空载误强励灭磁计算与发电机过电压保护动作时间的整定

邸海燕，陈灵峰

（1. 浙江衢州学院机电工程系，浙江省衢州市 324000；2.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江省桐柏市 317200）

空载误强励灭磁计算与发电机过电压保护动作时间的整定

邸海燕1，陈灵峰2

（1. 浙江衢州学院机电工程系，浙江省衢州市 324000；2.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江省桐柏市 317200）

本文以某电厂为例，以发电机过电压保护的动作时间为基准，对其误强励灭磁时的相关电气量进行工程上的简化计算，并与该电厂灭磁开关的技术参数进行比对分析，从而对该电厂发电机过电压保护的动作时间的整定提出修改意见。

空载误强励；灭磁；过电压保护；动作时间

0 引言

按照ANSI/IEEE C37.18标准，励磁系统灭磁开关（即直流磁场断路器）的额定分断能力应按照发电机机端三相短路的灭磁工况进行计算选择。然而根据分析计算表明，空载误强励情况下的灭磁，对灭磁开关的性能有更高的要求。这是因为目前发电机继电保护的配置方式未能对励磁系统误强励进行有效的保护，只能靠发电机过电压保护或励磁变压器得相关保护来动作跳闸灭磁，但它们都不是专门针对励磁系统误强励而设置的保护。

对于误强励，发电机过电压保护的整定值过高，且延时动作。保护启动时，转子电流已较大，转子达到一定的饱和深度，其时间常数也较小，在保护延时出口跳闸灭磁期间，转子电流大幅增加，使误强励灭磁开始时的转子电流及发电机端电压均高于发电机的其他灭磁工况。

本文以某电厂为例，根据发电机过电压保护的延时整定值，对空载误强励工况下的相关参数进行计算。

1 原始参数

1.1 发电机参数

发电机参数如表1所示。

表1 发电机参数

1.2 发电机过电压保护定值

动作电压：1.3倍额定机端电压

动作时间：0.5s

1.3 励磁系统参数

励磁变压器：1530kVA，18/0.55kV，Uk=6%。

碳化硅灭磁电阻非线性系数：β=0.4

1.4 发电机空载特性

发电机空载特性如图1所示。

图1 发电机空载特性

2 计算发电机空载运行时的转子电感及发电机端电压

由发电机空载特性求取特性上各点的βi，按式（1）求出各点对应的时间常数：

计算结果如表2、表3所示。相关的关系图如图2、图3所示。

图2 转子电流与时间常数关系图

图3 转子电流与机端电压关系图

表2 发电机直轴瞬变开路时间常数T′d0i随转子电流的变化

表3 发电机端电压随转子电流的变化

3 计算误强励灭磁开始时的转子电流及励磁功率整流器的输出电压

该电厂的发电机过电压保护定值为1.3倍额定机端电压，延时0.5s出口跳闸。当发生误强励时，在发电机端电压达1.3倍额定机端电压后过电压保护延时0.5s动作跳开灭磁开关。考虑保护装置动作时间及灭磁开关的分闸时间，灭磁开关主触头将在机端电压达到1.3倍额定电压后的0.6s开始分闸，此时的转子电流为误强励灭磁开始时的转子电流If（0）。If（0）可采用下式按分段计算法计算：

式中：If（i-1）——t（i-1）时刻的转子电流；

Ifc（i-1）——t（i-1）时刻的转子电压下转子的稳

态电流（也就是顶值电流）；

Ti-1——If（i-1）时发电机的转子时间常数（定子开路时），可由If（i-1）及发电机空载特性按式（1）计算或以表2按线性插值计算；

Δti——i计算时段的时间长度，Δti=ti-t（i-1）。计算时忽略整流回路的换流压降。

（1）由发电机空载特性，查的发电机端电压达1.3倍额定电压时（t=0-），转子电流为2150A。

（2）t1=0.1s时（第1时段，i=1）的转子电流计算。对第1时段，i=1，可有：

式中：If（0-）=2150A；根据表2，采用线性插值法可求得T1=1.795s；Δt1=0.1s，以下各计算时段同。

另外：

式中：1.35为整流器的电压整流系数。对于第1时段，U2（i-1）为发电机达1.3倍额定电压时（t=0）励磁变压器的二次侧电压U2（0），U2（0）=1.3U2N。则：

计算按误强励时晶闸管的控制角为0考虑。

于是：

（3）t2=0.2s时（第2时段，i=2）的转子电流计算。

根据If(1)=2455A，按表2和线性插值法算得T2=1.4415s。

当If(1)=2455A时，根据表3，用线性插值法可计算出对应的机端电压是额定值的1.335倍，那么：

那么：

（4）t3=0.3s时（第3时段，i=3）的转子电流计算。

根据If(2)=2826A，按表2和线性插值法算得T3=1.027s。

当If(2)=2826A时，根据表3，用线性插值法可计算出对应的机端电压是额定值的1.37倍，那么：

那么：

（5）t4=0.4s时（第4时段，i=4）的转子电流计算。

根据If(3)=3324A，按表2和线性插值法算得T4=0.85s。

当If(3)=3324A时，根据表3，用线性插值法可计算出对应的机端电压是额定值的1.40倍，那么：

那么：

（6）t5=0.5s时（第5时段，i=5）的转子电流计算。

根据If(4)=3885A，按表2和线性插值法算得T5=0.84s。

当If(4)=3885A时，根据表3，用线性插值法可计算出对应的机端电压是额定值的1.43倍，那么：

那么：

（7）t6=0.6s时（第6时段，i=6）的转子电流计算。

根据If(5)=4410A，按表2和线性插值法算得T5=0.84s。

当If(5)=4410A时，根据表3，用线性插值法可计算出对应的机端电压是额定值的1.48倍，那么：

那么：

（8）t6=0.6s时（第6时段，i=6）励磁功率整流器的输出电压。当转子电流为4909A时，机端电压是额定值的1.48倍，第6计算时段末（t6时刻）励磁功率整流器的输出电压由下式计算得：

故误强励灭磁开始时的转子电流为4909A，励磁功率整流器的输出电压为1098.9V。

4 灭磁开关主触头额定最大分断电压的选择

灭磁开关额定分断能力由式（2）进行计算：

在初选时，可先设定误强励灭磁时灭磁电阻的最高电压，通常不低于1000V。再由前文计算出的误强励灭磁开始时的转子电流及励磁功率整流器的输出电压（平均值）计算出灭磁开关主触头额定最大分断电压。

5 碳化硅非线性电阻

该电厂碳化硅非线性电阻的伏安特性如图4所示。

图4 某电厂碳化硅非线性电阻伏安特性

由图4可得：该型号的碳化硅的位形系数C=33.47～43，取平均值38.235；β=0.4。它的特性为：

（1）当该厂发电机过电压保护的动作时间整定为0.5s时，误强励灭磁开始时（0.6s）的电流为4909A时，可以通过上式计算得到此时灭磁电阻上的电压：

根据式（2）可得此转子电流下灭磁开关的分断电压为：

此时的灭磁开关需要分断的电压高于该电厂灭磁开关（CEX71 2000 3.2）技术说明书中规定的最大分断电压2100V。

（2）若该厂发电机过电压保护的动作时间整定为0.3s，误强励灭磁开始时（0.4s）的电流根据前文的计算为3885A时，通过线性插值法可知，其对应的机端电压为1.43倍的额定机端电压。同法，可得到3885A电流时灭磁开关的分断电压：

该分断电压与该电厂灭磁开关允许的最大分断电压为（2100V）基本一致。

6 发电机变压器组继电保护整定导则的规定

《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》（DL/T 684—2012）中的4.8.4规定：对于采用可控硅励磁的水轮发电机，发电机定子过电压保护的动作时限取0.3s，动作于解列灭磁。

7 结束语

本文对误强励后开始灭磁时灭磁开关分断电压的简化计算，可以发现，该厂发电机定子过电压保护整定值（1.3倍额定，0.5s）中的动作时限整定的不合适。当延时0.5s后动作跳闸灭磁，此时转子电流相对较大4909A，转子饱和较深，灭磁开关所需分断的电压也就较大（2243.9V），已经超过了此型号灭磁开关的规定最大分断电压（2100V）。而当延时取DL/T 684—2012中规定的0.3s时，转子电流为3885A，灭磁开关所需分断的电压为2104V，与灭磁开关允许的最大分断电压基本一致。

因此建议，将该厂发电机定子过电压保护的延时整定值改为0.3s。这样，既能快速切除故障，缩短灭磁时间，减轻灭磁电阻的负担，减小定、转子受到的危害，也能改善灭磁开关的工作环境，延长寿命。

[1]梁建行.发电机灭磁系统的分析与计算.北京：中国电力出版社，2009.

[2]吴跨宇，等.基于空载误强励灭磁对发电机过电压保护整定的研究.电力系统保护与控制，2011.

邸海燕（1979—），女，工程硕士，副教授，主要从事机电控制教学工作。

陈灵峰（1978—），男，本科，高级工程师，主要从事继电保护和励磁系统的检修维护工作。

The Calculation of No-load Faulty Forced Excitation and the Action Time Setting of Generator Overvoltage Protection

DI Haiyan1，CHEN Lingfeng2
（1.Department of mechanical and electrical engineering，Quzhou University，Quzhou 324000，China;2. Tongbai Pumped Storage Power Co.， Ltd.， State Grid Xinyuan Company， Tongbai 317200，China)

According to the pickup time of the overvoltage protection of one certain plant，this paper simplified calculates some related electrical variables on no-load fault forcing excitation condition and compares these variables with the parameters of the de-excitation circuit breaker of the plant.According to the result of the analysis， this paper puts forward to modify the setting value of the pickup time of the overvoltage protection of this plant.

no-load fault forcing excitation；de-excitation；overvoltage protection；pickup time