自并励励磁空载过电压保护研究

向秋芳，刘喜泉，封孝松，陈　俊

（1.海南核电有限公司，海南 昌江 572733；2.溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657300；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

自并励励磁空载过电压保护研究

向秋芳1，刘喜泉2，封孝松2，陈俊3

（1.海南核电有限公司，海南 昌江 572733；2.溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657300；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

摘要：自并励励磁系统误强励使发电机电压和转子电流形成正反馈关系，当发电机过电压保护按照1．3�g、0．3 s～0．5 s设定时，实际发电机跳闸时，定子电压和转子电流已上升至更高值，此时，跳闸灭磁时常出现灭磁失败甚至烧毁磁场断路器。为此，本文提出在大型发电机继电保护中增设发电机空载过电压保护，可有效防止因励磁系统误强励导致励磁、发电机等设备损坏。

关键词：自并励励磁；误强励；空载过电压保护

0　引言

随着自并励励磁系统的广泛应用，一种被称为“励磁空载误强励”的故障类型越来越受到关注:励磁系统在发电机空载运行时失控，晶闸管控制角变为最小，励磁整流柜输出最大电压，发电机转子电压误强励，转子电流和发电机电压持续上升，最终，引起发电机定子过电压或者过励磁保护动作。

自并励励磁系统空载误强励失控，发电机定子电压和转子电流成正反馈状态，电压上升引起电流上升，电流上升又使得电压上升。当发电机定子电压上升到空载特性饱和区域时，转子电流和转子磁能大幅增加，此时，发电机过电压或过励磁保护动作跳闸，灭磁开关将面临着分断转子最大电流和灭磁电阻吸收转子最大磁能最危险工况。尽管灭磁设计考虑了这种最危险工况，但是，大型发电机组的灭磁参数太大，设备的安全冗余度往往不高，稍有差错便会灭磁失败，造成磁场断路器和灭磁电阻烧毁的严重事故。

为了防止励磁空载误强励及其灭磁失败后果，大型发电机励磁系统采取一些容错技术[1]，如封脉冲的交流灭磁技术应用[2]，工程应用中加大灭磁电阻容量，提高磁场断路器弧压，大型水电机组励磁系统甚至采用交流和直流双磁场断路器冗余灭磁方案[3]等。尽管这些技术措施减少了励磁空载误强励的发生，但是无法彻底杜绝。于是，各种减少励磁空载误强励灭磁失败的技术措施开始提出，比如利用“截流”后的误强励转子电流提前启动继电保护[4]、增设专用过励磁保护（V/Hz或过电压）[5]、降低发电机过电压保护启动值和延时时间以及增设专用于防止空载误强励的过电压保护[6]）等。这些措施可归纳为一点，即增设发电机空载过电压保护。

1　自并励励磁空载过电压特点与保护现状

自并励励磁系统，是指晶闸管整流器的交流输入电源来自发电机本身。同步发电机定子电压g经励磁变压器降压为2，励磁调节器在AVR（定子电压闭环）控制方式下，输出控制角，使晶闸管整流器将2变为可调直流电源z，经磁场断路器接入发电机转子回路，形成转子电流f，其原理接线如图1所示。

图1　自并励励磁系统原理图

自并励励磁系统误强励形成正反馈，很快使发电机空载特性曲线进入饱和区域，此时，发电机电压g上升慢，但空载转子电流f0上升很快。例如某700MW大型水轮发电机空载特性曲线如图2所示，其空载特性主要数据如表1所示。

图2　某大型发电机空载特性曲线

表1　某大型发电机空载特性主要数据

对于大型水轮机自并励空载误强励过电压来说，尽管发电机过电压保护整定值为1.3倍，0.3 s。但当发电机电压上升到1.3倍准备跳闸时，需继电保护延时0.3 s，再加上磁场断路器动作时间0.1 s左右，在实际跳闸时，发电机电压已经增到了1.4倍，励磁电流则超过其额定值2倍。某600MW汽轮发电机组自并励空载误强励灭磁仿真数据[6]如表2所示，尽管发电机过电压保护设定为1.3倍0.5 s动作，但是发电机过电压保护动作时，其实际电压达到了1.45倍，转子电流达到了6706A、转子磁能2.33MJ、灭磁时间，接近灭磁设备的极限能力。

可见，自并励励磁空载误强励转子电流增加过快，灭磁装置负担大，时常发生灭磁失败并烧毁灭磁开关的严重设备事故。在现行继电保护规程[7]及应用中，如果不考虑励磁空载误强励过电压因素，现有整定值是合理的，但对于自并励励磁引起空载误强励产生定子过电压考虑不足。

U gset T Dset I fmax U gmax T Drel /pu /s /A /pu E /MJ /s 1.3 　0.5 　6706 　1.45 　2.33 　5.13 1.3 　0.3 　5582 　1.39 　1.87 　4.81 1.2 　0.5 　5414 　1.39 　1.81 　4.76 1.2 　0.3 　4236 　1.33 　1.37 　4.39

2　自并励空载误强励灭磁失败原因

自并励励磁系统跳闸灭磁，首先利用跨接器或开关或二极管将灭磁电阻并入转子两端，然后跳开磁场断路器，利用磁场断路器分断瞬间产生的电弧电压，迫使转子电流向灭磁电阻放电，最终由灭磁电阻来消耗转子磁能即灭磁。这种迫使转子电流由磁场断路器转向灭磁电阻的过程称为“换流”，这种灭磁方式称为“放电灭磁”，此时，磁场断路器仅是一个分断设备，而不是一个耗能设备，故不能称为传统意义上的灭磁开关。如果磁场断路器换流不成功，就会在灭磁过程既要分断转子电流，又要消耗转子磁能，肯定会烧毁。

采用氧化性非线性电阻的典型放电灭磁主回路如图3所示。正常运行时，磁场断路器FCB闭合，整流器SCR输出电压z励磁发电机转子L.R。由于二极管V的隔离作用，氧化性灭磁电阻f没有电流流过。

图3　氧化性灭磁电阻灭磁主回路

当放电灭磁时，跳开FCB必定会产生电弧，这是由于转子回路L.R电感作用。又由于f的非线性特性，只有当外加电压大于m时才会有电流，即m相当于f的一个门槛电压。由此可见，只有FCB的分断电弧电压k与整流器输出电压z代数和大于m，f才会流入f，灭磁换流才会成功，即放电灭磁换流公式（1）为：

自并励误强励灭磁失败大部分原因是不满足放电灭磁换流公式。下面以某个自并励励磁系统为例进行说明，假设

。当励磁误强励造成不同的空载过电压倍数时，灭磁换流结果如表3所示。其结果表明，在磁场断路器弧压和灭磁电压固定不变的情况下，励磁误强励产生过电压倍数的大小，决定了放电灭磁换流成功与否。也就是说励磁误强励灭磁换流不成功是因为发电机空载过电压倍数太高。降低发电机空载过电压倍数，也就防止了励磁误强励灭磁失败，从而保护了励磁设备安全。

表3　励磁误强励时灭磁换流情况

事实上，除了氧化性电阻灭磁电压固定不变外，碳化硅和线性电阻的灭磁电压是变化的，磁场断路器弧压也是变化的。为此，励磁标准规定放电灭磁换流公式[7]：

3　发电机空载过电压保护实现与应用

当自并励励磁系统空载误强励，发电机电压和转子电流成正反馈状态，并很快进入发电机空载特性饱和区。此时，发电机定子过电压保护延时动作，发电机定子电压已升至1.4～1.5倍额定值，转子电流将增至2倍额定值以上，这样不但增加了磁场断路器不合理负担，而且也影响到发电机本体安全。事实表明，由于在发电机极度过电压事故条件下,本应立即切除故障灭磁,却因过电压保护动作延时,从而有可能导致事故进一步扩大化。

如果通过降低发电机过电压整定值来达到在发电机空载过电压时快速跳闸灭磁，考虑到大型发电机端电压和电力系统的影响，其整定值下降空间并不大，通过长期运行经验表明，现发电机过电压整定值是合适和安全的。鉴于此，为保证发电机空载过电压时能快速跳闸灭磁，对发电机空载过电压保护提出两种优化方法。

方法一：发电机过电压保护的电压设一段动作值（同原来不变），动作延时设二段（增加短延时段），通过发电机出口断路器位置判据控制，动作逻辑如图4所示。考虑到过电压保护的可靠性，建议空载过电压动作延时整定为0.1～0.15 s。

图4　发电机过电压保护动作逻辑图（方法一）

方法二：发电机过电压保护的电压和动作延时均设二段，通过发电机并网信号位置判据控制，动作逻辑如图5所示。考虑励磁技术规程规定：发电机零起升压的超调量不能大于10%，发电机甩额定无功负荷时机端电压应不大于甩前电压的1.15倍等诸多因素，建议空载过电压保护动作整定值取1.2倍额定值，延时0.2 s，待满足条件时，发电机励磁逆变或跳闸，而在发电机负载状态时，闭锁该功能。且该方法已在溪洛渡电站成功应用，并取得了良好运行效果。

图5　发电机过电压保护动作逻辑图（方案二）

4　结语

为了解决空载误强励下灭磁困难等难题，借助发电机并网信号位置（辅助接点）判据实现发电机空载过电压保护在技术上是可行的，且已在溪洛渡电站成功应用，也是最经济的技术措施。

参考资料：

[1]许其品，朱晓东，刘国华.大型发电机励磁系统的设计[J].水电厂自动化，2009，11（4）.

[2]邹先明，陈小明.交流电压灭磁的现场试验与应用[J].大电机技术，2003（1）.

[3]陈小明，胡先洪.励磁系统交直流灭磁原理分析[J].水电厂自动化，2006（9）.

[4]李基成.大型水轮发电机组励磁系统设计新理念[J].水电厂自动化，2007（2）.

[5]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].2 版.北京：中国电力出版社，2010.

[6]吴跨宇，周平，高春如，等.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（1）.

[7]DL/T 684-2012大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].

[8]DL/T 294.1-2011发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件[S].

中图分类号：TM77

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）06-0011-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.004

收稿日期：2015-04-24

作者简介：向秋芳（1982-），女，工程师，从事电厂电仪设备采购管理工作。