發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)配置研究

李劉博

陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司 山西 晉城 048102

引言

發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分,其主要任務(wù)是根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組提供一個(gè)可調(diào)節(jié)的直流勵(lì)磁電流,以滿足發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行方式的需要。靜止自并勵(lì)勵(lì)磁方式具有接線簡單、主機(jī)軸系短、造價(jià)低、運(yùn)行維護(hù)方便、反應(yīng)速度快等特點(diǎn),在大型發(fā)電機(jī)組中被廣泛采用。勵(lì)磁系統(tǒng)一旦發(fā)生故障,如果不能及時(shí)切除,不僅會導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)燒毀,而且會對電網(wǎng)產(chǎn)生惡劣影響。從設(shè)備組成來看,靜止勵(lì)磁系統(tǒng)包括勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁裝置和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組三部分。勵(lì)磁系統(tǒng)的故障除了勵(lì)磁變壓器的短路故障以及勵(lì)磁繞組的接地及過負(fù)荷故障之外,勵(lì)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(huán)短路、觸發(fā)脈沖丟失而引起的整流主回路異常運(yùn)行。長期以來,《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》中對勵(lì)磁變壓器的保護(hù)配置問題沒有明確規(guī)定,技術(shù)人員只能根據(jù)自己對規(guī)程的理解和經(jīng)驗(yàn)制定保護(hù)方案,因此常常對方案的保護(hù)范圍、能夠保護(hù)的故障類型缺乏詳細(xì)的了解。分析發(fā)現(xiàn),勵(lì)磁系統(tǒng)的保護(hù)主要集中在勵(lì)磁變壓器和勵(lì)磁繞組兩個(gè)環(huán)節(jié),保護(hù)范圍并未延伸至整流主回路,對于可能出現(xiàn)的整流主回路故障缺乏快速有效的保護(hù)措施。缺乏快速保護(hù)措施的整流主回路發(fā)生故障時(shí),可能因故障切除不及時(shí),造成事故的擴(kuò)大。而大型機(jī)組滑環(huán)極易因長期工作受到污染,如果污染清除不及時(shí),滑環(huán)短路故障時(shí)有發(fā)生。近年來,國內(nèi)連續(xù)發(fā)生了幾起因滑環(huán)短路導(dǎo)致整流回路中較大電流持續(xù)較長時(shí)間而引發(fā)勵(lì)磁功率柜燒毀的事故,事故損失嚴(yán)重,對機(jī)組和電網(wǎng)的運(yùn)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(jìn)行快速保護(hù)。

1 定子單相接地保護(hù)

1)定子單相接地的特點(diǎn)一般來說,小型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)多數(shù)采用不接地的方式。發(fā)電機(jī)的定子繞組單相接地的時(shí)候,零序電壓就會隨著發(fā)電機(jī)內(nèi)部接地點(diǎn)的位置而變化,接地點(diǎn)與發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)的位置越近,所產(chǎn)生的零序電壓就越小,接地點(diǎn)與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的位置越遠(yuǎn),所產(chǎn)生的零序電壓就越大,發(fā)電機(jī)端部接地時(shí)零序電壓將達(dá)到最大,也就是發(fā)電機(jī)的相電壓。一般在實(shí)際的工程中,是無法對故障點(diǎn)的零序電壓進(jìn)行直接獲取的,大都是通過發(fā)電機(jī)端部的電壓互感器來進(jìn)行測量的。2)定子接地保護(hù)的配置根據(jù)繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程的相關(guān)規(guī)定,和母線直接連接的發(fā)電機(jī),考慮單相接地故障電流較允許值大的時(shí)候,就應(yīng)該有選擇性地設(shè)置接地保護(hù)功能。3)零序電壓式定子接地的保護(hù)經(jīng)過上文的分析論述,接地點(diǎn)的零序電壓是可以經(jīng)過發(fā)電機(jī)端部的電壓互感器獲取的,但是由于發(fā)電機(jī)直接與母線相連接,當(dāng)發(fā)電機(jī)本體或本體外發(fā)生接地故障時(shí),發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓互感器就會有零序電壓的產(chǎn)生,那么就會沒有辦法判斷接地點(diǎn)的具體位置。所以,零序電壓式定子接地保護(hù)只適用于變壓器組接線類型的發(fā)電機(jī),并不適用于和母線直接相連接的發(fā)電機(jī),也不適用于變壓器組經(jīng)電抗器帶廠用分支類型的發(fā)電機(jī)。

2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置和失磁保護(hù)的配合

2.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置低勵(lì)保護(hù)的整定要求 發(fā)電機(jī)失磁指的是發(fā)電機(jī)磁極剩磁很弱或沒有,在旋轉(zhuǎn)過程中建立不了勵(lì)磁電壓,失磁時(shí)發(fā)電機(jī)沒有電壓輸出。而發(fā)電機(jī)低勵(lì)是指發(fā)電機(jī)有勵(lì)磁電壓,只是電壓低,達(dá)不到要求,是發(fā)電機(jī)的一種非正常運(yùn)行狀態(tài)。在低勵(lì)情況下發(fā)電機(jī)輸出的電壓比額定電壓低一些。發(fā)電機(jī)低勵(lì)運(yùn)行,其定、轉(zhuǎn)子間磁場聯(lián)系減弱,發(fā)電機(jī)易失去靜態(tài)穩(wěn)定。為了確保一定的靜態(tài)穩(wěn)定裕度,勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上均配置了低勵(lì)限制回路,即當(dāng)發(fā)電機(jī)一定的有功功率下,無功功率滯相低于某一值或進(jìn)相大于某一值時(shí),在勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置綜合放大回路中輸出一增加機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)信號,使勵(lì)磁增加,起到保護(hù)作用。在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流減小直至失磁的過程中,勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的低勵(lì)限制保護(hù)應(yīng)首先動作,如未起到限制作用,則應(yīng)切到備用通道；如切到備用通道仍然未能起限制作用,則應(yīng)該由失磁保護(hù)判斷后動作停機(jī)。低勵(lì)限制單元應(yīng)先于失磁保護(hù)動作,以滿足低勵(lì)限制和失磁保護(hù)的整定配合,這是對低勵(lì)限制整定的基本要求。發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制曲線)；另一種是直線限制曲線(如南瑞的SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制曲線)。

2.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)快速保護(hù)方案 上述事故分析表明,現(xiàn)有的靜止勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)配置方案存在缺陷,勵(lì)磁裝置整流主回路缺少快速的保護(hù)措施,而當(dāng)前大型機(jī)組滑環(huán)極易因長期工作受到污染,如果污染清除不及時(shí),滑環(huán)短路故障時(shí)有發(fā)生,因此發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)需加以改進(jìn)和完善。如果將勵(lì)磁變壓器過流Ⅱ段的延時(shí)定值減小,勵(lì)磁裝置的損失可能會有所降低或避免,但由于勵(lì)磁變壓器過流Ⅱ段為保證靈敏度按照躲過強(qiáng)勵(lì)電流整定,整定值較小,必須加較長延時(shí)以防止暫態(tài)過程等引起的誤動,目前整定的0.5s延時(shí)減小的空間不大。為解決上述問題,可在原有兩段勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)的基礎(chǔ)上增設(shè)一段過流保護(hù),采用合適的電流定值及延時(shí),實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的快速保護(hù)。下文將對所增設(shè)的過流保護(hù)的整定值及安裝位置加以說明。

2.3 過勵(lì)磁保護(hù)及勵(lì)磁限制器 同發(fā)電機(jī)低勵(lì)磁一樣,過勵(lì)磁也是發(fā)電機(jī)的一種非正常運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生過勵(lì)磁時(shí),鐵芯的工作磁密升高導(dǎo)致其出現(xiàn)飽和使得鐵損增加。鐵芯飽和還會使漏磁場增強(qiáng),漏磁通在穿過鐵芯表面和相應(yīng)結(jié)構(gòu)件中引起的渦流損耗也相應(yīng)增加。由這些附加損耗引起的溫升有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組絕緣的損壞。因此勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上均配置了過勵(lì)磁限制器,在發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁時(shí)起到限制勵(lì)磁和保護(hù)發(fā)電機(jī)的作用。

結(jié)語

1)在目前發(fā)電機(jī)保護(hù)配置下,勵(lì)磁主回路發(fā)生滑環(huán)短路故障時(shí)由勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)切除,可能造成大電流長時(shí)間持續(xù),導(dǎo)致勵(lì)磁設(shè)備燒毀,從而擴(kuò)大事故范圍。2)在現(xiàn)有兩段勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)的基礎(chǔ)上增設(shè)一段過流保護(hù),采用合適的電流定值及延時(shí),可實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)故障的快速保護(hù)。3)為快速對勵(lì)磁主回路故障做出反應(yīng),同時(shí)盡量降低誤動風(fēng)險(xiǎn),新增過流保護(hù)段可配備在勵(lì)磁變壓器低壓側(cè),整定為5倍額定勵(lì)磁電流,延時(shí)可整定為0.2s或更小。4)該方案可在現(xiàn)有硬件條件下實(shí)施,在保證靈敏度的前提下無需增加額外成本,易于推廣應(yīng)用。