發電機勵磁系統保護配置研究

李劉博

陽城國際發電有限責任公司 山西 晉城 048102

引言

發電機的勵磁系統是同步發電機的重要組成部分,其主要任務是根據發電機運行狀態,向發電機的勵磁繞組提供一個可調節的直流勵磁電流,以滿足發電機各種運行方式的需要。靜止自并勵勵磁方式具有接線簡單、主機軸系短、造價低、運行維護方便、反應速度快等特點,在大型發電機組中被廣泛采用。勵磁系統一旦發生故障,如果不能及時切除,不僅會導致勵磁系統燒毀,而且會對電網產生惡劣影響。從設備組成來看,靜止勵磁系統包括勵磁變壓器、勵磁裝置和發電機勵磁繞組三部分。勵磁系統的故障除了勵磁變壓器的短路故障以及勵磁繞組的接地及過負荷故障之外,勵磁裝置也有多種類型的故障形式,既包括因過電壓或電壓(流)上升率過大而引起的整流器件損壞,也包括因器件失效、主回路斷臂、滑環短路、觸發脈沖丟失而引起的整流主回路異常運行。長期以來,《繼電保護和安全自動裝置技術規程》中對勵磁變壓器的保護配置問題沒有明確規定,技術人員只能根據自己對規程的理解和經驗制定保護方案,因此常常對方案的保護范圍、能夠保護的故障類型缺乏詳細的了解。分析發現,勵磁系統的保護主要集中在勵磁變壓器和勵磁繞組兩個環節,保護范圍并未延伸至整流主回路,對于可能出現的整流主回路故障缺乏快速有效的保護措施。缺乏快速保護措施的整流主回路發生故障時,可能因故障切除不及時,造成事故的擴大。而大型機組滑環極易因長期工作受到污染,如果污染清除不及時,滑環短路故障時有發生。近年來,國內連續發生了幾起因滑環短路導致整流回路中較大電流持續較長時間而引發勵磁功率柜燒毀的事故,事故損失嚴重,對機組和電網的運行安全造成威脅。因此,需引起重視并采取必要的措施,對此類故障進行快速保護。

1 定子單相接地保護

1)定子單相接地的特點一般來說,小型發電機中性點多數采用不接地的方式。發電機的定子繞組單相接地的時候,零序電壓就會隨著發電機內部接地點的位置而變化,接地點與發電機的中性點的位置越近,所產生的零序電壓就越小,接地點與發電機中性點的位置越遠,所產生的零序電壓就越大,發電機端部接地時零序電壓將達到最大,也就是發電機的相電壓。一般在實際的工程中,是無法對故障點的零序電壓進行直接獲取的,大都是通過發電機端部的電壓互感器來進行測量的。2)定子接地保護的配置根據繼電保護和安全自動裝置技術規程的相關規定,和母線直接連接的發電機,考慮單相接地故障電流較允許值大的時候,就應該有選擇性地設置接地保護功能。3)零序電壓式定子接地的保護經過上文的分析論述,接地點的零序電壓是可以經過發電機端部的電壓互感器獲取的,但是由于發電機直接與母線相連接,當發電機本體或本體外發生接地故障時,發電機的機端電壓互感器就會有零序電壓的產生,那么就會沒有辦法判斷接地點的具體位置。所以,零序電壓式定子接地保護只適用于變壓器組接線類型的發電機,并不適用于和母線直接相連接的發電機,也不適用于變壓器組經電抗器帶廠用分支類型的發電機。

2 勵磁調節裝置和失磁保護的配合

2.1 勵磁調節裝置低勵保護的整定要求 發電機失磁指的是發電機磁極剩磁很弱或沒有,在旋轉過程中建立不了勵磁電壓,失磁時發電機沒有電壓輸出。而發電機低勵是指發電機有勵磁電壓,只是電壓低,達不到要求,是發電機的一種非正常運行狀態。在低勵情況下發電機輸出的電壓比額定電壓低一些。發電機低勵運行,其定、轉子間磁場聯系減弱,發電機易失去靜態穩定。為了確保一定的靜態穩定裕度,勵磁調節系統在設計上均配置了低勵限制回路,即當發電機一定的有功功率下,無功功率滯相低于某一值或進相大于某一值時,在勵磁調節裝置綜合放大回路中輸出一增加機端電壓的調節信號,使勵磁增加,起到保護作用。在發電機勵磁電流減小直至失磁的過程中,勵磁調節裝置的低勵限制保護應首先動作,如未起到限制作用,則應切到備用通道；如切到備用通道仍然未能起限制作用,則應該由失磁保護判斷后動作停機。低勵限制單元應先于失磁保護動作,以滿足低勵限制和失磁保護的整定配合,這是對低勵限制整定的基本要求。發電機組勵磁調節器低勵限制單元的限制曲線主要有兩種形式：一種是圓弧限制曲線(如ABBUNITROL5000型勵磁調節器的低勵限制曲線)；另一種是直線限制曲線(如南瑞的SAVR2000勵磁調節器的低勵限制曲線)。

2.2 發電機勵磁系統快速保護方案 上述事故分析表明,現有的靜止勵磁系統保護配置方案存在缺陷,勵磁裝置整流主回路缺少快速的保護措施,而當前大型機組滑環極易因長期工作受到污染,如果污染清除不及時,滑環短路故障時有發生,因此發電機勵磁系統保護需加以改進和完善。如果將勵磁變壓器過流Ⅱ段的延時定值減小,勵磁裝置的損失可能會有所降低或避免,但由于勵磁變壓器過流Ⅱ段為保證靈敏度按照躲過強勵電流整定,整定值較小,必須加較長延時以防止暫態過程等引起的誤動,目前整定的0.5s延時減小的空間不大。為解決上述問題,可在原有兩段勵磁變壓器過流保護的基礎上增設一段過流保護,采用合適的電流定值及延時,實現勵磁系統的快速保護。下文將對所增設的過流保護的整定值及安裝位置加以說明。

2.3 過勵磁保護及勵磁限制器 同發電機低勵磁一樣,過勵磁也是發電機的一種非正常運行狀態,當發電機發生過勵磁時,鐵芯的工作磁密升高導致其出現飽和使得鐵損增加。鐵芯飽和還會使漏磁場增強,漏磁通在穿過鐵芯表面和相應結構件中引起的渦流損耗也相應增加。由這些附加損耗引起的溫升有可能導致發電機繞組絕緣的損壞。因此勵磁調節系統在設計上均配置了過勵磁限制器,在發電機過勵磁時起到限制勵磁和保護發電機的作用。

結語

1)在目前發電機保護配置下,勵磁主回路發生滑環短路故障時由勵磁變壓器過流保護切除,可能造成大電流長時間持續,導致勵磁設備燒毀,從而擴大事故范圍。2)在現有兩段勵磁變壓器過流保護的基礎上增設一段過流保護,采用合適的電流定值及延時,可實現勵磁系統故障的快速保護。3)為快速對勵磁主回路故障做出反應,同時盡量降低誤動風險,新增過流保護段可配備在勵磁變壓器低壓側,整定為5倍額定勵磁電流,延時可整定為0.2s或更小。4)該方案可在現有硬件條件下實施,在保證靈敏度的前提下無需增加額外成本,易于推廣應用。