發電機變壓器組保護與自并勵勵磁系統的技術配合整定分析

王 寧

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

自并勵勵磁系統是指為發電機端部的靜止勵磁系統提供整流電源裝置的系統。發電機自動勵磁調節裝置（AVR）通過調節、限制、切換等方法對勵磁系統起到限制和保護的作用，主要包括，低勵磁限制和保護、過勵磁限制和保護、勵磁過電流限制和保護等。其動作順序是，先進行限制，使AVR恢復至正常工作狀態；當限制器動作后AVR仍然不能恢復至正常工況工作時，再由AVR的保護延時動作，將AVR由工作通道切換至備用通道或自動切至手動（有時延時將AVR切至50Hz手動）；如仍然不能恢復至正常工況工作，最后由發電機繼電保護作用，實現停機［1］。但是，當前多數電廠的發電機變壓器組保護在進行整定計算時，容易忽略與AVR的配合，導致一旦勵磁系統出現異常，發電機變壓器組保護立即動作，導致機組停機。

1 失磁保護與低勵磁限制的配合

發電機運行時，由于系統電壓升高、運行人員誤操作、勵磁裝置故障等原因，都可能使發電機在低勵磁狀態下運行，發電機失磁保護就是對這種勵磁電流異常下降或完全消失的失磁故障的保護［2］。勵磁調節器中低勵限制的作用是，當勵磁電流下降到限制值時，限制勵磁電流下降或增加勵磁電流，使機組不越過靜穩極限。GB/T 14285－2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》［3］要求“最低勵磁限制的動作應能先于勵磁自動切換和失磁保護的動作”。

1.1 理論分析

阻抗型失磁保護是在發電機機端的R－X測量阻抗圓平面上計算的，而勵磁調節器的低勵限制環節是根據靜態穩定極限圓并結合系統的無功功率儲備整定的，二者分別屬于不同的坐標系，無法直觀地校核他們之間的配合關系，為此，必須將兩者都歸算到同一坐標平面上進行討論。

對于汽輪發電機，靜穩極限圓在P－Q平面上的表達式為

式中：P、Q分別為發電機的有功功率和無功功率；U為發電機機端電壓；Xs為發電機與系統的聯系電抗；Xd發電機的同步電抗。圓心為［0，U2/2（1/Xs－1/Xd）］，半徑為U2/2（1/Xs＋1/Xd），圓內是發電機的穩定運行區域。當發電機運行在圓外時，不能穩定運行，故低勵限制單元應限制勵磁電流繼續減少。

設失磁保護阻抗圓的圓心坐標為（0，X0），半徑為R0，圓內為動作區，其方程為

映射至P－Q平面上，靜穩圓為

式中：X0＝－（Xd－Xs）/2，R0＝－（Xd＋Xs）/2；靜穩圓與Q軸相交于（0，U2/Xs）和（0，－U2/Xs），動作區在圓外。

映射至P－Q平面上，異步圓為

式中：X0＝－（Xd＋0.5X′d）/2，R0＝ －（Xd－0.5X′d）/2，X′d為發電機暫態電抗不飽和值，異步圓與Q軸相交于（0，－U2/Xd）和（0，－U2/2X′d），動作區在圓內。

根據以上式子，可以繪出發電機及AVR在PQ平面上的各特性曲線，見圖1，為了便于觀察和說明問題，只繪出第4象限部分。

圖1 發電機的低勵限制和保護配合曲線

發電機進相運行時，當機端測量阻抗到達曲線1時，則判斷為低勵磁狀態，此時發出低勵磁信號，AVR閉鎖減磁，并自動執行增磁操作，直到低勵磁故障消失。如果低勵磁限制未作用，發電機繼續進相，當達到曲線3時，說明發電機由于失磁已失去同步，失磁保護動作執行解列發電機命令。由此可見，由于勵磁調節器有低勵磁限制功能，當發電機正常進相運行時，失磁保護不應誤動作。

1.2 配合原則

失磁保護根據機端測量阻抗而動作，當發電機失磁后機端測量阻抗必將從等有功圓越過靜穩圓，最后進入到異步圓，動作方式為減出力、切換廠用電、解列。低勵限制的作用是當勵磁電流下降到限制值時限制勵磁電流下降或增加勵磁電流，使機組在運行時不越過靜穩極限。從失磁保護、低勵磁限制的原理和動作行為可得到相互配合原則：發電機從失磁到最后失穩或失步，機端測量阻抗和功率都應該先進入低勵磁限制區，然后進入低勵磁保護區，最后過渡到失磁保護圓（靜穩圓或異步圓），在P－Q平面上失磁保護阻抗圓處在低勵磁限制線的下方，而且相互之間的裕度充分合理、過渡平穩。

1.3 配合方案

a.根據發電機的進相試驗數據得曲線1。

b.根據發電機低勵磁限制數據得曲線2。

c.將低勵磁限制曲線向下平移一定值，約為發電機額定無功功率的10%左右，即為低勵磁保護曲線3。

d.計算以發電機基本阻抗為基準的發電機和系統阻抗標幺值，在P－Q平面上計算以發電機視在功率為基準的發電機靜穩圓坐標和半徑的標幺值，即為曲線5。

e.考慮10%～20%的靜態穩定儲備系數、5%～10%的參數誤差及一定的可靠系數，靜穩圓坐標和半徑的標幺值除以1.2～1.5后得到有裕度的靜穩圓，即為發電機失磁保護靜穩邊界圓曲線4。

f.發電機勵磁降低后，低勵磁限制先于低勵磁保護和失磁保護動作，滿足了文獻［3－5］中的配合要求。

2 轉子繞組過電流保護與勵磁過電流限制的配合

現代大型發電機組的繼電保護裝置和AVR中均裝設發電機轉子繞組過電流保護。發電機變壓器組保護裝置的轉子繞組過電流保護動作后，導致機組停機；AVR有勵磁過電流限制和保護2種功能。2套勵磁過電流保護動作特性相似，但在整定計算時應考慮相互間的配合［6］。

2.1 配合原則

發電機轉子過電流保護在整定計算時，允許發熱時間常數Khe.al、反時限過電流保護上限動作值的計算依據是由發電機制造廠提供的允許強行勵磁倍數和允許強行勵磁時間決定的。制造廠提供的發電機轉子允許發熱時間常數為Khe.al＝（Kfo.al－1）tal，其中，Kfo.al為允許強行勵磁倍數；tal為允許強行勵磁時間。

2.2 配合方案

發電機轉子過電流保護在整定時，必須與發電機轉子繞組允許過電流特性曲線，發電機AVR勵磁過電流限制、保護相互配合計算。

a.發電機允許發熱時間常數≥發電機轉子過電流保護發熱時間常數整定值＞AVR勵磁過電流保護發熱時間常數整定值＞AVR勵磁過電流限制發熱時間常數整定值。

b.發電機轉子過電流保護下限動作電流整定值＞AVR勵磁過電流保護下限動作電流整定值＝AVR勵磁過電流限制下限動作電流整定值。

c.發電機轉子過電流保護上限動作電流整定值＞AVR勵磁過電流保護上限動作電流整定值＞AVR勵磁過電流限制上限動作電流整定值。

d.發電機轉子過電流保護上限動作時間整定值＞AVR勵磁過電流保護上限動作時間整定值＞AVR勵磁過電流限制上限動作時間整定值。發電機勵磁過電流保護與AVR勵磁過電流限制整定配合方案如圖2所示。

圖2 發電機勵磁過電流保護與AVR勵磁過電流限制配合方案

3 過勵磁保護與過勵磁限制的配合

發電機過勵磁保護應與AVR過勵磁限制配合。當發電機過勵磁時，AVR的過勵磁限制應先于發電機的過勵磁保護動作，即AVR的過勵磁限制倍數n應小于反時限過勵磁保護中設置的最低n值，如發電機反時限過勵磁保護的最低n值為1.07，則勵磁調節器的限制值n取1.06［7］。發電機允許過勵磁特性和發電機、AVR離散型過勵磁保護動作特性配合方案如圖3所示。

圖3 發電機過勵磁保護與AVR過勵磁限制的配合方案

根據發電機制造廠提供的發電機允許過勵磁特性曲線，可得到發電機過勵磁保護動作時間和AVR過勵磁限制動作時間，見表1。

表1 發電機過勵磁保護和AVR離散型過勵磁限制各點整定值

4 結束語

作為發電機二次系統中最重要的2個組成部分，發電機變壓器組保護與勵磁控制系統是緊密關聯的，繼電保護人員在進行勵磁和發電機保護整定時，應充分考慮兩者的聯系，以確保保護裝置的正確運行。文中從發電機失磁保護、轉子繞組過電流保護、過勵磁保護三方面闡述了與AVR勵磁限制、保護的配合整定，希望能夠對整定計算人員有所啟示。

［1］ 高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］ 姚子麟.發電機進相運行對失磁保護的影響［J］.浙江電力，1998，17（6）：41－43.

［3］ GB/T 14285－2006，繼電保護和安全自動裝置技術規程［S］.

［4］ DL/T 650－1998，大型汽輪發電機自并勵靜止勵磁系統技術條件［S］.

［5］ DL/T 843－2003，大型汽輪發電機交流勵磁機勵磁系統技術條件［S］.

［6］ 王維儉.電氣主設備繼電保護與應用［M］，北京：中國電力出版社，1996.

［7］ DL/T 684－1999，大型發電機變壓器整定計算導則［S］.