励磁系统误强励工况下发电机保护逻辑优化

卢嘉华，陈新琪，王珍女，吴跨宇，杨涛

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2.浙江省浙能技术研究院，杭州311121；2.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海200063）

励磁系统误强励工况下发电机保护逻辑优化

卢嘉华1，陈新琪2，王珍女3，吴跨宇1，杨涛1

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2.浙江省浙能技术研究院，杭州311121；2.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海200063）

分析了现有发变组保护在励磁系统负载误强励典型事故时的动作行为，提出了保护逻辑优化设计方案。该方案充分利用现有保护装置与励磁系统之间的故障信息，优化设计了误强励相关判据，并调整了现有保护动作行为。采用该方案可避免发电机在负载误强励状态下先行解列而引发电压飞升现象，有效缓解误强励等严重事故的危害程度，降低了大容量发电机励磁系统特别是磁场断路器在负载误强励等极端工况下的灭磁风险。相关研究表明，采用静止励磁系统的大容量机组继电保护装置如能在机组发生负载误强励事故时先行灭磁，可以有效降低对磁场断路器的弧压要求，提高事故灭磁的可能性。

误强励；磁场断路器；发变组保护；逻辑优化；动作行为

0 引言

近年来，随着制造业技术水平的不断提高和电网的日益发展壮大，大型发电机组所占比重越来越高，机组容量的增大使得部分关键一次设备的过载能力及安全裕度有所下降。例如目前国家标准对发电机励磁系统强励倍数的要求是：汽轮机一般为1.8倍、水轮发电机组一般为2.0倍，且静止励磁系统需按照80%机端电压核算[1，2]。上述要求给大容量静止励磁系统的灭磁设计带来了一定难度，尤其是在励磁系统因内部调节器故障出现误强励且基本控制功能失去的严重工况下，理论上的最大强励电流将达到3～5倍额定励磁电流，对应的空载机端电压达到1.4～1.5倍，大大超过了机组的设计允许运行范围[3-5]。因此如何提高各类事故下紧急灭磁的可靠性已经成为近年来业界关注较多的热点问题[6-11]。其中，文献[6]希望通过降低过电压保护定值实现，文献[7-9]希望通过改变灭磁方式实现，文献[10]则希望通过增加保护判据来实现。上述研究成果在提高事故灭磁可靠性的同时也存在一定的局限性：降低保护定值在某些情况下限制了发电机的短时过载能力；改变灭磁方式需要对现有励磁系统一次回路作较大改动，且采用交流侧灭磁时的速度较慢；合理控制励磁系统灭磁动作行为，则需要励磁调节器在机组解列后能够正常运行，不适用于励磁系统发生内部严重故障情况下的事故灭磁。

从理论上讲，励磁系统误强励时励磁系统自身处于严重失控的正反馈状态，必须依靠励磁控制装置内部设计的故障检测功能将其迅速甄别出来并加以抑制，否则会引发严重的转子过流和定子过压，直至相关电气量过流或过压（过激磁）保护动作，因此在励磁系统保护控制逻辑中合理设定误强励识别判据十分重要。此外，在并网条件下，由于发电机组励磁系统故障跳闸目前大多通过发变组保护装置的非电量保护统一出口，因此负载误强励的严重程度不仅与励磁系统内部故障检测能力有关，而且与励磁故障跳闸信号发出后发变组保护装置的控制逻辑和动作行为有关。

1 案例分析

1.1 事故概况

以下为国内某电厂600 MW火电机组在并网带70%负荷工况下的一次励磁系统事故记录：在并网工况下，机组励磁系统PSS（电力系统稳定器）试验过程中控制软件受干扰后程序混乱，励磁系统失控引起误强励，励磁电流达到并短时超过3倍额定转子电流，之后在保护动作停机过程中磁场断路器未能有效分断、灭磁失败造成事故扩大。该起事故造成全套励磁系统的设备损坏并危及现场试验人员及发变组等重要一次设备的安全。

按照国家相关标准规定，励磁系统应能够在最严重工况下情况（负载误强励+跳出口断路器）下实现可靠灭磁，但这一要求在机组容量不断增大的背景下给静止励磁系统的灭磁装置提出了更高要求，特别是磁场断路器的开断能力需经受巨大考验。

图1为该机组负载误强励最后时刻保护动作时的故障录波数据。在这次负载误强励事故中，励磁系统故障联跳信号（非电量保护）首先发信，发变组保护未经延时立即作用于解列灭磁，后在灭磁过程中因灭磁开关不能及时熄弧造成事故进一步扩大，引发励磁变压器（以下简称励磁变）过流保护动作。

图1 某电厂600 MW火电机组负载误强励故障录波

1.2 事故原因分析

由图1可知：由于之前误强励工况已持续一段时间，在自并励励磁系统整流桥失控所引起的电压正反馈作用下，保护动作时机端电压已达到1.238 pu，励磁电流上升至3.13 pu，因此根据碳化硅伏安特性曲线推算，灭磁电阻接入所需残压相比设计值（在2.0 pu额定励磁电流工况下获得）至少提高100 V以上。而且在保护动作跳发电机出口断路器的瞬间，机端电压较解列前又升高约0.2 pu，达到1.51 pu，导致励磁变低压侧电压同步上升，在晶闸管全开放工况时其输出最大理论峰值电压达到额定励磁电压的4.7倍左右。此时的励磁电压已达到标准中的最严重工况（文献[12]中第6.8.4条对灭磁系统电压能力的要求：在最严重的状态下灭磁时，任何情况下灭磁时发电机转子过电压不应超过转子出厂工频耐压试验电压幅值的60%，应低于转子过电压保护动作电压）。

由于事故灭磁时磁场断路器能够正常熄弧的前提条件是分断时刻的开关弧压必须大于整流桥输出电压与灭磁电阻残压之和[13，14]。

式中：UMK为磁场断路器开断弧压，是灭磁系统的重要参数，与断路器设计结构与制造工艺有关；ULP为整流装置输出电压，强励时主要受阳极电压影响；UR为灭磁电阻残压，幅值等于灭磁电阻伏安特性曲线上与分断时刻的励磁电流相对应的电压值。

此次事故中励磁调节器失去电压调节能力，灭磁时出现了高电压、大电流同时存在的极端工况，从而导致磁场断路器的弧压无法建立，并因灭磁失败引发励磁变低压侧短路事故。

此外，通过DCS（分散控制系统）数据记录分析整个事故发展过程可以发现，励磁电流从事件初期的2 774 A发展到13 000 A共持续了约4.2 s，直至励磁系统发出故障跳闸信号启动发变组保护动作出口，误强励期间未有任何发变组保护发信。上述情况表明，如果没有该故障跳闸信号发出，仅依靠发变组内部的过负荷类保护，则理论上整个误强励事件持续时间会更长，后果将更为严重。

因此灭磁过程中磁场断路器未能有效分断的原因除了与其设计弧压开断能力不足有关，也缘于励磁内部故障检测功能不够完善、故障信号发送不及时，并且机组与系统解列导致的机端电压持续升高更进一步增加了磁场断路器动作失败的几率。

2 现行发电机保护行为分析

误强励对励磁系统的灭磁能力提出了非常高的要求，如不能可靠灭磁将会引发更为严重的连锁事故。由于磁场断路器选型范围极为有限，因此采用静止励磁系统的大容量发电机组有必要从提高灭磁可靠性的角度对当前发变组保护的动作行为进行优化，避免在励磁系统发生负载误强励事故跳闸时机组工况进一步恶化。

根据现行标准，发电机保护动作行为具体如表1所示[15]。其中，程序跳闸主要用于原动机故障和定子绕组过负荷保护反时限部分等非短路性故障。程序跳闸动作时首先关闭主汽门或导水叶，随后通过程控逆功率保护动作于解列灭磁，这种跳闸方式优先保证了机组不会因主汽门关闭不严发生发电机转子飞车等灾难性事故。励磁系统灭磁在上述保护动作行为中未单独设立相应的程序控制方式，而是与解列设计在一起，即断开发电机断路器和灭磁一并执行，基本上是同时出口。

目前，出现负载误强励故障时的发变组保护动作行为一般设计为解列灭磁或停机[16]（后者在解列灭磁时还同时执行关主汽门、厂用电快切、启动失灵等其他动作）。但在励磁系统失控并且处于强励工况下解列，将引发解列后的机端电压飞升和过激磁现象，对一次设备的安全不利。为此，可在励磁系统发生误强励时不动作于解列灭磁或停机，而采用新的程序跳闸方式，该程序跳闸方式可以在并网工况下先行灭磁（即将机组解列时间延后，此时机端电压受系统电网牵制），切断故障源头；待灭磁效果显现、励磁电流及机端电压下降到安全允许范围内之后再进行解列操作。理论上新的程序跳闸方式可以有效降低对磁场断路器的弧压要求，提高事故灭磁可靠性，这对采用静止励磁系统的大型发电机组尤为重要。

表1 主要发电机保护动作行为类型

3 保护逻辑优化方案

保护逻辑优化方案的设计思路是在负载误强励工况下若发电机及励磁系统未发生短路故障，则应充分利用机组的短时过负荷能力和并网潮流输送能力，在励磁系统故障跳闸时采用新的程跳逻辑：先行灭磁，以降低发电机转子电流和机端电压水平，改变原有解列灭磁同时进行的保护动作行为，避免在误强励情况下先行解列所造成的机组工况加剧恶化。新增的程跳误强励保护逻辑如图2所示，具体实施方案如下：

（1）在现有发变组保护逻辑中增加误强励启动判据，据此可判断机组励磁系统是否处于电压超高的异常工况且此时发电机未发生其他短路性故障。

发电机并网状态下误强励判据的具体逻辑描述为：判据a，未存在任何发变组短路故障保护启动发信；判据b，发电机机端电压超过正常运行范围（大于1.05 pu，具体定值可与励磁调节器内部V/Hz限制启动定值保持一致），且零序及负序电压无异常；判据c，励磁系统故障跳闸信号发信。

上述判据实际上是一个由开关量与模拟量组成的混合型逻辑判据。开关量判据由励磁系统故障跳闸信号和发变组保护内部电气量保护信号组成，表明当前确存在无法挽回的励磁故障且并未发生任何发变组内部短路性故障；模拟量判据主要辨别机端电压水平是否超出非正常运行范围。

（2）根据保护跳闸阵列设计新的程跳误强励保护动作行为。

若3个判据同时满足，则现有保护动作行为由解列灭磁（或全停）改为先灭磁，在机端电压恢复至安全范围内（小于1.10 pu）或在磁场断路器分位位置信号动作后延时解列；若判据a、判据b两个判据中任一不具备，则当判据c出现时维持原有解列灭磁（或全停）动作行为不变。

（3）在硬件上对二次回路进行改造。

在实施优化方案时，发电机出口断路器至励磁系统及调速系统的并网信号均需经发变组保护装置内部继电器重动，在误强励保护逻辑启动后需将并网信号节点断开（此时励磁系统及调速系统均会认为机组已脱网），以确保误强励指令出口时励磁系统和调速系统均可以自行执行相应的灭磁及甩负荷逻辑。

4 仿真计算校核

为验证上述优化方案效果，采用PSASP电力系统综合稳定仿真计算软件用户自定义模型进行理论分析。一次接线采用单机无穷大方式（系统容量为10 GW），发电机变压器组采用GE 9F型390 MW机组参数，AVR（电压自动调节器）模型采用GE EX2100励磁模型。仿真内容为在机组带额定负荷下第1 s发生误强励，0.7 s后达到发电机过电压保护动作值（1.3 pu），之后延时0.3 s同时进行灭磁和关主汽门操作；发电机解列时延则是通过改变发电机出口断路器分断与灭磁之间的时间间隔来调整。

图3为通过PSASP软件获得的仿真计算结果。曲线1为误强励工况下解列灭磁在同一时刻进行的定子电压数据。因发电机突然甩负荷，解列后电压瞬时升高0.121 pu，与前文所述案例基本一致；曲线2为解列时间延时0.5 s所获电压数据，因灭磁及关主汽门时间相对提前，机端电压单调下降，解列时较峰值电压有明显下降，最大降幅接近50%；曲线3的解列时间较灭磁时间提前0.05 s，该方案模拟了现场励磁系统外部跳闸继电器重动及磁场断路器存在一定动作时延的情况，因此解列后受甩负荷和励磁系统强励双重影响定子电压继续上升0.2 pu后才掉头向下，这种情况对发电机最为不利；曲线4所获机端电压数据表明，在将解列时间延时缩短至0.1 s后，定子电压在整个灭磁期间虽有反复，但均未超出灭磁初期的电压值，因此该动作方案既满足了保护动作初期对保护动作行为的选择性要求，又满足了对整个程控保护动作过程的快速性要求，总体上相对最优。

图2 程跳误强励保护逻辑

图3 负载误强励工况不同解列时延与电压上升幅值比较

不同解列时延在灭磁期间的机端电压变化情况如表2所示。

表2 不同解列时延发电机定子电压数据统计

相关仿真数据的分析表明：发电机解列与灭磁动作时序如能合理配合，对于负载误强励工况下保护动作时的发电机定子电压飞升现象会有一定的抑制作用；反之，则将可能在解列后引起电压持续攀升，导致机组运行工况的进一步恶化，从而导致励磁系统无法实现可靠灭磁。初步推算，在极端情况下保护动作时如能改为在灭磁时延时0.1 s进行解列操作，其作用等效于在空载误强励过程中将过电压保护定值由1.3 s改为1.17 s，可以有效提高事故灭磁的可靠性（具体计算略）。

此外，还利用国产DDRTS数模仿真装置及EXC9000型励磁调节器对上述计算进行了数模仿真验证工作，也得到了类似结论。

5 优化方案的特点及控制难点

大型静止励磁发电机灭磁系统在负载误强励工况下可靠性下降，易发生磁场断路器分断失败和灭磁电阻无法有效接入现象，此时如发生转子开路并引发转子侧过电压事故，将严重影响机组和人身安全。据某大型水电机组相关资料显示，过电压幅度最高可达几万伏左右。

新的负载误强励保护动作逻辑优化方案具有以下几个特点：

（1）误强励判据由开关量与模拟量判据组成，且通过现有励磁系统故障跳闸信号作为总的信号入口，能够有效辨识误强励工况，因此启动逻辑严密，发生误动的风险极小。

（2）先行灭磁后设计有机端电压回落至安全范围内及磁场断路器分位信号双重判据延时启动解列，整个保护动作过程出现程序异常中断的概率较低。

（3）励磁系统及调速器并网信号经发变组保护重动并在程跳误强励逻辑启动后自动复归，因此励磁系统封脉冲灭磁及DEH（数字电液控制系统）调门预调等安全控制辅助功能不受并网信号影响。

（4）现有发变组保护中任一短路性保护发信事件均会闭锁或终止该逻辑，新增逻辑对现有发变组保护功能的实现基本无影响。

上述发变组保护逻辑优化方案理论上可有效避免机组工况由负载误强励直接演变为空载误强励，降低大型发电机组发生严重励磁失控故障时的灭磁难度和过电压危害程度。不过需要指出的是，在并网条件下先行灭磁也存在以下控制难点：

（1）灭磁能容量有所增加。根据闭合回路磁链守恒定律，由于定子电流未同时切断，转子电流在灭磁前期不会突然衰减，因此先行灭磁成功后如定子电流下降较慢，在灭磁电阻上消耗的能容量可能会较原设计值有所增加。

为此，在程跳误强励磁保护动作行为设计时甩负荷指令应与灭磁指令同时出口，以便快速降低定子电流，以保证灭磁电阻吸收的能容量增加幅度基本可控。另外，事先制定相关运行操作事故预案，一旦出现磁场断路器动作后位置信号无法及时发信等极端情况，可以及时进行人工解列操作。在制定优化方案时最好对现有灭磁系统能容量设计计算书重新进行校核，当灭磁系统设计能容量不足时应适当增加灭磁电阻配置数量。

（2）对厂用母线电压的影响。发电机出口断路器延时解列后，当发生灭磁失败及电压下降缓慢等极端情况时，需要依靠发变组过激磁、发电机过电压保护及程跳逆功率保护来实现发电机解列。在此期间，由于误强励时机端电压超过正常范围，厂用母线电压始终处于偏高状态，对厂用负荷的运行安全不利。

为此，在进行程跳误强励保护逻辑优化时应根据厂用重要负荷特别是变频器的安全电压运行区间合理整定厂用电快切启动时延，并能与误强励逻辑中的设计解列时延相配合,一旦未及时解列则应迅速启动厂用电快切（理论上快切指令最好能与灭磁指令同时出口），确保厂用负荷安全。

6 结语

对已有事故案例的分析表明，并网条件下现有发变组保护与相关控制系统之间的配合方面存在进一步优化、协调的必要性和可能性。保护装置如能充分利用相关信息准确识别系统的非正常运行状态并在快速切除失控设备时选择有针对性的动作方式和动作时序，可及时有效抑制并网发电机组内部失控故障的事态发展，能够在一定程度上弥补部分关键控制系统一次设备硬件制造工艺及性能指标方面的“先天不足”，规避故障停机时的安全风险。

励磁系统负载误强励工况下的发变组保护逻辑优化方案在充分利用励磁系统现有故障检测与保护装置之间信息交互功能的基础上，提出了新的误强励判据和程跳误强励保护动作行为，如能据此对现有发变组保护逻辑加以优化，则可在负载误强励工况下更好地满足继电保护设计原则中关于可靠性、选择性、灵敏性和快速性等动作性能要求，延缓了现有发变组保护同时作用于解列灭磁造成电压飞升现象，有效提高了大型发电机励磁系统特别是静止励磁系统在负载误强励工况下可靠灭磁的安全裕度，降低误强励事故的危害程度。

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（本文编辑：方明霞）

Protection Logic Optimization of Generator in Faulty Forced Excitation of Excitation System

LU Jiahua1，CHEN Xinqi2，WANG Zhennyu3，WU Kuayu1，YANG Tao1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Zhejiang Energy Group R&D Co.，Ltd.，Hangzhou 311121，China；3.East China Electric Power Design Institute Co.，Ltd.of China Power Engineering Consulting Group，Shanghai 200063，China）

This paper analyzes action behavior of the generator-transformer unit in the faulty forced excitation accident of excitation system and proposes an optimized logic design scheme.The scheme fully uses the fault information of the existing protection device and excitation system to optimally design the criterion of faulty forced excitation and adjust the existing protection action.The scheme can avoid voltage surge due to generator splitting in faulty forced excitation conditions to effectively mitigate severe accidents such as faulty forced excitation and reduce the deexcitation risk of large generator excitation system in faulty forced excitation conditions.The relevant research shows that deexcitation conducted by relay protection device of large generator with static excitation system in the case of faulty forced excitation conditions can reduce the arc voltage requirement on field breakers and increase the reliability of accident deexcitation.

faulty forced excitation；field breaker；generator-transformer protection；logic optimization；action behavior

10.19585/j.zjdl.201708004

1007-1881（2017）08-0018-06

TM621.7+1

B

2016-06-26

卢嘉华（1973），男，高级工程师，从事电力系统自动化及发电机励磁专业工作。