空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁計(jì)算與發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的整定

邸海燕，陳靈峰

（1. 浙江衢州學(xué)院機(jī)電工程系，浙江省衢州市 324000；2.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省桐柏市 317200）

空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁計(jì)算與發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的整定

邸海燕1，陳靈峰2

（1. 浙江衢州學(xué)院機(jī)電工程系，浙江省衢州市 324000；2.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省桐柏市 317200）

本文以某電廠為例，以發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)其誤強(qiáng)勵(lì)滅磁時(shí)的相關(guān)電氣量進(jìn)行工程上的簡(jiǎn)化計(jì)算，并與該電廠滅磁開(kāi)關(guān)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，從而對(duì)該電廠發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間的整定提出修改意見(jiàn)。

空載誤強(qiáng)勵(lì)；滅磁；過(guò)電壓保護(hù)；動(dòng)作時(shí)間

0 引言

按照ANSI/IEEE C37.18標(biāo)準(zhǔn)，勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁開(kāi)關(guān)（即直流磁場(chǎng)斷路器）的額定分?jǐn)嗄芰?yīng)按照發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路的滅磁工況進(jìn)行計(jì)算選擇。然而根據(jù)分析計(jì)算表明，空載誤強(qiáng)勵(lì)情況下的滅磁，對(duì)滅磁開(kāi)關(guān)的性能有更高的要求。這是因?yàn)槟壳鞍l(fā)電機(jī)繼電保護(hù)的配置方式未能對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)進(jìn)行有效的保護(hù)，只能靠發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)或勵(lì)磁變壓器得相關(guān)保護(hù)來(lái)動(dòng)作跳閘滅磁，但它們都不是專(zhuān)門(mén)針對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)而設(shè)置的保護(hù)。

對(duì)于誤強(qiáng)勵(lì)，發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)的整定值過(guò)高，且延時(shí)動(dòng)作。保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流已較大，轉(zhuǎn)子達(dá)到一定的飽和深度，其時(shí)間常數(shù)也較小，在保護(hù)延時(shí)出口跳閘滅磁期間，轉(zhuǎn)子電流大幅增加，使誤強(qiáng)勵(lì)滅磁開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)子電流及發(fā)電機(jī)端電壓均高于發(fā)電機(jī)的其他滅磁工況。

本文以某電廠為例，根據(jù)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)的延時(shí)整定值，對(duì)空載誤強(qiáng)勵(lì)工況下的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1 原始參數(shù)

1.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

1.2 發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)定值

動(dòng)作電壓：1.3倍額定機(jī)端電壓

動(dòng)作時(shí)間：0.5s

1.3 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)

勵(lì)磁變壓器：1530kVA，18/0.55kV，Uk=6%。

碳化硅滅磁電阻非線性系數(shù)：β=0.4

1.4 發(fā)電機(jī)空載特性

發(fā)電機(jī)空載特性如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)空載特性

2 計(jì)算發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子電感及發(fā)電機(jī)端電壓

由發(fā)電機(jī)空載特性求取特性上各點(diǎn)的βi，按式（1）求出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)：

計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。相關(guān)的關(guān)系圖如圖2、圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)子電流與時(shí)間常數(shù)關(guān)系圖

圖3 轉(zhuǎn)子電流與機(jī)端電壓關(guān)系圖

表2 發(fā)電機(jī)直軸瞬變開(kāi)路時(shí)間常數(shù)T′d0i隨轉(zhuǎn)子電流的變化

表3 發(fā)電機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)子電流的變化

3 計(jì)算誤強(qiáng)勵(lì)滅磁開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)子電流及勵(lì)磁功率整流器的輸出電壓

該電廠的發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)定值為1.3倍額定機(jī)端電壓，延時(shí)0.5s出口跳閘。當(dāng)發(fā)生誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)，在發(fā)電機(jī)端電壓達(dá)1.3倍額定機(jī)端電壓后過(guò)電壓保護(hù)延時(shí)0.5s動(dòng)作跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)。考慮保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間及滅磁開(kāi)關(guān)的分閘時(shí)間，滅磁開(kāi)關(guān)主觸頭將在機(jī)端電壓達(dá)到1.3倍額定電壓后的0.6s開(kāi)始分閘，此時(shí)的轉(zhuǎn)子電流為誤強(qiáng)勵(lì)滅磁開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)子電流If（0）。If（0）可采用下式按分段計(jì)算法計(jì)算：

式中：If（i-1）——t（i-1）時(shí)刻的轉(zhuǎn)子電流；

Ifc（i-1）——t（i-1）時(shí)刻的轉(zhuǎn)子電壓下轉(zhuǎn)子的穩(wěn)

態(tài)電流（也就是頂值電流）；

Ti-1——If（i-1）時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)（定子開(kāi)路時(shí)），可由If（i-1）及發(fā)電機(jī)空載特性按式（1）計(jì)算或以表2按線性插值計(jì)算；

Δti——i計(jì)算時(shí)段的時(shí)間長(zhǎng)度，Δti=ti-t（i-1）。計(jì)算時(shí)忽略整流回路的換流壓降。

（1）由發(fā)電機(jī)空載特性，查的發(fā)電機(jī)端電壓達(dá)1.3倍額定電壓時(shí)（t=0-），轉(zhuǎn)子電流為2150A。

（2）t1=0.1s時(shí)（第1時(shí)段，i=1）的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算。對(duì)第1時(shí)段，i=1，可有：

式中：If（0-）=2150A；根據(jù)表2，采用線性插值法可求得T1=1.795s；Δt1=0.1s，以下各計(jì)算時(shí)段同。

另外：

式中：1.35為整流器的電壓整流系數(shù)。對(duì)于第1時(shí)段，U2（i-1）為發(fā)電機(jī)達(dá)1.3倍額定電壓時(shí)（t=0）勵(lì)磁變壓器的二次側(cè)電壓U2（0），U2（0）=1.3U2N。則：

計(jì)算按誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)晶閘管的控制角為0考慮。

于是：

（3）t2=0.2s時(shí)（第2時(shí)段，i=2）的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算。

根據(jù)If(1)=2455A，按表2和線性插值法算得T2=1.4415s。

當(dāng)If(1)=2455A時(shí)，根據(jù)表3，用線性插值法可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的機(jī)端電壓是額定值的1.335倍，那么：

那么：

（4）t3=0.3s時(shí)（第3時(shí)段，i=3）的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算。

根據(jù)If(2)=2826A，按表2和線性插值法算得T3=1.027s。

當(dāng)If(2)=2826A時(shí)，根據(jù)表3，用線性插值法可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的機(jī)端電壓是額定值的1.37倍，那么：

那么：

（5）t4=0.4s時(shí)（第4時(shí)段，i=4）的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算。

根據(jù)If(3)=3324A，按表2和線性插值法算得T4=0.85s。

當(dāng)If(3)=3324A時(shí)，根據(jù)表3，用線性插值法可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的機(jī)端電壓是額定值的1.40倍，那么：

那么：

（6）t5=0.5s時(shí)（第5時(shí)段，i=5）的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算。

根據(jù)If(4)=3885A，按表2和線性插值法算得T5=0.84s。

當(dāng)If(4)=3885A時(shí)，根據(jù)表3，用線性插值法可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的機(jī)端電壓是額定值的1.43倍，那么：

那么：

（7）t6=0.6s時(shí)（第6時(shí)段，i=6）的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算。

根據(jù)If(5)=4410A，按表2和線性插值法算得T5=0.84s。

當(dāng)If(5)=4410A時(shí)，根據(jù)表3，用線性插值法可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的機(jī)端電壓是額定值的1.48倍，那么：

那么：

（8）t6=0.6s時(shí)（第6時(shí)段，i=6）勵(lì)磁功率整流器的輸出電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流為4909A時(shí)，機(jī)端電壓是額定值的1.48倍，第6計(jì)算時(shí)段末（t6時(shí)刻）勵(lì)磁功率整流器的輸出電壓由下式計(jì)算得：

故誤強(qiáng)勵(lì)滅磁開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)子電流為4909A，勵(lì)磁功率整流器的輸出電壓為1098.9V。

4 滅磁開(kāi)關(guān)主觸頭額定最大分?jǐn)嚯妷旱倪x擇

滅磁開(kāi)關(guān)額定分?jǐn)嗄芰τ墒剑?）進(jìn)行計(jì)算：

在初選時(shí)，可先設(shè)定誤強(qiáng)勵(lì)滅磁時(shí)滅磁電阻的最高電壓，通常不低于1000V。再由前文計(jì)算出的誤強(qiáng)勵(lì)滅磁開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)子電流及勵(lì)磁功率整流器的輸出電壓（平均值）計(jì)算出滅磁開(kāi)關(guān)主觸頭額定最大分?jǐn)嚯妷骸?/p>

5 碳化硅非線性電阻

該電廠碳化硅非線性電阻的伏安特性如圖4所示。

圖4 某電廠碳化硅非線性電阻伏安特性

由圖4可得：該型號(hào)的碳化硅的位形系數(shù)C=33.47～43，取平均值38.235；β=0.4。它的特性為：

（1）當(dāng)該廠發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間整定為0.5s時(shí)，誤強(qiáng)勵(lì)滅磁開(kāi)始時(shí)（0.6s）的電流為4909A時(shí)，可以通過(guò)上式計(jì)算得到此時(shí)滅磁電阻上的電壓：

根據(jù)式（2）可得此轉(zhuǎn)子電流下滅磁開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嚯妷簽椋?/p>

此時(shí)的滅磁開(kāi)關(guān)需要分?jǐn)嗟碾妷焊哂谠撾姀S滅磁開(kāi)關(guān)（CEX71 2000 3.2）技術(shù)說(shuō)明書(shū)中規(guī)定的最大分?jǐn)嚯妷?100V。

（2）若該廠發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間整定為0.3s，誤強(qiáng)勵(lì)滅磁開(kāi)始時(shí)（0.4s）的電流根據(jù)前文的計(jì)算為3885A時(shí)，通過(guò)線性插值法可知，其對(duì)應(yīng)的機(jī)端電壓為1.43倍的額定機(jī)端電壓。同法，可得到3885A電流時(shí)滅磁開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嚯妷海?/p>

該分?jǐn)嚯妷号c該電廠滅磁開(kāi)關(guān)允許的最大分?jǐn)嚯妷簽椋?100V）基本一致。

6 發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)整定導(dǎo)則的規(guī)定

《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》（DL/T 684—2012）中的4.8.4規(guī)定：對(duì)于采用可控硅勵(lì)磁的水輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)定子過(guò)電壓保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限取0.3s，動(dòng)作于解列滅磁。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)誤強(qiáng)勵(lì)后開(kāi)始滅磁時(shí)滅磁開(kāi)關(guān)分?jǐn)嚯妷旱暮?jiǎn)化計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)，該廠發(fā)電機(jī)定子過(guò)電壓保護(hù)整定值（1.3倍額定，0.5s）中的動(dòng)作時(shí)限整定的不合適。當(dāng)延時(shí)0.5s后動(dòng)作跳閘滅磁，此時(shí)轉(zhuǎn)子電流相對(duì)較大4909A，轉(zhuǎn)子飽和較深，滅磁開(kāi)關(guān)所需分?jǐn)嗟碾妷阂簿洼^大（2243.9V），已經(jīng)超過(guò)了此型號(hào)滅磁開(kāi)關(guān)的規(guī)定最大分?jǐn)嚯妷海?100V）。而當(dāng)延時(shí)取DL/T 684—2012中規(guī)定的0.3s時(shí)，轉(zhuǎn)子電流為3885A，滅磁開(kāi)關(guān)所需分?jǐn)嗟碾妷簽?104V，與滅磁開(kāi)關(guān)允許的最大分?jǐn)嚯妷夯疽恢隆?/p>

因此建議，將該廠發(fā)電機(jī)定子過(guò)電壓保護(hù)的延時(shí)整定值改為0.3s。這樣，既能快速切除故障，縮短滅磁時(shí)間，減輕滅磁電阻的負(fù)擔(dān)，減小定、轉(zhuǎn)子受到的危害，也能改善滅磁開(kāi)關(guān)的工作環(huán)境，延長(zhǎng)壽命。

[1]梁建行.發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)的分析與計(jì)算.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]吳跨宇，等.基于空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁對(duì)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)整定的研究.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011.

邸海燕（1979—），女，工程碩士，副教授，主要從事機(jī)電控制教學(xué)工作。

陳靈峰（1978—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事繼電保護(hù)和勵(lì)磁系統(tǒng)的檢修維護(hù)工作。

The Calculation of No-load Faulty Forced Excitation and the Action Time Setting of Generator Overvoltage Protection

DI Haiyan1，CHEN Lingfeng2
（1.Department of mechanical and electrical engineering，Quzhou University，Quzhou 324000，China;2. Tongbai Pumped Storage Power Co.， Ltd.， State Grid Xinyuan Company， Tongbai 317200，China)

According to the pickup time of the overvoltage protection of one certain plant，this paper simplified calculates some related electrical variables on no-load fault forcing excitation condition and compares these variables with the parameters of the de-excitation circuit breaker of the plant.According to the result of the analysis， this paper puts forward to modify the setting value of the pickup time of the overvoltage protection of this plant.

no-load fault forcing excitation；de-excitation；overvoltage protection；pickup time