大型发电机绕组过负荷保护和励磁限制配合整定分析

张忠翼+刘明

摘 要：大型发电机组发变组转子和定子绕组过负荷保护与励磁调节器转子、定子绕组过负荷限制正确的动作配合关系应为励磁调节器限制功能先于发变组保护动作，但当前多数机组在进行整定计算时，容易忽略该配合关系，常出现整定错误，一旦发电机组系统出现异常，则发变组保护会先于励磁限制器动作，最终导致机组非停。为了避免因整定方法不合理而给机组运行埋下安全隐患，以某厂机组为分析模型，针对其不同机组、不同型号的发变组保护，调节器限制原理，动作特性进行了详细的计算分析，并提出了相应的解决方案。

关键词：转子过负荷；定子过负荷；强励反时限；发电机

中图分类号：TM303.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.001

文章编号：2095-6835（2015）15-0001-04

针对现代大型发电机组运行时可能发生的转子绕组过流、定子绕组过流等不正常的运行方式，大型发电机组发变组保护装置中均装设有转子、定子绕组过负荷保护。

发电机自动励磁调节装置（以下简称“AVR”）通过调节、限制和切换等方法对励磁系统起到限制和保护作用，主要包括低励磁的限制和保护、励磁过电流的限制和保护、过励磁的限制和保护等。其动作顺序为：先进行限制，使AVR恢复至正常工作状态；当限制器动作后，AVR仍然无法恢复至正常工况时，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（或再经延时将AVR切至50 Hz手动）；如果仍然无法恢复至正常工况，由发电机继电保护作用于停机。

发电机具备短时过载能力，因此，在极端工况下要有效、充分地利用发电机的过载能力。但由于国内的标准不统一、厂家设计理念有差异、整定方案不同等原因，当前国内大部分电厂的发变组保护转子过流、定子过流定值和励磁调节器参数的整定中往往忽略了其之间的配合，造成发变组保护、励磁限制、国标三条反时限曲线错位、动作顺序错误、没有级差。

合理整定励磁系统过励限制和保护定值是关系着机组安全和电力系统稳定的重要问题。美国在1996年和2003年经历了2次大停电，在电网瓦解的最后时刻都有过励保护动作。由此可见，在避免电网瓦解的过程中，需要大量无功的支持，正确的励磁系统过励限制和过励保护可在保证发电机组安全、可靠运行的前提下，最大限度地发挥发电机的作用，从而提高电网的稳定裕度。

2012年，国网公司牵头开展了并网机组网源协调重要参数专项核查和整改工作，目的是对照《大型发电机组变压器继电保护整定计算导则》等技术标准和并网管理规定，对发电机组定子过负荷限制器、定子过负荷保护与发电机定子过负荷能力不匹配，励磁系统过励限制器单元、发电机转子过负荷保护与发电机过励能力不匹配等问题进行了调查、整改。在国网公司编制的网源协调调查表中，只针对转子、定子过负荷和励磁调节器限制曲线上的几个点进行了计算，并不能完整地看到曲线的配合关系和级差情况，也无法进行精确的调整计算。本文以某电厂为例，对相关数据进行了精确计算，绘制了完整的曲线进行分析、调整，以找到合适的参数和方法整定。

1 发电机定子、转子过负荷能力的确定

1.1 发电机转子绕组的过负荷能力

对于汽轮发电机，标准中规定了汽轮发电机转子过电流的反时限特性，发热常数为33.75，这也是发电机厂家给出的转子过电压（实际是过电流）参考曲线，具体如表1所示。

针对其他的过流值所允许的时间，标准中给出了具体的函数：

（If2-1）t=33.75. （1）

式（1）中：If为励磁电流实际值，标幺值；t为励磁电流持续的时间。

表1 发电机转子过电流值和允许时间表

1.2 发电机定子绕组过负荷能力

按照标准，对汽轮发电机定子绕组过电流能力的要求是：容量小于1 200 MVA及以下发电机允许的过电流时间和过电流倍数由以下函数确定：

（I2-1）t=37.5. （2）

式（2）中：I为定子电流实际值，标幺值；t为当前的电流值下所允许的持续时间。

2 案例分析

以某电厂为例，2×600 MW机组发电机型号为QFSN-600-2，为上海汽轮机厂生产，发变组保护采用美国GE生产的G60系列保护装置，励磁调节器采用瑞士ABB公司生产的UNITROL 5000励磁调节系统。

2.1 转子过负荷保护与限制配合分析

2.1.1 发变组的保护原理

发变组保护采用美国GE公司的产品，转子过负荷以IEEE反时限方程为基础，出口方式为减励磁。励磁调节器采用ABB公司UN5000励磁调节装置，采用自己的计算方程，在发生励磁限制动作后不进行通道切换，限制失败延时2 s后进行通道切换，通道切换后限制依然失败后，再延时3 s切换手动方式，计算过程如下（励磁变高压侧CT变比200/1星形接线F35—I和F35—II）：

式（3）中：TMD为时间常数；Ipickup为反时限动作特性的启动电流；A取28.2；B取0.121 7；P取2.

根据《大型发电机组变压器继电保护整定计算导则》中的4.5.2，转子过负荷保护反时限特性的启动电流应按正常运行的额定励磁电流下能可靠返回的条件整定，计算方式如下：

式（4）中：Ie为额定励磁电流；Krel为可靠系数，取1.05；Kr为返回系数，取0.85～0.95，条件允许的情况下应取较大值。励磁变过负荷保护反映的是励磁变高压侧交流电流，应将折算到励磁变高压侧：

式（5）中：CTpri为励磁变高压侧的CT一次额定电流；n为励磁变变比。

以2.08倍为转子过负荷能力的电流倍数，10 s这个点的计算时间常数为TMD，再用1.12倍60 s的点进行校核，计算得到的时间常数是：