淺析安德里茨THYNE6勵磁系統過勵限制及其與過勵保護的配合

陳 剛

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司運維檢修部，浙江省安吉縣 313302）

淺析安德里茨THYNE6勵磁系統過勵限制及其與過勵保護的配合

陳 剛

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司運維檢修部，浙江省安吉縣 313302）

本文介紹了某抽水蓄能電站勵磁系統調節器（GMR3）和發電機保護裝置（DRS-COMPACT）。通過過勵限制與過勵保護的動作值與動作時間的具體計算，分析出過勵限制與過勵保護的配合關系，并提出整定值修改建議。

勵磁系統；過勵限制；過勵保護；特性曲線；配合關系；整定

0 引言

發電機轉子過負荷保護和勵磁系統的過勵限制是發電機的兩個重要的保護配置，而兩者之間必須要有一定的配合關系，即過勵限制要先于保護動作。

1 勵磁系統簡介

某抽水蓄能電站機組配置的是奧地利安德里茨公司THYNE6勵磁系統，勵磁調節器型號為GMR3，其具有無延時最大勵磁電流限制和帶延時的勵磁電流限制兩種功能。

勵磁調節器軟件結構如圖1所示，由自動模式（AVR）、手動模式（FCR）組成。

為了防止保護裝置誤動和保護發電機不受損壞，勵磁系統設置了如下限制器：勵磁電流限制器，定子電流限制器，功角（低勵）限制器，U/f限制器。帶限制功能的發電機功率圓如圖2所示。

圖1

圖2

2 過勵限制器簡介

過勵限制即轉子過電流限制（Over Excitation Limiter-OEL）有兩個方面的功能：一是要保證勵磁繞組不致過熱，二是要充分利用勵磁繞組短時過載的能力，盡可能地在系統需要的時候提供無功功率，支持系統電壓恢復。所以，過勵限制器分為帶延時和無延時兩種。帶延時過勵限制器具有反延時特性，來保證勵磁繞組在允許的溫度下可靠運行。

2.1 無延時勵磁電流限制器

無延時勵磁電流限制器含有最大值和最小值兩個PI調節器。根據發電機的功率圓，最小值限制將勵磁電流限制在最小的允許值內，最大限制將控制最大頂值電流。這兩個限制器可分別進行投切。

其中：IPIW 勵磁電流實際值

IPMIN 最小勵磁電流限制

IPMAX 最大勵磁電流限制

IPSoll 電壓調節器的輸出信號

IPSWG 自動模式下的勵磁電流總的設定值

最小勵磁電流限制器的PI調節器傳遞函數：

圖3

其中：FRMin（s） 最小勵磁電流限制器的傳函

KPMin比例放大倍數

TIMin積分時間

最大勵磁電流限制器的PI調節器傳遞函數：

其中：FRMaxU（s） 最大勵磁電流限制器的傳函

KPMaxU比例放大倍數

TIMaxU積分時間

限制器的輸出信號通過控制勵磁電流疊加在電壓調節器的輸出信號中。因此，限制器可直接影響勵磁電流調節器。當勵磁電流的實際值低于最小限制值IPMIN時，限制器被啟動，最小勵磁電流限制器將增加勵磁電流。當勵磁電流的實際值高于最大限制值IPMAX時，限制器被啟動，最大勵磁電流限制器將降低勵磁電流。

2.2 帶延時的最大勵磁電流限制器

此限制器具有電流特性的延時（反時限特性），來保證勵磁電流在允許溫度下運行。

其中：IPIW 勵磁電流實際值

IPIMAXV 勵磁電流最大值

IPZONE 死區

limiter2 限制器的輸出信號

UGSW 發電機電壓設定值

UGSWS 發電機電壓總的設定值

勵磁電流的實際值IPIW通過延時單元送至一個比較器進行比較。如果延時后的勵磁電流實際值比最大允許值IPMAXV大時，比較器就啟動，同時限制積分器開始負方向積分。積分器的值輸出將降低定子電壓的設定值。當勵磁電流降至最大允許值IPMAXV之下時，限制積分器就被解除，輸出信號將維持不變。當勵磁電流值降至IPMAXV-IPZONE時，限制積分器的控制輸出信號向零復歸，即將限制的作用降低。

延時單元的傳遞函數為：

圖4

可以用下面的公式來計算比較器的響應時間tan：

其中：TVIPB延時時間

IP1過流前的運行電流IP2過電流

IPMAXV比較器的門檻限制

由傳遞函數可知：帶延時的最大勵磁電流限制器，其動作時間與過載前的運行勵磁電流有關系，即過載的運行勵磁電流越小，其允許的過載時間越長。

3 過勵限制，過勵保護，與發電機轉子過負荷能力配合關系

由于某電站是抽水蓄能型機組，按照一般運行規律，不論發電還是抽水工況下，一般均運行于額定有功功率點。因此，在機組正常帶負荷運行過程中，勵磁電流通常不小于80%Ifn，即過勵發生前，通常勵磁電流不會小于80%Ifn。以下過勵限制曲線以80%Ifn作為過電流發生前的初始勵磁電流值。

（1）根據GB/T 7894—2009《水輪發電機基本技術條件》中7.1.2的規定，水輪發電機的轉子繞組應能承受2倍額定勵磁電流，持續時間空氣冷卻的水輪發電機不少于50s。

用下面解析式表達：

DL/T 583—2006《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件》中4.2.2的規定：勵磁頂值電壓倍數一般為1.5～2.0倍，勵磁頂值電壓倍數小于2時，勵磁頂值電流倍數與勵磁頂值電壓倍數相同。勵磁頂值電壓倍數超過2時，勵磁頂值電流倍數仍取2。

（2）勵磁變壓器過流保護51ET-B定值為0.16A，3s，對應額定勵磁電流為1.177倍，3s。

（3）當前勵磁電流限制器定值：

勵磁電流限制器V1821最大勵磁電流限制整定值（瞬時）1.6 p.u.值V1842最大勵磁電流限制整定值（定時）1.0698 p.u.值V1952最大勵磁電流限制器延遲時間0.5 51.2s

（4）根據以上計算公式及定值，可得過勵限制，過勵保護，與發電機轉子過負荷能力配合關系計算數據，見表1。

表1 保護定時限、勵磁限制器動作數據表

（5）根據計算數據作圖如圖5所示。

圖5

4 存在的問題及改進方案

4.1 存在的問題

根據圖5，可以發現當前存在以下問題：

（1）勵磁定時限限制器定值為1.6，不能滿足GB/T 7409的要求（勵磁系統頂值電流倍數取2.0）。

（2）在初始勵磁電流為80%Ifn的條件下，勵磁反時限定值不能滿足GB/T 7409.3標準要求的2.0倍強勵勵磁電流，允許持續時間應不小于10s。

（3）勵磁變壓器過流保護51ET-B（定時限）定值，0.16A，3s對應勵磁電流為1.177p.u.，3s。不能滿足GB/T 7409.3標準要求的2.0倍強勵勵磁電流，允許持續時間應不小于10s。

（4）當勵磁電流長期過負荷運行在1.07～1.177倍，且限制失敗時，由于沒有相應的過負荷保護動作，因此有可能發生機組轉子過負荷損壞的情況。

4.2 改進方案

（1）經勵磁系統數據復核計算后，將無延時最大勵磁電流限制器定值V1842由1.6修改為2.0。將最大勵磁電流限制器延遲時間常量V1952修改，使其滿足GB/T 7409.3標準規定的2倍10s強勵要求。

（2）修改后的定值為：

（3）提高勵磁變壓器過流保護51ET-B（定時限）定值，該定值不能限制GB/T 7409.3標準規定的2倍10s強勵要求。比如修改后的定值對應額定勵磁電流2.0倍11s動作。

（4）升級繼電保護裝置，在目前僅有定時限過負荷保護的基礎上，增加反時限過勵保護功能。用于對轉子電流在1.07～2倍之間且勵磁電流反時限失敗時，對發電機提供保護。

原理如下：

式中：J（t）——繞組流過電流時間t后繞組的溫升；

tE——繞組的溫升時間常數；

I——流過繞組的電流；

I0——繞組的額定電流；

Jlimit——繞組的最大溫升。

定值如下：

（5）根據修改后的定值，配合關系計算見表2～表3。

表2 保護定時限、勵磁限制器動作數據表

表3 保護反時限動作數據表

圖6

（6）根據數據作圖如圖6所示。

由圖6可見，發電機轉子過負荷能力，保護反時限，保護定時限（2Ifn，11s），過勵限制OEL配合關系較好，且滿足GB/T 7409.3標準規定的2倍強勵勵磁電流10s的要求。充分發揮了發電機在電力系統異常過程中的無功、電壓支撐能力。

陳 剛（1975—）男，大學本科，電氣工程師，高級運維專職，從事勵磁系統檢修維護工作。

A Brief Analysis of the Over Excitation Limiter of ANDRITZ THYNE6 Excitation System and Cooperation with Over Excitation Protection

CHEN Gang
（East China Tianhuangping Pumped-Storage Power CO.，Ltd.，Anji 313302，China）

This paper describes excitation system regulator（GMR3）and generator protection device （DRS-COMPACT）of a pumped storage power station. By calculating operate value and operate time，we can analyse the cooperation of over excitation limiter and over excitation protection，and then put forward the adjustment of the setting value.

excitation system；over excitation Limiter；rotor over current protection；characteristic curv；setting adjustment