发电机失磁保护的可靠性研究

2021-12-15任建军毛青海

小水电 2021年6期

关键词：失磁包络线可控硅

任建军，毛青海，熊杰

(1．陕西省水电开发有限责任公司二郎坝发电公司，陕西宁强 724400；2．华自科技股份有限公司，湖南长沙 410000)

1 概述

2020年5月，陕西省二郎坝发电公司5号发电机后备保护报“励磁低电压或失稳”信号。笔者认真研究了5号机微机发电机保护装置技术说明，对其进行了详细的分析。

2 原失磁保护的特点

(1)原失磁保护在设计中叠加了“转子电压判据”，这也是传统的方案(见图1、图2)。

图1 C1型失磁保护的低电压判据逻辑

图2 C1型失磁保护逻辑框图

(2)装置虽然考虑了强减的影响，但却是用发电机端过电压来闭锁的(见图3)。从保护发电机过压的角度考虑，以额定机端电压为参考点是可以的，但为了防止误发报警信号，用额定机端电压的过压倍数做参考就不合适了。实际运行时，发电机并不全是工作在额定机端电压点，按额定机端过电压来闭锁，起不到闭锁的作用。

图3 C1型转子低电压判据闭锁

(3)装置选取励磁低电压判据的定值Ulcdydz=K·Ufd0(Ufd0为发电机空载励磁电压)和可靠系数K(取0.2～0.5，见图4)，并没有理论依据，而是居于传统励磁的经验。

图4 C1型转子低电压判据设置

(4)装置虽然引用了长延时来躲避各种可能的误报，但是其一，并未考虑可控硅三相全控整流桥的特点；其二，默认的延时初始值为0.1 s(t6,见图5)；其三，怎么设置t6，没有定值，全凭经验和试验数据。

图5 C1型转子低电压判据延时t6设置

3 相关规范对失磁保护的要求

(1)原失磁保护装置是基于《水力发电厂继电保护设计导则》(DL/T 5177—2003)，该导则的一般要求强调的是要装设“励磁电流异常下降或消失”保护；但在操作上却转为了“转子电压判据”，操作与要求并不吻合(见图6)。

图6 《水力发电厂继电保护设计导则》关于失磁保护采用励磁电压判据的描述

(2)其他相关标准对失磁和失步的要求都是要求以阻抗圆和励磁电流(转子电流)的变化为依据，如《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB/T 14285—2006)、《发电机变压器组保护装置通用技术条件》(DL/T 671—2010)、《水力发电厂继电保护设计规范》(NB/T 35010—2013，替代DL/T 5177—2003)。因为在发电机功率圆坐标上，并网时的无功分量是与励磁电流直接相关的，而励磁电压的变化并不会立即形成电流；而且发电机转子是个大电感(电流不能突变)，引入励磁电流判据更符合理论要求。

(3)由于励磁低电压判据与三相全控桥式整流励磁方式不相适应，违背了电力电子技术的基本理论。所以，失磁保护采用励磁电压判据无法准确判断失磁的真实情况，虽然失磁状态下有励磁低电压出现，但励磁低电压并不能断定为失磁，结果不能作为条件使用，该因果不可逆。

4 使用励磁电压判据需要注意的问题

(1)传统励磁方式的励磁电压在正常运行时是不会为负值的，如直流励磁机励磁、交流励磁机励磁、相复励励磁、谐波励磁、电抗分流励磁、零式整流励磁、单相半控励磁、单相全控励磁、三相半控励磁等。

(2)可控硅三相全控桥式整流励磁输出的负载是一个大电感(发电机转子)。整流输出的励磁电压是可正、可负的，当可控硅的控制角(对于相电压)α满足 0°<α≤90°时，整流输出的励磁电压平均值为正；当可控硅的控制角α满足 90°<α≤180°时，整流输出的励磁电压平均值为负(逆变)；实际使用是10°<α≤150°。发电机在失磁过程中，转子电压是会降低，但转子电压降低(更无法定量)并不能成为判断失磁的依据，不能把结果作为依据，颠倒因果关系。

(3)整流输出的负载波形是一个连续的锯齿波，每个周期有6个波头，阳极电压从控制角触发开始导通，导通的锯齿波包络线的面积就是输出的励磁电压值。当正向包络线的面积大于负向包络线的面积时，输出电压的平均值为正；当负向包络线的面积大于正向包络线的面积时，输出电压的平均值为负(见图7)。

图7 三相全控整流励磁的负载波形

(4)在测量计算输出的励磁电压时，应充分考虑控制角α导通和截止的影响。硬件检测不能有严重的失真，软件计算应考虑(相对于线电压)：VL=1.35U2(0°<α≤60°)；VL=1.35U2[1+cos(60°+α)] (60°<α≤120°)。

(5)通常，发电机的励磁调节控制都是按机端电压的偏差进行调节的，当机端电压降低需要励磁进行增磁或强励，控制角就会10°<α<60°；当机端电压升高，需要励磁进行减磁或强碱，控制角就会60°<α≤120°，通过逆变可以实现快速减磁或灭磁。

(6)标准推荐使用可控硅三相全控桥式整流励磁方式，正是考虑三相全控桥具有逆变功能。同时，励磁的相关标准对励磁过电压的限制和保护要求是“励磁的正、反向过电压不宜超过额定励磁电压的±(4～6)倍”，即励磁电压在额定值的-6倍～+6倍范围内都是可能会出现的，短时间也是安全的；超过该范围应该进行限制并报警。

(7)可控硅三相全控桥式整流励磁方式的发展历史并不长，也就是在葛洲坝电站(1988年12月全部竣工)建成后，才在我国大规模推广使用，传统意义上的失磁保护方案并未从根本上去解决这个问题，而是采取打补丁的方式解决(如长延时0.5～0.8 s，不误动)。