自并励发电机机端电压对励磁系统影响研究

2019-01-16莫恺

中国设备工程 2019年24期

莫恺

（神华国能集团有限公司重庆发电厂，重庆 400053）

较之传统的励磁同步发电机，自并励发电机在励磁方式上有着一定的不同，而且当机端电压发生变化时往往会对励磁系统造成一系列的影响，进而影响设备安全。这就要求我们正确分析机端电压对励磁系统的影响，然后采取措施进行解决，尽可能地降低不良影响。

1 励磁系统概述

励磁系统是同步发电机的重要构成，其作用在于为同步电机中的励磁绕组提供直流电源，可因不同的励磁方式分为多种类型。目前发电机励磁方式主要包括：一是自励方式，即励磁来源于发电机自身的交流整流，具体可分为无需励磁机、简单经济的自励静止半导体励磁和谐波供电励磁，但两者应用不多。二是他励方式，同步发电机自身不提供励磁，而是由其他电源供给，且因电源不同可分为多种类型，如适用于小容量发电机的同轴直流励磁系统，运行可靠，便于调节，但需重点维护电刷、换向器；适用于1000r/min 转速以下的大容量机组的不同轴直流励磁系统，但结构相对复杂，应用较少；适用于大容量发电机的静止整流励磁系统，该系统融了交流发电机和整流装置，有可控和不可控之分；基于同轴交流励磁机和硅整流装置的旋转无刷励磁系统，无须电刷、滑环、转向器，而且运行可靠、维护方便等，缺点是整流装置离心力大，无法直接灭磁。此外，还有稳定价高的转子绕组双轴励磁，简单经济、可靠性高的定子绕组励磁以及混合励磁方式，其中混合式励磁中的自并励励磁系统，由于功率源于发电机机端电压并将其用于静止可控整流装置，故也被成为电源势静止励磁系统，采用的是三相全控整流电路（IGBT），还可进行逆变灭磁从而简化励磁系统，现大容量发电机大量采用此方式。

2 自并励发电机机端电压对励磁系统的影响

（1）自并励励磁系统的主要任务。自并励发电机励磁系统在正常运行条件下，会为发电机提供励磁电流，并根据其负荷状态调整励磁电流，以此维持电压处于给定水平，并稳定、合理的分配所带的无功功率。如果发电机因发变组外部短路故障导致机端电压严重下降时，会通过强行励磁迅速提升励磁电压至足够的顶值，或者内部发生短路故障时也会进行快速灭磁迅速减值励磁电流至零值，其中励磁调节器最为关键，可根据机端电压变化和工况变化对励磁功率单元所输出的励磁电流进行自动的调节，以此满足系统运行的实际要求。

（2）机端电压对励磁系统的影响。由上可知，励磁系统会受到自并励发电机机端电压的制约。这是因为自并励励磁电源是由发电机机端供给的，无论何种原因，只要发电机定子电流大幅上升就会引起机端电压下，进而引起励磁系统输入电压降低，使励磁系统输出的电压和电流下降，如此恶性循环引发机端铁芯、定子、转子绕组发热，最终弱化励磁系统的保护作用，甚至损坏设备。当自并励发电机突然发生三相短路时，虽然与传统的励磁方式一样在短路电流方面会出现相同的暂态分量及其初始值，这取决于发电机参数而非励磁方式，但在衰减时间方面却有所不同，自并励发电机的短路电流会一直处于衰减状态直至为零，期间不存在稳态值，换句话说，就是在同一时间内，自并励发电机短路电流具有更快的衰减速度。发电机内部短路故障发生时，由于差动保护动作灵敏快速，所以电流快速衰减对其几乎无影响，而作为发电机内部和外部短路故障后备保护的延时过流保护来说影响非常大，可能会导致动作失灵或拒动。因此，自并励发电机机端电压因短路致使电流和电压分别突增和突降时容易导致过流保护拒动，即使外部故障切除后机端电压恢复也需要一定的时间，此时，自并励系统的强励能力也会有所弱化。

当自并励发电机因两相短路形成不对称机端电压时，会加剧整流短路的计算难度，此时，处于机端和短路点之间的正序电压会逐步降低，对应的负序电压则是逐步升高，故距离较远的不对称短路电流基本上不会下降甚至会有所上升，若此时自并励发电机负荷本就不高，也有可能引发过流保护不动作。此外，对于单相接地的小电流接地系统，一般不会影响自并励励磁系统。

3 自并励发电机机端电压对励磁系统影响的规避措施

（1）传统的处理方法。通过以上分析可知，自并励发电机外部三相短路故障下导致机端电压和整流电源电压下降的最为严重，对励磁系统的影响也是最不利的，对此有的选择调整强励倍数计算，即以80%的发电机额定电压值计算整流电源电压，此时自并励发电机机端电压为额定电压值时便会提升25%的强励能力，配以出口的封闭母线，用于基本消除三相电压短路的风险。更多的是在设置过流保护延时动作跳机的基础上增加后备保护，确切地说，是复合电压过流保护，这样一来，在自并励发电机内外发生短路故障的情况下，若主保护出现拒动，便会自动执行复压过流保护动作。因为该后备保护涉及了一个负序电压继电器以及与相间电压连接的低压继电器，只要两者一个动作，过电流继电器也会同时动作，进而启动复压过流保护。

（2）规避措施的优化。

①虽然后备保护的增设有助于短路故障时发电机保护动作拒动问题的改善，但并不能根治。这是因为，如果短路点距离自并励发电机机端比较近，机端电压的下降会引起励磁电流的减小，进而降低发电机电压，并减少短路衰减，而故障电流在到达过流保护动作出口之前可能就比过流定值小，从而导致过流保护提早返回，显然保护拒动依旧存在。显然需要在过流元件中增设电流记忆功能，通过记忆故障电流来规避上述问题。值得一提的是，如果出现主变高压侧短路或接地等断路器内侧故障，虽然主保护会执行跳闸动作，但故障点未消除，依旧会通过发电机为其提供电流，因存在电流记忆功能，过流保护能够正常动作。但是如果过流保护出口整定不合理，势必会引发更大范围的故障。

②在复压记忆过电流保护设计过程中，应基于保护原理进行基本的定义，包括自并励发电机电流 cbaIII 、、，发电机机端电压 Uab、Ubc、Uca等TA/TV 定义，发电机复压过流t1、t2 等出口信号定义，发电机复压过流t1、t2 等出口跳闸定义，发电机复压过流 21 tt、等保护出口压板定义，其中保护压板插入与拔掉分别对应的是保护动作发生发信出口跳闸和不发信出口不跳闸。在定值整定环节需要对过流电流 1gI 、低电压1U 、负序电压 gU2以及延时 1211 tt 、，进行整定。随后投入保护，经人机界面查看保护是否已投入，并根据复压记忆过流保护监护界面对电压、电流、整定值等信息及其计算值进行监视。

③为保证复压记忆过电流保护正常进行，还需对其保护动作的整定值进行科学的测试。一是在测试过流电流定值时先不输入电压，低电压判据满足，分别输入三相电流，并予以缓慢增加直到自并励发电机复压电流保护出口，发生动作注意及时准确的记录A、B、C 相动过流作值 1gI 。二是在测试低电压定值时，为其中的一相增加电流使其大于整定值，配以CA 相电压为额定电压，并缓慢降低直到自并励发电机复压过流保护出口发生动作，及时准确地记录低电压动作值Uca；三是在测试负序电压定值时，为其中的一相增加电流使其大于整定值，配以三相不平衡电压，直到自并励发电机复压过流保护出口发生动作，及时准确地记录负序电压动作值；最后，在测试动作时间定值时，需要在自并励发电机机端突然增加高于定值电流1.5 倍的电流，并及时准确地记录保护动作时间t1 和t2，同时记录保护动作是发信号还是出口跳闸，核对是否正确。若在测试中发现问题应及时查明原因加以解决，如适当修改保护逻辑、调整定值等，在此基础上继续测试直至符合设计要求，进而使保护装置能够对故障初期短路电流进行记忆并忽略以后的电流，为设备高效运行提供良好的保障。