自并勵勵磁空載過電壓保護研究

向秋芳，劉喜泉，封孝松，陳　俊

（1.海南核電有限公司，海南 昌江 572733；2.溪洛渡水力發電廠，云南 永善 657300；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

自并勵勵磁空載過電壓保護研究

向秋芳1，劉喜泉2，封孝松2，陳俊3

（1.海南核電有限公司，海南 昌江 572733；2.溪洛渡水力發電廠，云南 永善 657300；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

摘要：自并勵勵磁系統誤強勵使發電機電壓和轉子電流形成正反饋關系，當發電機過電壓保護按照1．3?g、0．3 s～0．5 s設定時，實際發電機跳閘時，定子電壓和轉子電流已上升至更高值，此時，跳閘滅磁時常出現滅磁失敗甚至燒毀磁場斷路器。為此，本文提出在大型發電機繼電保護中增設發電機空載過電壓保護，可有效防止因勵磁系統誤強勵導致勵磁、發電機等設備損壞。

關鍵詞：自并勵勵磁；誤強勵；空載過電壓保護

0　引言

隨著自并勵勵磁系統的廣泛應用，一種被稱為“勵磁空載誤強勵”的故障類型越來越受到關注:勵磁系統在發電機空載運行時失控，晶閘管控制角變為最小，勵磁整流柜輸出最大電壓，發電機轉子電壓誤強勵，轉子電流和發電機電壓持續上升，最終，引起發電機定子過電壓或者過勵磁保護動作。

自并勵勵磁系統空載誤強勵失控，發電機定子電壓和轉子電流成正反饋狀態，電壓上升引起電流上升，電流上升又使得電壓上升。當發電機定子電壓上升到空載特性飽和區域時，轉子電流和轉子磁能大幅增加，此時，發電機過電壓或過勵磁保護動作跳閘，滅磁開關將面臨著分斷轉子最大電流和滅磁電阻吸收轉子最大磁能最危險工況。盡管滅磁設計考慮了這種最危險工況，但是，大型發電機組的滅磁參數太大，設備的安全冗余度往往不高，稍有差錯便會滅磁失敗，造成磁場斷路器和滅磁電阻燒毀的嚴重事故。

為了防止勵磁空載誤強勵及其滅磁失敗后果，大型發電機勵磁系統采取一些容錯技術[1]，如封脈沖的交流滅磁技術應用[2]，工程應用中加大滅磁電阻容量，提高磁場斷路器弧壓，大型水電機組勵磁系統甚至采用交流和直流雙磁場斷路器冗余滅磁方案[3]等。盡管這些技術措施減少了勵磁空載誤強勵的發生，但是無法徹底杜絕。于是，各種減少勵磁空載誤強勵滅磁失敗的技術措施開始提出，比如利用“截流”后的誤強勵轉子電流提前啟動繼電保護[4]、增設專用過勵磁保護（V/Hz或過電壓）[5]、降低發電機過電壓保護啟動值和延時時間以及增設專用于防止空載誤強勵的過電壓保護[6]）等。這些措施可歸納為一點，即增設發電機空載過電壓保護。

1　自并勵勵磁空載過電壓特點與保護現狀

自并勵勵磁系統，是指晶閘管整流器的交流輸入電源來自發電機本身。同步發電機定子電壓g經勵磁變壓器降壓為2，勵磁調節器在AVR（定子電壓閉環）控制方式下，輸出控制角，使晶閘管整流器將2變為可調直流電源z，經磁場斷路器接入發電機轉子回路，形成轉子電流f，其原理接線如圖1所示。

圖1　自并勵勵磁系統原理圖

自并勵勵磁系統誤強勵形成正反饋，很快使發電機空載特性曲線進入飽和區域，此時，發電機電壓g上升慢，但空載轉子電流f0上升很快。例如某700MW大型水輪發電機空載特性曲線如圖2所示，其空載特性主要數據如表1所示。

圖2　某大型發電機空載特性曲線

表1　某大型發電機空載特性主要數據

對于大型水輪機自并勵空載誤強勵過電壓來說，盡管發電機過電壓保護整定值為1.3倍，0.3 s。但當發電機電壓上升到1.3倍準備跳閘時，需繼電保護延時0.3 s，再加上磁場斷路器動作時間0.1 s左右，在實際跳閘時，發電機電壓已經增到了1.4倍，勵磁電流則超過其額定值2倍。某600MW汽輪發電機組自并勵空載誤強勵滅磁仿真數據[6]如表2所示，盡管發電機過電壓保護設定為1.3倍0.5 s動作，但是發電機過電壓保護動作時，其實際電壓達到了1.45倍，轉子電流達到了6706A、轉子磁能2.33MJ、滅磁時間，接近滅磁設備的極限能力。

可見，自并勵勵磁空載誤強勵轉子電流增加過快，滅磁裝置負擔大，時常發生滅磁失敗并燒毀滅磁開關的嚴重設備事故。在現行繼電保護規程[7]及應用中，如果不考慮勵磁空載誤強勵過電壓因素，現有整定值是合理的，但對于自并勵勵磁引起空載誤強勵產生定子過電壓考慮不足。

U gset T Dset I fmax U gmax T Drel /pu /s /A /pu E /MJ /s 1.3 　0.5 　6706 　1.45 　2.33 　5.13 1.3 　0.3 　5582 　1.39 　1.87 　4.81 1.2 　0.5 　5414 　1.39 　1.81 　4.76 1.2 　0.3 　4236 　1.33 　1.37 　4.39

2　自并勵空載誤強勵滅磁失敗原因

自并勵勵磁系統跳閘滅磁，首先利用跨接器或開關或二極管將滅磁電阻并入轉子兩端，然后跳開磁場斷路器，利用磁場斷路器分斷瞬間產生的電弧電壓，迫使轉子電流向滅磁電阻放電，最終由滅磁電阻來消耗轉子磁能即滅磁。這種迫使轉子電流由磁場斷路器轉向滅磁電阻的過程稱為“換流”，這種滅磁方式稱為“放電滅磁”，此時，磁場斷路器僅是一個分斷設備，而不是一個耗能設備，故不能稱為傳統意義上的滅磁開關。如果磁場斷路器換流不成功，就會在滅磁過程既要分斷轉子電流，又要消耗轉子磁能，肯定會燒毀。

采用氧化性非線性電阻的典型放電滅磁主回路如圖3所示。正常運行時，磁場斷路器FCB閉合，整流器SCR輸出電壓z勵磁發電機轉子L.R。由于二極管V的隔離作用，氧化性滅磁電阻f沒有電流流過。

圖3　氧化性滅磁電阻滅磁主回路

當放電滅磁時，跳開FCB必定會產生電弧，這是由于轉子回路L.R電感作用。又由于f的非線性特性，只有當外加電壓大于m時才會有電流，即m相當于f的一個門檻電壓。由此可見，只有FCB的分斷電弧電壓k與整流器輸出電壓z代數和大于m，f才會流入f，滅磁換流才會成功，即放電滅磁換流公式（1）為：

自并勵誤強勵滅磁失敗大部分原因是不滿足放電滅磁換流公式。下面以某個自并勵勵磁系統為例進行說明，假設

。當勵磁誤強勵造成不同的空載過電壓倍數時，滅磁換流結果如表3所示。其結果表明，在磁場斷路器弧壓和滅磁電壓固定不變的情況下，勵磁誤強勵產生過電壓倍數的大小，決定了放電滅磁換流成功與否。也就是說勵磁誤強勵滅磁換流不成功是因為發電機空載過電壓倍數太高。降低發電機空載過電壓倍數，也就防止了勵磁誤強勵滅磁失敗，從而保護了勵磁設備安全。

表3　勵磁誤強勵時滅磁換流情況

事實上，除了氧化性電阻滅磁電壓固定不變外，碳化硅和線性電阻的滅磁電壓是變化的，磁場斷路器弧壓也是變化的。為此，勵磁標準規定放電滅磁換流公式[7]：

3　發電機空載過電壓保護實現與應用

當自并勵勵磁系統空載誤強勵，發電機電壓和轉子電流成正反饋狀態，并很快進入發電機空載特性飽和區。此時，發電機定子過電壓保護延時動作，發電機定子電壓已升至1.4～1.5倍額定值，轉子電流將增至2倍額定值以上，這樣不但增加了磁場斷路器不合理負擔，而且也影響到發電機本體安全。事實表明，由于在發電機極度過電壓事故條件下,本應立即切除故障滅磁,卻因過電壓保護動作延時,從而有可能導致事故進一步擴大化。

如果通過降低發電機過電壓整定值來達到在發電機空載過電壓時快速跳閘滅磁，考慮到大型發電機端電壓和電力系統的影響，其整定值下降空間并不大，通過長期運行經驗表明，現發電機過電壓整定值是合適和安全的。鑒于此，為保證發電機空載過電壓時能快速跳閘滅磁，對發電機空載過電壓保護提出兩種優化方法。

方法一：發電機過電壓保護的電壓設一段動作值（同原來不變），動作延時設二段（增加短延時段），通過發電機出口斷路器位置判據控制，動作邏輯如圖4所示。考慮到過電壓保護的可靠性，建議空載過電壓動作延時整定為0.1～0.15 s。

圖4　發電機過電壓保護動作邏輯圖（方法一）

方法二：發電機過電壓保護的電壓和動作延時均設二段，通過發電機并網信號位置判據控制，動作邏輯如圖5所示。考慮勵磁技術規程規定：發電機零起升壓的超調量不能大于10%，發電機甩額定無功負荷時機端電壓應不大于甩前電壓的1.15倍等諸多因素，建議空載過電壓保護動作整定值取1.2倍額定值，延時0.2 s，待滿足條件時，發電機勵磁逆變或跳閘，而在發電機負載狀態時，閉鎖該功能。且該方法已在溪洛渡電站成功應用，并取得了良好運行效果。

圖5　發電機過電壓保護動作邏輯圖（方案二）

4　結語

為了解決空載誤強勵下滅磁困難等難題，借助發電機并網信號位置（輔助接點）判據實現發電機空載過電壓保護在技術上是可行的，且已在溪洛渡電站成功應用，也是最經濟的技術措施。

參考資料：

[1]許其品，朱曉東，劉國華.大型發電機勵磁系統的設計[J].水電廠自動化，2009，11（4）.

[2]鄒先明，陳小明.交流電壓滅磁的現場試驗與應用[J].大電機技術，2003（1）.

[3]陳小明，胡先洪.勵磁系統交直流滅磁原理分析[J].水電廠自動化，2006（9）.

[4]李基成.大型水輪發電機組勵磁系統設計新理念[J].水電廠自動化，2007（2）.

[5]高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[M].2 版.北京：中國電力出版社，2010.

[6]吳跨宇，周平，高春如，等.基于空載誤強勵滅磁對發電機過電壓保護整定的研究[J].電力系統保護與控制，2011（1）.

[7]DL/T 684-2012大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則[S].

[8]DL/T 294.1-2011發電機滅磁及轉子過電壓保護裝置技術條件[S].

中圖分類號：TM77

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0011-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.004

收稿日期：2015-04-24

作者簡介：向秋芳（1982-），女，工程師，從事電廠電儀設備采購管理工作。