发电机励磁系统保护配置及整定分析

杨乾纯

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，上海 200540)

对于发电机失磁故障，《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》(DL/T 684—2012)描述了发电机失磁故障发生后的系统的特征量、发电机失磁后造成的危害。对于失磁保护的整定，文献[1-3]提出阻抗动作边界映射至P-Q平面的方法，确定发电机失磁故障时功率动作边界。对于失磁保护和低励限制的配合，文献[4-5]对发电机失磁保护和低励限制之间的配合整定计算问题进行深入研究，并进行系统总结，以指导二者的配合整定计算。以上文献对电力企业的发电机整定和配合具有一定指导作用，但未就具体的保护装置应如何进行整定配置予以详细说明，在实际的工程应用中，要结合现有的保护装置进行整定。文章结合炼化企业自备发电厂的典型继电保护和自动调节励磁装置配置，介绍了励磁系统保护动作的条件和工程实际应用中的整定方案以及保护之间的配合关系。以某炼化企业自备发电厂6号汽轮发电机为例，对其励磁系统进行研究，其具体配置如下：发电机型号QF-125-2，发电机额定容量147.1 MVA，定子绕组额定电流为6 154.4 A，转子绕组额定电流1 325 A，发电机保护采用SEL300G微机保护装置，双重化配置，励磁系统采用励磁变静止励磁方式，励磁调节装置采用ABB UNITROL F微机静态励磁调节装置。

1 发电机失磁保护

1.1 基本工作原理

发电机在运行中失去励磁，其电动势有一个衰减的过程，在这个衰减过程中由于有功功率保持不变，因此功率角会不断增大，当功率角增大到90度时，发电机开始进入不稳定失步运行状态，直至进入稳定异步运行状态。

发电机失磁后的电气量特征为：发电机励磁电压降低，发电机从为系统提供感性无功变成从系统吸收感性无功，定子电流上升，机端电压降低。

发电机失磁后导致系统电压降低，危及系统的稳定运行。机端电压降低会影响接在机端的厂用电负荷，危及发电厂的稳定运行。定子过电流造成定子绕组温度上升，危及绕组绝缘。另外，发电机失磁还会造成机组振动和发电机转子局部过热，影响发电机的安全运行。

根据发电机失磁的基本电气特征，可检测到发电机失磁状态。以失磁后发电机机端测量阻抗的变化、失磁阻抗特性作为失磁的判据[6]。

(1)失磁后机端测量阻抗Zm的变化。设机端电压为Ug，发电机送出电流为Ig(Ug取线电压，则Ig为线电流)，发电机的有功功率为P，发电机的无功功率为jQ，由于失磁前输出感性无功功率，所以测量阻抗位于复平面中的第一象限。

(2)静稳阻抗边界圆。为了使失磁后测量阻抗落入设置的阻抗动作特性内，显然该阻抗动作特性应包含第四象限部分区域。通常采用的阻抗动作特性是静稳阻抗边界圆和异步阻抗边界圆。

发电机失磁后，测量阻抗Zm进入第四象限，到达A点，表示δ=90°，即为临界失步，再进入静稳阻抗边界圆内，发电机便失步运行。

由图1不难看到：发电机失磁时，机端测量阻抗容易进入静稳阻抗边界圆内，当发电机与系统的联系电抗Xcon较大时，更容易进入。对异步阻抗边界圆来说，当Xcon较大时，失磁时机端测量阻抗可能不能进入该边界圆内。但是，发电机在正常进相运行时，异步阻抗边界圆比静稳阻抗边界圆有较好的躲负荷阻抗的能力；此外，振荡时机端测量阻抗不会落入该特性圆内。作为两边界圆的折中，检测失磁的阻抗特性可取以-jXd为直径的一个圆，如图1中的圆4。

图1 汽轮发电机失磁阻抗特性

由此可见，应采用双阻抗圆判别发电机失磁具有异步阻抗圆判别发电机失磁的特性。

图2 双阻抗特性圆检测发电机失磁

1.2 整定计算

静止励磁方式下的失磁保护为阻抗型失磁保护，保护装置的输入量有：机端三相电压(电压互感器变比为nTV)、发电机三相电流(电流互感器变比为nTA)。

整定计算中需要对定子阻抗判据进行选择，静稳阻抗判据的优点是失磁时动作早、灵敏度高，但发电机振荡时阻抗判据要误动作；异步阻抗判据或双阻抗圆判据失磁时动作相对晚一些，但发电机振荡时肯定不会误动作。阻抗判据的选择应根据发电机与系统间联系阻抗大小、系统运行状况确定。一般情况下，当电厂与系统联系紧密(线路大于或等于3回，或较短线路2回)时，宜优先采用异步阻抗圆或双阻抗圆；当电厂与系统联系比较薄弱(如发变线与系统相连)时，宜优先采用静稳圆；当无法判别联系紧密程度时，可采用过坐标原点的下抛圆或将静稳圆切去相应部分。由于该炼化企业自备发电厂拥有3回与系统之间的联络线，因此采用双阻抗圆作为发电机失磁保护的定子阻抗判据。

该炼化企业自备发电厂6号发电机失磁保护的整定计算过程如下：

SEL300G保护装置失磁保护下抛双阻抗圆动作特性如图3所示，失磁保护动作区由两个下抛阻抗圆Zone 1和Zone 2组成，Zone 1圆内为下抛阻抗特性圆1保护动作区，Zone 2圆内为下抛阻抗特性圆2保护动作区。

SEL300G保护装置下抛阻抗特性圆1的定值整定方法如下：

40Z1P=Zgn=15.0102 Ω

时限40Z1D=1 s跳闸。

SEL300G保护装置下抛阻抗特性圆2的定值整定方法如下：

40XD2=40XD1=-1.748 7 Ω

时限40Z2D=1 s发信。

图3 SEL300G保护装置失磁保护动作特性(下抛双阻抗圆)

2 励磁调节装置和失磁保护的配合

2.1 励磁调节装置低励保护的整定要求

发电机失磁指的是发电机磁极剩磁很弱或没有，在旋转过程中建立不了励磁电压，失磁时发电机没有电压输出。而发电机低励是指发电机有励磁电压，只是电压低，达不到要求，是发电机的一种非正常运行状态。在低励情况下发电机输出的电压比额定电压低一些。发电机低励运行，其定、转子间磁场联系减弱，发电机易失去静态稳定。为了确保一定的静态稳定裕度，励磁调节系统在设计上均配置了低励限制回路，即当发电机一定的有功功率下，无功功率滞相低于某一值或进相大于某一值时，在励磁调节装置综合放大回路中输出一增加机端电压的调节信号，使励磁增加，起到保护作用。

在发电机励磁电流减小直至失磁的过程中，励磁调节装置的低励限制保护应首先动作，如未起到限制作用，则应切到备用通道；如切到备用通道仍然未能起限制作用，则应该由失磁保护判断后动作停机。低励限制单元应先于失磁保护动作，以满足低励限制和失磁保护的整定配合，这是对低励限制整定的基本要求。

发电机组励磁调节器低励限制单元的限制曲线主要有两种形式：一种是圆弧限制曲线(如ABB UNITROL5000型励磁调节器的低励限制曲线)；另一种是直线限制曲线(如南瑞的SAVR2000励磁调节器的低励限制曲线)。不论是圆弧限制曲线，还是直线限制曲线，低励限制动作曲线都是按照发电机不同有功功率静稳定极限及发电机端部发热条件确定的，它们的原理分析以及动作曲线的整定计算分析也都是在功率平面(P-Q平面)上进行的，而以发电机端阻抗圆构成的失磁保护，其原理分析以及定值的整定计算分析却是在阻抗平面(R-X平面)上进行的。因此，为使低励限制和失磁保护能符合正确的动作顺序，就必须分析低励限制和失磁保护之间的关系，将两者归算至同一个平面进行比较，从而探讨整定配合的合理性，此处将低励限制和失磁保护两者归算到同一个功率平面进行整定配合的讨论。

2.2 励磁调节装置低励保护的整定配合

2.2.1 理论计算

(1)将失磁保护曲线映射至P-Q平面

通过上节的综述，我们可以统一阻抗型失磁保护的标准圆方程：

(1)

其中，X0为失磁保护阻抗圆的圆心，R0为失磁保护阻抗圆的半径。

将R=(Ucosφ)/I,X=(Usinφ)/I代入式(1)并化简得：

(2)

将sinφ=Q/(UI),I2=(P2+Q2)/U2代入式(2)得：

(3)

化简后得：

(4)

以该炼化企业6号发电机低励限制与失磁保护的整定计算为例。

发电机参数：额定容量SGN=147.1 MVA，额定功率PGN=125 MW，机端电压UGN=13.8 kV，电流互感器变比nTA=8 000/5，电压互感器变比nTV=13.8/0.1。发电机励磁调节器的低励限制曲线参数设定值如下所示。

PQ IEMIN LIM:

1501 REF0Q(P) LIM-10.0%

1502 REF25Q(P) LIM-10.0%

1503 REF50Q(P)LIM-10.0%

1504 REF75Q(P)LIM-5.0%

1505 REF100Q(P)LIM-0%

以发电机额定容量SGN=147.1 MVA为基准值，将以上以百分比表示的数值换算为一次实际值后如表1所示。

表1 低励限制P-Q换算

图4 失磁保护动作特性示意

根据上节发电机失磁保护整定计算的结果，计算阻抗圆的圆心和半径，阻抗圆1反映发电机在负荷较高时的失磁情况，

阻抗圆2反映发电机在任意负荷时的失磁情况，

经计算，得到异步圆1与Q轴交点为(0,-118.90 MVar)。

经计算，得到异步圆2与Q轴交点为(0,-61.344 MVar)。

(2)低励限制曲线

根据表1中换算后的P、Q值数据绘制。

2.2.2 校核结论

将各曲线按相同比例画在同一平面上，如图5所示。由图5可知：在机端电压最低允许值为0.95UGN的情况下，所有失磁保护阻抗圆均位于低励限制线的下方，且有一定的裕度，低励磁限制与失磁保护可以配合，整定关系满足相关要求。

图5 低励限制曲线与失磁保护配合整定示意

3 过励磁保护及励磁限制器

同发电机低励磁一样，过励磁也是发电机的一种非正常运行状态，当发电机发生过励磁时，铁芯的工作磁密升高导致其出现饱和使得铁损增加。铁芯饱和还会使漏磁场增强，漏磁通在穿过铁芯表面和相应结构件中引起的涡流损耗也相应增加。由这些附加损耗引起的温升有可能导致发电机绕组绝缘的损坏。因此励磁调节系统在设计上均配置了过励磁限制器，在发电机过励磁时起到限制励磁和保护发电机的作用。

过励磁限制器在正常情况下是不参与自动励磁控制的，而当发生异常运行工况，投入某些特殊的限制功能，对提高励磁系统的响应速度、提高电力系统稳定及保护一次设备的安全运行有重要作用。

过励磁电流限制器由最大励磁电流瞬时限制和反时限延时过励磁电流限制两部分组成，其整定与发电机转子绕组发热特性相互配合。当电力系统发生短路故障导致母线电压降低时，为了提高电力系统的稳定性，应迅速将发电机励磁增加到最大值进行强励。最大励磁电流限制瞬时动作，用于限制发电机励磁电流的顶值，防止超出允许的强励倍数，避免励磁功率单元和发电机转子绕组超限制运行而损坏[7]。反时限延时过励磁电流限制主要的功能为最大励磁电流延时限制，按发电机转子容许发热极限曲线对发电机转子电流进行限制，防止发电机转子绕组因长时间过流而过热。受转子绕组发热的限制，当强励时间超过允许时间，励磁电流仍不能自动下降，反时限延时过励磁电流限制应动作退出强励，自动将励磁减小到最大允许值附近。强励的顶值电流(在ABB UNITROL F装置中为1303参数，即IEMAX)是额定励磁电流的2倍，强励时间(在ABB UNITROL F装置中为1305参数，即IEMAX.SEL)是10 s，允许的最大连续运行励磁电流(在ABB UNITROL F装置中为1301参数，即IETH)为额定励磁电流的1.05倍。在ABB UNITROL F装置中，1307参数定义为过热积分器的散热时间常数。1306参数是强励结束后，励磁电流限制器送到叠加点的参考值REF IE LIM ACT(11303)降低到IETH的延时。1309参数是当励磁电流限制器动作时对应的增益，与其他参数一起形成一组PID调节参数。实际励磁电流与REF IE LIM ACT(11303)的差值超过额定励磁电流的5%，即实际励磁电流超过1.1倍，2 s内励磁电流限制器仍不奏效，发励磁过流一级信号(A106，10905=1)，过励切换动作；再经3 s仍不奏效，发励磁过流延时启动跳闸信号(F3，10906=1)，过励保护动作。

在发电机带负荷条件下进行现场调试时，先记录励磁电流实际值，再根据这个值，临时调小1301，1303，1307参数，增加励磁电流使限制器动作，再减少励磁，使其退出限制，待装置充分散热后再在限制点附近做+1%或+2%阶跃试验，观察励磁电流限制器的动态响应情况，对机端电压、有功、无功、励磁电流、励磁电压进行录波，根据系统响应情况，适当调整PID参数，可以使限制器在动作时，调节器具有良好的稳定性和动态响应性能力[8]。过励磁限制在ABB UNITROL F型装置中的参数设定值如下：

1301REF1IETH(励磁电流限制器启动值)105%(1.05倍额定)

1303REF1IEMAX(励磁电流限制器最大值)200%(2倍额定)

1305TIMEIEMAX.SEL(励磁电流设定最大延时)10 s

1306TCIEREDMAX-TH1.00 s

1307TIMEIEBACKINT100.0 s

1309KOELIE50%

表2 汽轮发电机转子过电流的反时限特性的匹配关系

4 结语

以某炼化企业的自备发电机组为例，介绍了125 MW发电机励磁系统的典型保护配置，分析了失磁保护和励磁调节装置两者之间协调配合的必要性，并提出将发电机失磁保护与励磁系统低励限制曲线都归算到P-Q平面上进行比较的方法，验证了失磁保护与低励限制的配合关系符合国家电网公司《发电厂并网安全性评价》中低励限制优先于失磁保护动作的要求，提出了过励磁保护参数整定无法同时满足发电机转子过负荷的技术要求和电网对并网机组强励能力的要求，以及对此采取的相应措施。