自并勵(lì)勵(lì)磁空載過(guò)電壓保護(hù)研究

向秋芳，劉喜泉，封孝松，陳　俊

（1.海南核電有限公司，海南 昌江 572733；2.溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

自并勵(lì)勵(lì)磁空載過(guò)電壓保護(hù)研究

向秋芳1，劉喜泉2，封孝松2，陳俊3

（1.海南核電有限公司，海南 昌江 572733；2.溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

摘要：自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)使發(fā)電機(jī)電壓和轉(zhuǎn)子電流形成正反饋關(guān)系，當(dāng)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)按照1．3?g、0．3 s～0．5 s設(shè)定時(shí)，實(shí)際發(fā)電機(jī)跳閘時(shí)，定子電壓和轉(zhuǎn)子電流已上升至更高值，此時(shí)，跳閘滅磁時(shí)常出現(xiàn)滅磁失敗甚至燒毀磁場(chǎng)斷路器。為此，本文提出在大型發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)中增設(shè)發(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓保護(hù)，可有效防止因勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致勵(lì)磁、發(fā)電機(jī)等設(shè)備損壞。

關(guān)鍵詞：自并勵(lì)勵(lì)磁；誤強(qiáng)勵(lì)；空載過(guò)電壓保護(hù)

0　引言

隨著自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，一種被稱為“勵(lì)磁空載誤強(qiáng)勵(lì)”的故障類型越來(lái)越受到關(guān)注:勵(lì)磁系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)失控，晶閘管控制角變?yōu)樽钚。瑒?lì)磁整流柜輸出最大電壓，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓誤強(qiáng)勵(lì)，轉(zhuǎn)子電流和發(fā)電機(jī)電壓持續(xù)上升，最終，引起發(fā)電機(jī)定子過(guò)電壓或者過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作。

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)空載誤強(qiáng)勵(lì)失控，發(fā)電機(jī)定子電壓和轉(zhuǎn)子電流成正反饋狀態(tài)，電壓上升引起電流上升，電流上升又使得電壓上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子電壓上升到空載特性飽和區(qū)域時(shí)，轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子磁能大幅增加，此時(shí)，發(fā)電機(jī)過(guò)電壓或過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作跳閘，滅磁開(kāi)關(guān)將面臨著分?jǐn)噢D(zhuǎn)子最大電流和滅磁電阻吸收轉(zhuǎn)子最大磁能最危險(xiǎn)工況。盡管滅磁設(shè)計(jì)考慮了這種最危險(xiǎn)工況，但是，大型發(fā)電機(jī)組的滅磁參數(shù)太大，設(shè)備的安全冗余度往往不高，稍有差錯(cuò)便會(huì)滅磁失敗，造成磁場(chǎng)斷路器和滅磁電阻燒毀的嚴(yán)重事故。

為了防止勵(lì)磁空載誤強(qiáng)勵(lì)及其滅磁失敗后果，大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采取一些容錯(cuò)技術(shù)[1]，如封脈沖的交流滅磁技術(shù)應(yīng)用[2]，工程應(yīng)用中加大滅磁電阻容量，提高磁場(chǎng)斷路器弧壓，大型水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)甚至采用交流和直流雙磁場(chǎng)斷路器冗余滅磁方案[3]等。盡管這些技術(shù)措施減少了勵(lì)磁空載誤強(qiáng)勵(lì)的發(fā)生，但是無(wú)法徹底杜絕。于是，各種減少勵(lì)磁空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁失敗的技術(shù)措施開(kāi)始提出，比如利用“截流”后的誤強(qiáng)勵(lì)轉(zhuǎn)子電流提前啟動(dòng)繼電保護(hù)[4]、增設(shè)專用過(guò)勵(lì)磁保護(hù)（V/Hz或過(guò)電壓）[5]、降低發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)啟動(dòng)值和延時(shí)時(shí)間以及增設(shè)專用于防止空載誤強(qiáng)勵(lì)的過(guò)電壓保護(hù)[6]）等。這些措施可歸納為一點(diǎn)，即增設(shè)發(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓保護(hù)。

1　自并勵(lì)勵(lì)磁空載過(guò)電壓特點(diǎn)與保護(hù)現(xiàn)狀

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，是指晶閘管整流器的交流輸入電源來(lái)自發(fā)電機(jī)本身。同步發(fā)電機(jī)定子電壓g經(jīng)勵(lì)磁變壓器降壓為2，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在AVR（定子電壓閉環(huán)）控制方式下，輸出控制角，使晶閘管整流器將2變?yōu)榭烧{(diào)直流電源z，經(jīng)磁場(chǎng)斷路器接入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路，形成轉(zhuǎn)子電流f，其原理接線如圖1所示。

圖1　自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)形成正反饋，很快使發(fā)電機(jī)空載特性曲線進(jìn)入飽和區(qū)域，此時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓g上升慢，但空載轉(zhuǎn)子電流f0上升很快。例如某700MW大型水輪發(fā)電機(jī)空載特性曲線如圖2所示，其空載特性主要數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2　某大型發(fā)電機(jī)空載特性曲線

表1　某大型發(fā)電機(jī)空載特性主要數(shù)據(jù)

對(duì)于大型水輪機(jī)自并勵(lì)空載誤強(qiáng)勵(lì)過(guò)電壓來(lái)說(shuō)，盡管發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)整定值為1.3倍，0.3 s。但當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓上升到1.3倍準(zhǔn)備跳閘時(shí)，需繼電保護(hù)延時(shí)0.3 s，再加上磁場(chǎng)斷路器動(dòng)作時(shí)間0.1 s左右，在實(shí)際跳閘時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓已經(jīng)增到了1.4倍，勵(lì)磁電流則超過(guò)其額定值2倍。某600MW汽輪發(fā)電機(jī)組自并勵(lì)空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁仿真數(shù)據(jù)[6]如表2所示，盡管發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)設(shè)定為1.3倍0.5 s動(dòng)作，但是發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)，其實(shí)際電壓達(dá)到了1.45倍，轉(zhuǎn)子電流達(dá)到了6706A、轉(zhuǎn)子磁能2.33MJ、滅磁時(shí)間，接近滅磁設(shè)備的極限能力。

可見(jiàn)，自并勵(lì)勵(lì)磁空載誤強(qiáng)勵(lì)轉(zhuǎn)子電流增加過(guò)快，滅磁裝置負(fù)擔(dān)大，時(shí)常發(fā)生滅磁失敗并燒毀滅磁開(kāi)關(guān)的嚴(yán)重設(shè)備事故。在現(xiàn)行繼電保護(hù)規(guī)程[7]及應(yīng)用中，如果不考慮勵(lì)磁空載誤強(qiáng)勵(lì)過(guò)電壓因素，現(xiàn)有整定值是合理的，但對(duì)于自并勵(lì)勵(lì)磁引起空載誤強(qiáng)勵(lì)產(chǎn)生定子過(guò)電壓考慮不足。

U gset T Dset I fmax U gmax T Drel /pu /s /A /pu E /MJ /s 1.3 　0.5 　6706 　1.45 　2.33 　5.13 1.3 　0.3 　5582 　1.39 　1.87 　4.81 1.2 　0.5 　5414 　1.39 　1.81 　4.76 1.2 　0.3 　4236 　1.33 　1.37 　4.39

2　自并勵(lì)空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁失敗原因

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)跳閘滅磁，首先利用跨接器或開(kāi)關(guān)或二極管將滅磁電阻并入轉(zhuǎn)子兩端，然后跳開(kāi)磁場(chǎng)斷路器，利用磁場(chǎng)斷路器分?jǐn)嗨查g產(chǎn)生的電弧電壓，迫使轉(zhuǎn)子電流向滅磁電阻放電，最終由滅磁電阻來(lái)消耗轉(zhuǎn)子磁能即滅磁。這種迫使轉(zhuǎn)子電流由磁場(chǎng)斷路器轉(zhuǎn)向滅磁電阻的過(guò)程稱為“換流”，這種滅磁方式稱為“放電滅磁”，此時(shí)，磁場(chǎng)斷路器僅是一個(gè)分?jǐn)嘣O(shè)備，而不是一個(gè)耗能設(shè)備，故不能稱為傳統(tǒng)意義上的滅磁開(kāi)關(guān)。如果磁場(chǎng)斷路器換流不成功，就會(huì)在滅磁過(guò)程既要分?jǐn)噢D(zhuǎn)子電流，又要消耗轉(zhuǎn)子磁能，肯定會(huì)燒毀。

采用氧化性非線性電阻的典型放電滅磁主回路如圖3所示。正常運(yùn)行時(shí)，磁場(chǎng)斷路器FCB閉合，整流器SCR輸出電壓z勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子L.R。由于二極管V的隔離作用，氧化性滅磁電阻f沒(méi)有電流流過(guò)。

圖3　氧化性滅磁電阻滅磁主回路

當(dāng)放電滅磁時(shí)，跳開(kāi)FCB必定會(huì)產(chǎn)生電弧，這是由于轉(zhuǎn)子回路L.R電感作用。又由于f的非線性特性，只有當(dāng)外加電壓大于m時(shí)才會(huì)有電流，即m相當(dāng)于f的一個(gè)門檻電壓。由此可見(jiàn)，只有FCB的分?jǐn)嚯娀‰妷簁與整流器輸出電壓z代數(shù)和大于m，f才會(huì)流入f，滅磁換流才會(huì)成功，即放電滅磁換流公式（1）為：

自并勵(lì)誤強(qiáng)勵(lì)滅磁失敗大部分原因是不滿足放電滅磁換流公式。下面以某個(gè)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)

。當(dāng)勵(lì)磁誤強(qiáng)勵(lì)造成不同的空載過(guò)電壓倍數(shù)時(shí)，滅磁換流結(jié)果如表3所示。其結(jié)果表明，在磁場(chǎng)斷路器弧壓和滅磁電壓固定不變的情況下，勵(lì)磁誤強(qiáng)勵(lì)產(chǎn)生過(guò)電壓倍數(shù)的大小，決定了放電滅磁換流成功與否。也就是說(shuō)勵(lì)磁誤強(qiáng)勵(lì)滅磁換流不成功是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓倍數(shù)太高。降低發(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓倍數(shù)，也就防止了勵(lì)磁誤強(qiáng)勵(lì)滅磁失敗，從而保護(hù)了勵(lì)磁設(shè)備安全。

表3　勵(lì)磁誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)滅磁換流情況

事實(shí)上，除了氧化性電阻滅磁電壓固定不變外，碳化硅和線性電阻的滅磁電壓是變化的，磁場(chǎng)斷路器弧壓也是變化的。為此，勵(lì)磁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定放電滅磁換流公式[7]：

3　發(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓保護(hù)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

當(dāng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)空載誤強(qiáng)勵(lì)，發(fā)電機(jī)電壓和轉(zhuǎn)子電流成正反饋狀態(tài)，并很快進(jìn)入發(fā)電機(jī)空載特性飽和區(qū)。此時(shí)，發(fā)電機(jī)定子過(guò)電壓保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)定子電壓已升至1.4～1.5倍額定值，轉(zhuǎn)子電流將增至2倍額定值以上，這樣不但增加了磁場(chǎng)斷路器不合理負(fù)擔(dān)，而且也影響到發(fā)電機(jī)本體安全。事實(shí)表明，由于在發(fā)電機(jī)極度過(guò)電壓事故條件下,本應(yīng)立即切除故障滅磁,卻因過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作延時(shí),從而有可能導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大化。

如果通過(guò)降低發(fā)電機(jī)過(guò)電壓整定值來(lái)達(dá)到在發(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓時(shí)快速跳閘滅磁，考慮到大型發(fā)電機(jī)端電壓和電力系統(tǒng)的影響，其整定值下降空間并不大，通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓整定值是合適和安全的。鑒于此，為保證發(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓時(shí)能快速跳閘滅磁，對(duì)發(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓保護(hù)提出兩種優(yōu)化方法。

方法一：發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)的電壓設(shè)一段動(dòng)作值（同原來(lái)不變），動(dòng)作延時(shí)設(shè)二段（增加短延時(shí)段），通過(guò)發(fā)電機(jī)出口斷路器位置判據(jù)控制，動(dòng)作邏輯如圖4所示?？紤]到過(guò)電壓保護(hù)的可靠性，建議空載過(guò)電壓動(dòng)作延時(shí)整定為0.1～0.15 s。

圖4　發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作邏輯圖（方法一）

方法二：發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)的電壓和動(dòng)作延時(shí)均設(shè)二段，通過(guò)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)位置判據(jù)控制，動(dòng)作邏輯如圖5所示?？紤]勵(lì)磁技術(shù)規(guī)程規(guī)定：發(fā)電機(jī)零起升壓的超調(diào)量不能大于10%，發(fā)電機(jī)甩額定無(wú)功負(fù)荷時(shí)機(jī)端電壓應(yīng)不大于甩前電壓的1.15倍等諸多因素，建議空載過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作整定值取1.2倍額定值，延時(shí)0.2 s，待滿足條件時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁逆變或跳閘，而在發(fā)電機(jī)負(fù)載狀態(tài)時(shí)，閉鎖該功能。且該方法已在溪洛渡電站成功應(yīng)用，并取得了良好運(yùn)行效果。

圖5　發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作邏輯圖（方案二）

4　結(jié)語(yǔ)

為了解決空載誤強(qiáng)勵(lì)下滅磁困難等難題，借助發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)位置（輔助接點(diǎn)）判據(jù)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)空載過(guò)電壓保護(hù)在技術(shù)上是可行的，且已在溪洛渡電站成功應(yīng)用，也是最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。

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[7]DL/T 684-2012大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則[S].

[8]DL/T 294.1-2011發(fā)電機(jī)滅磁及轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置技術(shù)條件[S].

中圖分類號(hào)：TM77

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）06-0011-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.004

收稿日期：2015-04-24

作者簡(jiǎn)介：向秋芳（1982-），女，工程師，從事電廠電儀設(shè)備采購(gòu)管理工作。