励磁控制系统严重故障跳机必要性探讨

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪，628400)

励磁控制系统严重故障跳机必要性探讨

郑蕾

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪，628400)

本文提出了一种针对励磁系统严重故障快速切除故障机组的有效措施，来解决目前发电机失磁保护整定计算受到可靠性与选择性限制，致使发电机励磁控制系统发生严重故障的特殊情况下，不能以最优的时间将故障机组从电力系统中切除。最后通过具体实例分析验证励磁系统严重故障跳机的必要性。

励磁调节器 低励限制 失磁保护 故障跳闸 优化运行

发电机励磁控制系统对电力系统，以及发电机本身的安全均有很大影响。发电机励磁系统的安全稳定是保证电力系统安全运行的基本条件之一。在众多改善同步发电机在电网中稳定运行的措施中，运用现代控制理论，提高励磁系统的控制性能是公认的经济有效的手段之一。

在励磁控制系统发生故障后，将导致发电机突然失去励磁电流，此时，发电机机端阻抗迅速进入静态稳定极限阻抗圆内，而发电机失磁保护主判据多采用静稳极限阻抗圆或异步阻抗圆，所以发电机失磁保护在发电机机端阻抗进入静稳极限阻抗圆或异步阻抗圆后，动作出口将故障发电机从电网中切除，而在这一系列过程中，失磁保护整定时为保证动作正确性，整定经延时t后出口跳机，这将导致在这延时t中发电机因失磁造成的损失与对电力系统的影响加大。因此，当发电机励磁控制系统发生严重故障时，探讨由励磁控制系统本身判断并给出结果后，直接0延时出口将发电机从电网中切除是非常必要的。

1 现状分析

1.1 失磁保护基本原理

从失磁保护原理及整个动作过程进行分析，发电机失磁保护主要有两种原理：一是利用发电机静稳极限阻抗边界和异步阻抗边界为主判据构成的阻抗失磁保护；二是以发电机失磁是否从系统中吸收无功功率作为主判据的逆无功失磁保护。

1.2 现代发电机失磁保护实例

发电机励磁系统故障使励磁降低或全失磁，从而导致发电机与系统间失步，对机组本身及电力系统的安全造成重大危害，因此，大、中型机组要装设失磁保护。现以许继电气的WFB-800A发电机变压器保护为例，该保护装置的失磁保护主要由静稳极限励磁电压判据和边界阻抗判据构成。静稳极限励磁电压判据，具有在导致发电机失步的失磁初始阶段就能快速动作，其动作大约比静稳边界阻抗判据动作提前1s以上，有预测失磁功能。边界阻抗分为静稳边界阻抗和稳态异步边界阻抗。因为无论发电机失磁保护阻抗圆采用的是静稳阻抗边界或稳态异步阻抗边界作为判据，在发电机出现低励或失磁时，发电机运行状态首先越过静稳阻抗边界，才到稳态异步阻抗边界，也就是说静稳圆比异步圆灵敏度要高，所以本次论述以静稳阻抗边界为准。

从WFB-800A发电机失磁保护的出口逻辑图(如图1)可以看出：失磁保护Ⅰ段在静稳阻抗Z1满足整定阻抗的条件下，经延时t1出口发发电机失磁信号，t1整定至少1s～1.5s，原因是躲开系统震荡；失磁保护Ⅱ段在静稳阻抗Z1、发电机励磁电压及发电机机端电压同时满定值的条件下，经固有延时0.2s 后出口跳闸相关断路器。在静稳阻抗的整定过程中，考虑到工程现场实际情况，计算所得静稳阻抗圆留有一定的储备系数，一般取10%，即静稳阻抗圆圆心和半径乘以系数0.9。并且为了满足躲开发电机出口经过渡电阻的相间短路，以及躲开发电机正常进相运行的要求，失磁保护设计对静稳阻抗圆进行了裁切，也就是在R-X坐标系中以原点为切割线端点，与R轴夹角10°～15°在第三象限与第四象限延伸切割静稳阻抗圆，所得的动作区如图2。

图1 WFB-800A发电机失磁保护的出口逻辑

图2 失磁保护动作区设计

根据上述分析，发电机失磁保护受到可靠性与选择性的限制至少有200ms的延时，当发电机励磁控制系统出现失控导致发电机失磁时，不能将发电机以最优的时间从电力系统中切除。就此，提出发电机励磁控制系统严重故障直接切机的措施来作为失磁保护的补充措施。

2 补充措施

2.1 补充措施依据

补充措施的依据是：励磁控制系统故障的主体是励磁控制系统本身，励磁控制系统自主判断故障具有比失磁保护更加快速和准确的判断优势。以数字控制领域先进的研究成果和工艺集合一身的励磁调节器具有完善且独立的智能化故障检测系统，利用这套故障检测系统加以优化来实现失磁保护的补充措施。

2.2 现场实施

以中国电器科学研究院EXC9000系列励磁调节器为例，EXC9000型励磁调节器具有独立的数字/数字/模拟三通道、两种不同的调节组态。每个调节通道配有一套独立的智能化故障检测系统，我们将合理利用调节器自带的故障检测系统，通过励磁系统智能IO板件编写励磁控制系统故障输出逻辑(如图3)，10种逻辑条件覆盖由励磁控制系统导致发电机失磁的全部故障类型，对机组励磁调节器智能I/O板软件逻辑进行修改，在机组并网状态下，当(A套调节器故障& B套调节器故障& C套故障)OR(A套调节器检测故障& B套调节器检测故障& C套故障)OR(A套调节器电源故障& B套调节器电源故障& C套故障)OR(A套调节器同步故障& B套调节器同步故障& C套故障)OR(A套调节器脉冲故障& B套调节器脉冲故障& C套故障)条件满足时，由调节器内部智能I/O板直接开出至发电机保护A柜、B柜，经发电机保护转子低电压辅助判据满足后直接无延时启动机组跳闸停机回路。采用转子低电压辅助判据与失磁保护考虑方向一致，是防止励磁控制系统严重故障误出口。

图3 励磁控制系统故障输出逻辑

2.3 结果验证

通过特殊方法验证补充措施，在励磁控制系统严重故障跳机出口退出的情况下，模拟励磁控制系统严重故障，由于是全部失磁，所以发电机失磁保护迅速动作切除发电机，测得从失磁保护动作到跳开发电机出口断路器历经时间266ms。在励磁控制系统严重故障跳机出口投入的情况下，重复上述试验，从励磁控制系统出现故障开始到跳开发电机出口断路器历经时间77ms。从快速切除发电机的时间上对比，在发电机励磁控制系统严重故障的特定情况下，励磁控制系统严重故障跳机优于失磁保护。

3 结语

本文通过发电机失磁保护的现场整定情况与现代化励磁控制系统的优点，提出了发电机励磁系统严重故障跳机作为失磁保护补充措施的必要性，通过特殊检验方法也证实了在发电机励磁系统严重故障的情况下，该补充措施出口切除发电机确实优于发电机失磁保护。该补充措施或许还有不足，但通过完善改进后，以期能为发电机快速保护系统做出贡献。

〔1〕郭春平.发电机低励限制与失磁保护的配合整定计算[J].中国电机工程学报，2012，32(28)：129-132.

〔2〕徐业荣.大型汽轮发电机失磁保护定值整定探讨[J].电力系统保护与控制，2016，44(20)：154-159.

〔3〕国家电网公司．发电厂并网运行安全性评价[M]．北京：中国电力出版社，2003，3．

〔4〕DL/T 843—2010，大型汽轮发电机励磁系统技术条件[S]．北京：中国电力出版社，2011.

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郑 蕾(1986-)，男，本科，助理工程师，从事水电厂二次设备检修维护工作.