在进行整定计算时，容易忽略与AVR的配合，导致一旦励磁系统出现异常，发电机变压器组保护立即动作，导致机组停机。

1 失磁保护与低励磁限制的配合

发电机运行时，由于系统电压升高、运行人员误操作、励磁装置故障等原因，都可能使发电机在低励磁状态下运行，发电机失磁保护就是对这种励磁电流异常下降或完全消失的失磁故障的保护［2］。励磁调节器中低励限制的作用是，当励磁电流下降到限制值时，限制励磁电流下降或增加励磁电流，使机组不越过静稳极限。GB/T 14285－2006《继电保护和安全自动装置技术规程》［3］要求“最低励磁限制的动作应能先于励磁自动切换和失磁保护的动作”。

1.1 理论分析

阻抗型失磁保护是在发电机机端的R－X测量阻抗圆平面上计算的，而励磁调节器的低励限制环节是根据静态稳定极限圆并结合系统的无功功率储备整定的，二者分别属于不同的坐标系，无法直观地校核他们之间的配合关系，为此，必须将两者都归算到同一坐标平面上进行讨论。

对于汽轮发电机，静稳极限圆在P－Q平面上的表达式为

式中：P、Q分别为发电机的有功功率和无功功率；U为发电机机端电压；Xs为发电机与系统的联系电抗；Xd发电机的同步电抗。圆心为［0，U2/2（1/Xs－1/Xd）］，半径为U2/2（1/Xs＋1/Xd），圆内是发电机的稳定运行区域。当发电机运行在圆外时，不能稳定运行，故低励限制单元应限制励磁电流继续减少。

设失磁保护阻抗圆的圆心坐标为（0，X0），半径为R0，圆内为动作区，其方程为

映射至P－Q平面上，静稳圆为

式中：X0＝－（Xd－Xs）/2，R0＝－（Xd＋Xs）/2；静稳圆与Q轴相交于（0，U2/Xs）和（0，－U2/Xs），动作区在圆外。

映射至P－Q平面上，异步圆为

式中：X0＝－（Xd＋0.5X′d）/2，R0＝ －（Xd－0.5X′d）/2，X′d为发电机暂态电抗不饱和值，异步圆与Q轴相交于（0，－U2/Xd）和（0，－U2/2X′d），动作区在圆内。

根据以上式子，可以绘出发电机及AVR在PQ平面上的各特性曲线，见图1，为了便于观察和说明问题，只绘出第4象限部分。

图1 发电机的低励限制和保护配合曲线

发电机进相运行时，当机端测量阻抗到达曲线1时，则判断为低励磁状态，此时发出低励磁信号，AVR闭锁减磁，并自动执行增磁操作，直到低励磁故障消失。如果低励磁限制未作用，发电机继续进相，当达到曲线3时，说明发电机由于失磁已失去同步，失磁保护动作执行解列发电机命令。由此可见，由于励磁调节器有低励磁限制功能，当发电机正常进相运行时，失磁保护不应误动作。

1.2 配合原则

失磁保护根据机端测量阻抗而动作，当发电机失磁后机端测量阻抗必将从等有功圆越过静稳圆，最后进入到异步圆，动作方式为减出力、切换厂用电、解列。低励限制的作用是当励磁电流下降到限制值时限制励磁电流下降或增加励磁电流，使机组在运行时不越过静稳极限。从失磁保护、低励磁限制的原理和动作行为可得到相互配合原则：发电机从失磁到最后失稳或失步，机端测量阻抗和功率都应该先进入低励磁限制区，然后进入低励磁保护区，最后过渡到失磁保护圆（静稳圆或异步圆），在P－Q平面上失磁保护阻抗圆处在低励磁限制线的下方，而且相互之间的裕度充分合理、过渡平稳。

1.3 配合方案

a.根据发电机的进相试验数据得曲线1。

b.根据发电机低励磁限制数据得曲线2。

c.将低励磁限制曲线向下平移一定值，约为发电机额定无功功率的10%左右，即为低励磁保护曲线3。

d.计算以发电机基本阻抗为基准的发电机和系统阻抗标幺值，在P－Q平面上计算以发电机视在功率为基准的发电机静稳圆坐标和半径的标幺值，即为曲线5。

e.考虑10%～20%的静态稳定储备系数、5%～10%的参数误差及一定的可靠系数，静稳圆坐标和半径的标幺值除以1.2～1.5后得到有裕度的静稳圆，即为发电机失磁保护静稳边界圆曲线4。

f.发电机励磁降低后，低励磁限制先于低励磁保护和失磁保护动作，满足了文献［3－5］中的配合要求。

2 转子绕组过电流保护与励磁过电流限制的配合

现代大型发电机组的继电保护装置和AVR中均装设发电机转子绕组过电流保护。发电机变压器组保护装置的转子绕组过电流保护动作后，导致机组停机；AVR有励磁过电流限制和保护2种功能。2套励磁过电流保护动作特性相似，但在整定计算时应考虑相互间的配合［6］。

2.1 配合原则

发电机转子过电流保护在整定计算时，允许发热时间常数Khe.al、反时限过电流保护上限动作值的计算依据是由发电机制造厂提供的允许强行励磁倍数和允许强行励磁时间决定的。制造厂提供的发电机转子允许发热时间常数为Khe.al＝（Kfo.al－1）tal，其中，Kfo.al为允许强行励磁倍数；tal为允许强行励磁时间。

2.2 配合方案

发电机转子过电流保护在整定时，必须与发电机转子绕组允许过电流特性曲线，发电机AVR励磁过电流限制、保护相互配合计算。

a.发电机允许发热时间常数≥发电机转子过电流保护发热时间常数整定值＞AVR励磁过电流保护发热时间常数整定值＞AVR励磁过电流限制发热时间常数整定值。

b.发电机转子过电流保护下限动作电流整定值＞AVR励磁过电流保护下限动作电流整定值＝AVR励磁过电流限制下限动作电流整定值。

c.发电机转子过电流保护上限动作电流整定值＞AVR励磁过电流保护上限动作电流整定值＞AVR励磁过电流限制上限动作电流整定值。

d.发电机转子过电流保护上限动作时间整定值＞AVR励磁过电流保护上限动作时间整定值＞AVR励磁过电流限制上限动作时间整定值。发电机励磁过电流保护与AVR励磁过电流限制整定配合方案如图2所示。

图2 发电机励磁过电流保护与AVR励磁过电流限制配合方案

3 过励磁保护与过励磁限制的配合

发电机过励磁保护应与AVR过励磁限制配合。当发电机过励磁时，AVR的过励磁限制应先于发电机的过励磁保护动作，即AVR的过励磁限制倍数n应小于反时限过励磁保护中设置的最低n值，如发电机反时限过励磁保护的最低n值为1.07，则励磁调节器的限制值n取1.06［7］。发电机允许过励磁特性和发电机、AVR离散型过励磁保护动作特性配合方案如图3所示。

图3 发电机过励磁保护与AVR过励磁限制的配合方案

根据发电机制造厂提供的发电机允许过励磁特性曲线，可得到发电机过励磁保护动作时间和AVR过励磁限制动作时间，见表1。

表1 发电机过励磁保护和AVR离散型过励磁限制各点整定值

4 结束语

作为发电机二次系统中最重要的2个组成部分，发电机变压器组保护与励磁控制系统是紧密关联的，继电保护人员在进行励磁和发电机保护整定时，应充分考虑两者的联系，以确保保护装置的正确运行。文中从发电机失磁保护、转子绕组过电流保护、过励磁保护三方面阐述了与AVR励磁限制、保护的配合整定，希望能够对整定计算人员有所启示。

［1］ 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［2］ 姚子麟.发电机进相运行对失磁保护的影响［J］.浙江电力，1998，17（6）：41－43.

［3］ GB/T 14285－2006，继电保护和安全自动装置技术规程［S］.

［4］ DL/T 650－1998，大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件［S］.

［5］ DL/T 843－2003，大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件［S］.

［6］ 王维俭.电气主设备继电保护与应用［M］，北京：中国电力出版社，1996.

［7］ DL/T 684－1999，大型发电机变压器整定计算导则［S］.