励磁涌流引起发电机功率变送器测量误差的原因分析及改进措施

李 惠徐小川于学伟/.包头第一热电厂.哈尔滨友盛科技有限公司

励磁涌流引起发电机功率变送器测量误差的原因分析及改进措施

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随着电力系统自动化程度的提高，发电厂自动化设备得到广泛应用。发电机功率作为其中的一个重要参数，其可靠性、稳定性不但直接影响自动化设备的运行，而且对发电机组的安全运行也产生着十分重要的影响。本文阐述了关于主变压器投运时产生的励磁涌流及和应涌流对发电机功率测量的影响及改进方法。从而使变送器在发生励磁涌流影响时能更加准确地测量出发电机功率变化。

发电机；励磁涌流；和应涌流；功率变送器

引言

功率变送器作为发电机组的重要测量元件之一，其测量准确性、抗扰动能力及可靠性直接关系到发电机组能否稳定运行。对于大容量机组如600MW以上的发电机组，其DEH系统和DCS系统的负荷调节、控制是根据发电机出口的功率测量值和给定的指令值来进行逻辑判断，从而对水、煤、风、汽的入口量进行调节，最终实现对机组的负荷调节。当发电机出口的有功功率值发生大的非正常的波动时，可直接导致发电机的出力发生大的变化，甚至打闸，DCS系统退出CCS控制模式，AGC、AVC系统退出自动模式等等。

1.励磁涌流形成的原因及危害[2]

变压器励磁涌流是指变压器全电压充电或零起升压时，在其绕组中产生的暂态电流。产生励磁涌流的原因是：变压器投入前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时工作电压产生的磁通方向相同时，其总磁通量远远超过铁芯的饱和磁通量，因此产生较大的涌流，其中最大峰值可达到变压器额定电流的6～8倍。励磁涌流将在差动回路中引起很大的不平衡电流，可能导致保护的误动作。通过对励磁涌流波形的分析，其有以下特点：含有很大的非周期分量，使曲线偏向时间轴的一侧；含有大量的高次谐波，其中二次谐波所占比重最大。励磁涌流的危害性包括：(1)诱发邻近正在运行机组的主变产生和应涌流而误跳闸，造成大面积停电；(2)引起合闸变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运失败；(3)造成系统电压骤升或骤降，影响其它电气设备正常工作；(4)励磁涌流中的非周期分量可能导致测量和保护CT磁路被过度磁化，降低测量精度和继电保护装置的正确动作率。

2010年5月21日，中海福建燃机#3机组(395MW)跳闸，原因是#4主变全电压冲击合闸时致#3发电机功率变送器输出发生畸变。2011年12月24日国华徐州#2机组（1000MW）跳闸，原因是#1机并网瞬间，导致#2发电机功率变送器输出发生畸变。2013年10月21日，大唐吕四电厂#2机组(600MW)协调控制自动退出，原因是东洲变电站（距吕四电厂约40Km）主变空载合闸致#2机功率变送器输出发生畸变[3]。

2．励磁涌流对功率变送器测量的影响

2.1功率变送器测量原理

功率变送器基本都采用时分割乘法器测量原理，时分割乘法器的特点是：测量频率较低，线性度，一般用于测量精度要求较高的场合。功率变送器的工作原理如图（1）所示，可见时分割乘法器在整个变送器测量过程中起到至关重要的作用。时分割乘法器的工作原理是：一个对被测量进行调宽和调幅的工作过程，图（2）是时分割乘法器的工作原理框图，图中运算放大器A和电容C1组成积分器，对R1和R2输入的电流做求和积分，VR+和VR-是两个基准电压，开关S是受比较器控制而同时动作的模拟开关，积分器输出的电压和三角波发生器产生的三角波电压经过比较器比较，当积分器输出电压大于三角波的电压时，开关S接VR+，反之接VR-，乘法器输出的E0得到的幅值为±EY的方波经低通滤波后的直流成分。

图1 功率变送器工作原理框图

图2 时分割乘法器工作原理框图

2.2 涌流引起的测量误差

2.2.1 高次谐波引起的误差。

在基波条件下有h=1,则对第k份分割时有：

则在2π周期内功率的平均值可表示为：

同理可得在相同调制频率F下h次谐波的平均功率为：

其中h为高次谐波次数，Uh、Ih分别为h次谐波时电压、电流的有效值，hφ电压与电流之间的相位角。如果令：

由式（5）可以看出Kh仅与谐波次数和调制频率有关，则式（4）可改写为：

式（6）中Phs为h次谐波功率的理论值，由此可得时分割乘法器在h次谐波时计量误差的表达式为：

则基波中叠加多次谐波时，功率变送器的计量误差为：

2.2.2非周期分量的影响

假定被输入的电压或电流信号为如下形式。

式（9）中I0和τ分别为衰减的非周期直流分量的幅值和时间常数， Ih、φh为h次谐波分量幅值和初相角，ω为基波信号的角频率。

由式（9）可以看出直流分量I0可使电压或电流曲线偏向时间轴的一侧，从而导致功率测量值偏离标准值[1][2]。

3．改进措施

从以上的分析看，发生涌流时产生的谐波功率及非周期分量产生的功率突变并非发电机发出的真实功率，因此传统的模拟乘法器构成的功率变送器在发生励磁涌流或和应涌流时已经无法准确、真实地测量出发电机实际输出的功率值。在这种情况下，采用CPU进行数据处理的数字智能型功率变送器就展示出其强大的优势了。由此我们设计出了一款新的数字智能型功率变送器RGHD-103，其测量原理如图3所示，内置高速A/D转换器及高性能的CPU。变送器对电压或电流每个周波进行高速采样，采用点数为128点，数字滤波方式，去除高次谐波及非周期分量的影响，计算出当前的基波功率值，通过与稳态时的功率测量值对比，CPU可判断出当前系统是否发生涌流现象，并根据该机组DEH的调节特性，采取相应的措施，从而使变送器的输出更加稳定，降低受外界信号突变的干扰影响[4]。

图3 智能型功率变送器测量原理

4．结论

本文通过对励磁涌流产生的条件、励磁涌流的分量组成、时分割乘法器的测量原理及产生涌流时谐波分量、非周期分量对功率变送器测量精度的影响进行分析，得出了发生涌流时机组功率测量不准确的原因，并给出了相应的解决方案。RGHD-103型智能功率变送器响应速度快、工作稳定、抗干扰能力强，既具备常规功率变送器的高精度又能滤除励磁涌流或和应涌流所产生的暂态负荷波动，从而提高了DEH协调系统的的可靠性及稳定性。

[1]罗勇，王奕等. 和应涌流引起发电机差动保护误动原因分析及其改进措施[J]. 广东电力，2011, (4): 42-45.

[2]方刚，高仕斌，林国松，杜晟等. 一种提高消除衰减周期分量响应速度的交流采样数据修正方法[J]. 电力系统继电保护与控制 , 2009, (20):61-64.

[3]陈刚，徐国明等. 基于涌流影响功率变送器引起的机组震荡研究[J]. 电气技术，2015, (10):68-71.

[4]Joseph Yiu，宋岩 译，ARM Corrtecx-M3权威指南[M].北京航空航天大学出版社，2009.7

[5]王永虹，徐炜，郝立平.ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京:航空航天大学出版社,2008.7.

李惠（1976-），女（汉族），本科，工程师，从事电力系统工程及其自动化方面的研究。