發電機失磁保護的可靠性研究

任建軍，毛青海，熊 杰

(1．陜西省水電開發有限責任公司二郎壩發電公司，陜西 寧強 724400；2．華自科技股份有限公司，湖南 長沙 410000)

1 概 述

2020年5月，陜西省二郎壩發電公司5號發電機后備保護報“勵磁低電壓或失穩”信號。筆者認真研究了5號機微機發電機保護裝置技術說明，對其進行了詳細的分析。

2 原失磁保護的特點

(1)原失磁保護在設計中疊加了“轉子電壓判據”，這也是傳統的方案(見圖1、圖2)。

圖1 C1型失磁保護的低電壓判據邏輯

圖2 C1型失磁保護邏輯框圖

(2)裝置雖然考慮了強減的影響，但卻是用發電機端過電壓來閉鎖的(見圖3)。從保護發電機過壓的角度考慮，以額定機端電壓為參考點是可以的，但為了防止誤發報警信號，用額定機端電壓的過壓倍數做參考就不合適了。實際運行時，發電機并不全是工作在額定機端電壓點，按額定機端過電壓來閉鎖，起不到閉鎖的作用。

圖3 C1型轉子低電壓判據閉鎖

(3)裝置選取勵磁低電壓判據的定值Ulcdydz=K·Ufd0(Ufd0為發電機空載勵磁電壓)和可靠系數K(取0.2～0.5，見圖4)，并沒有理論依據，而是居于傳統勵磁的經驗。

圖4 C1型轉子低電壓判據設置

(4)裝置雖然引用了長延時來躲避各種可能的誤報，但是其一，并未考慮可控硅三相全控整流橋的特點；其二，默認的延時初始值為0.1 s(t6,見圖5)；其三，怎么設置t6，沒有定值，全憑經驗和試驗數據。

圖5 C1型轉子低電壓判據延時t6設置

3 相關規范對失磁保護的要求

(1)原失磁保護裝置是基于《水力發電廠繼電保護設計導則》(DL/T 5177—2003)，該導則的一般要求強調的是要裝設“勵磁電流異常下降或消失”保護；但在操作上卻轉為了“轉子電壓判據”，操作與要求并不吻合(見圖6)。

圖6 《水力發電廠繼電保護設計導則》關于失磁保護采用勵磁電壓判據的描述

(2)其他相關標準對失磁和失步的要求都是要求以阻抗圓和勵磁電流(轉子電流)的變化為依據，如《繼電保護和安全自動裝置技術規程》(GB/T 14285—2006)、《發電機變壓器組保護裝置通用技術條件》(DL/T 671—2010)、《水力發電廠繼電保護設計規范》(NB/T 35010—2013，替代DL/T 5177—2003)。因為在發電機功率圓坐標上，并網時的無功分量是與勵磁電流直接相關的，而勵磁電壓的變化并不會立即形成電流；而且發電機轉子是個大電感(電流不能突變)，引入勵磁電流判據更符合理論要求。

(3)由于勵磁低電壓判據與三相全控橋式整流勵磁方式不相適應，違背了電力電子技術的基本理論。所以，失磁保護采用勵磁電壓判據無法準確判斷失磁的真實情況，雖然失磁狀態下有勵磁低電壓出現，但勵磁低電壓并不能斷定為失磁，結果不能作為條件使用，該因果不可逆。

4 使用勵磁電壓判據需要注意的問題

(1)傳統勵磁方式的勵磁電壓在正常運行時是不會為負值的，如直流勵磁機勵磁、交流勵磁機勵磁、相復勵勵磁、諧波勵磁、電抗分流勵磁、零式整流勵磁、單相半控勵磁、單相全控勵磁、三相半控勵磁等。

(2)可控硅三相全控橋式整流勵磁輸出的負載是一個大電感(發電機轉子)。整流輸出的勵磁電壓是可正、可負的，當可控硅的控制角(對于相電壓)α滿足 0°<α≤90°時，整流輸出的勵磁電壓平均值為正；當可控硅的控制角α滿足 90°<α≤180°時，整流輸出的勵磁電壓平均值為負(逆變)；實際使用是10°<α≤150°。發電機在失磁過程中，轉子電壓是會降低，但轉子電壓降低(更無法定量)并不能成為判斷失磁的依據，不能把結果作為依據，顛倒因果關系。

(3)整流輸出的負載波形是一個連續的鋸齒波，每個周期有6個波頭，陽極電壓從控制角觸發開始導通，導通的鋸齒波包絡線的面積就是輸出的勵磁電壓值。當正向包絡線的面積大于負向包絡線的面積時，輸出電壓的平均值為正；當負向包絡線的面積大于正向包絡線的面積時，輸出電壓的平均值為負(見圖7)。

圖7 三相全控整流勵磁的負載波形

(4)在測量計算輸出的勵磁電壓時，應充分考慮控制角α導通和截止的影響。硬件檢測不能有嚴重的失真，軟件計算應考慮(相對于線電壓)：VL=1.35U2(0°<α≤60°)；VL=1.35U2[1+cos(60°+α)] (60°<α≤120°)。

(5)通常，發電機的勵磁調節控制都是按機端電壓的偏差進行調節的，當機端電壓降低需要勵磁進行增磁或強勵，控制角就會10°<α<60°；當機端電壓升高，需要勵磁進行減磁或強堿，控制角就會60°<α≤120°，通過逆變可以實現快速減磁或滅磁。

(6)標準推薦使用可控硅三相全控橋式整流勵磁方式，正是考慮三相全控橋具有逆變功能。同時，勵磁的相關標準對勵磁過電壓的限制和保護要求是“勵磁的正、反向過電壓不宜超過額定勵磁電壓的±(4～6)倍”，即勵磁電壓在額定值的-6倍～+6倍范圍內都是可能會出現的，短時間也是安全的；超過該范圍應該進行限制并報警。

(7)可控硅三相全控橋式整流勵磁方式的發展歷史并不長，也就是在葛洲壩電站(1988年12月全部竣工)建成后，才在我國大規模推廣使用，傳統意義上的失磁保護方案并未從根本上去解決這個問題，而是采取打補丁的方式解決(如長延時0.5～0.8 s，不誤動)。

5 改進措施及建議

(1)加大延時，將出現勵磁低電壓的延時設為t6 = 0.5～1 s,幾乎可以躲過絕大多數的誤動作。

(2)修改關于失磁保護的計算和控制邏輯，將勵磁低電壓判據改為勵磁低電流判據。

6 結 語

早期的發電機失磁保護是基于傳統勵磁方式和舊的相關標準設計的，各廠家的方案大同小異，該設計方案在市場中的占有量還相當大，在改進完善該方案時應充分考慮可控硅三相全控橋式整流勵磁方式的特點，使判斷更準確、更合理、更可靠。

■