大中型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制與過負(fù)荷保護(hù)控制策略及配合研究

余 振，邵宜祥，黃 志，張 寅，王 嘯

?

大中型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制與過負(fù)荷保護(hù)控制策略及配合研究

余 振，邵宜祥，黃 志，張 寅，王 嘯

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

近年來，伴隨我國用電負(fù)荷不斷增長，大中型電機(jī)在電網(wǎng)中所占比例越來越大。目前對(duì)于大中型電機(jī)轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制和過負(fù)荷保護(hù)的研究一般局限于各自過流動(dòng)作值的整定，而限制與保護(hù)定值的配合往往被忽略。同時(shí)對(duì)于電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子繞組載流溫升特性并未深入研究，給大中型電機(jī)的安全運(yùn)行帶來隱患。微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一般配置頂值電流限制器，其控制策略及其與過勵(lì)限制和過負(fù)荷保護(hù)的配合目前并無文獻(xiàn)涉及。本文探討了轉(zhuǎn)子溫升特性，在此基礎(chǔ)上，提出勵(lì)磁改進(jìn)型轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制、勵(lì)磁頂值電流限制控制策略，并進(jìn)行了仿真，對(duì)指導(dǎo)發(fā)電廠轉(zhuǎn)子勵(lì)磁與保護(hù)參數(shù)整定工作具有重要意義。

大中型發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子溫升特性；過勵(lì)限制；頂值電流限制；過負(fù)荷保護(hù)

0 前言

為保障電機(jī)安全運(yùn)行，防止電機(jī)轉(zhuǎn)子因過流而過熱燒損，微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一般配置轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制器和頂值電流限制器；同時(shí)，發(fā)變組保護(hù)配置過負(fù)荷保護(hù)跳閘功能。

受現(xiàn)場試驗(yàn)條件限制，勵(lì)磁技術(shù)人員一般根據(jù)發(fā)變組保護(hù)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷曲線整定勵(lì)磁轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制曲線。目前已有不少文獻(xiàn)論述兩者之間的配合關(guān)系[1-3]，但普遍僅說明了轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制動(dòng)作曲線的整定，并未考慮到調(diào)整過程中轉(zhuǎn)子溫升特性及其與勵(lì)磁頂值電流限制器的配合問題。故本文探討了轉(zhuǎn)子溫升特性，在此基礎(chǔ)上，提出勵(lì)磁改進(jìn)型轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制和頂值電流限制控制策略，及其與過負(fù)荷保護(hù)的有效配合方式，并進(jìn)行了仿真，對(duì)指導(dǎo)發(fā)電廠轉(zhuǎn)子勵(lì)磁與保護(hù)參數(shù)整定工作具有重要意義。

1 轉(zhuǎn)子溫升特性

電機(jī)部件內(nèi)溫度及其分布，除與其自身材料性質(zhì)相關(guān)之外，主要依賴于熱源和散熱情況[4-5]。文獻(xiàn)[5]研究表明，在保證電機(jī)良好散熱條件下，熱源對(duì)溫度的影響集中反映在電損耗上，表述如式（1）所示：

當(dāng)電機(jī)散熱能力達(dá)到飽和后，轉(zhuǎn)子溫升與載流損耗關(guān)系見式（3）：

2 過勵(lì)限制整定及其與保護(hù)配合

2.1 過勵(lì)限制整定

轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制動(dòng)作曲線應(yīng)與電機(jī)溫升特性一致，滿足式（4）的要求，故有：

一般有，汽輪發(fā)電機(jī)（隱極）的轉(zhuǎn)子發(fā)熱時(shí)間常數(shù)和水輪發(fā)電機(jī)（凸極）的轉(zhuǎn)子發(fā)熱時(shí)間常數(shù)分別為[6-7]：

圖1給出了汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制動(dòng)作曲線。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)與水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制動(dòng)作曲線

一般而言，同等過電流倍數(shù)條件下，水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子短時(shí)耐受過電流能力約為汽輪發(fā)電機(jī)的2倍。

2.2 過勵(lì)限制與過負(fù)荷保護(hù)配合

電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)與過勵(lì)限制本質(zhì)上均是考慮轉(zhuǎn)子載流耐受能力，保護(hù)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組避免長時(shí)過流運(yùn)行，過熱燒損，其整定原理一致，均應(yīng)符合如公式（5）所描述的反時(shí)限特性[8-10]。

電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)特性如下：

轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制與過負(fù)荷保護(hù)的配合整定計(jì)算示例如下：

圖2為典型汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制與保護(hù)動(dòng)作曲線整定示意圖。如圖所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過載時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)滿足勵(lì)磁限制先動(dòng)，保護(hù)后動(dòng)的邏輯，動(dòng)作時(shí)間應(yīng)滿足級(jí)差要求[11]。

圖2 轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制與保護(hù)動(dòng)作曲線

3 過勵(lì)限制控制策略

3.1 過勵(lì)限制電流調(diào)節(jié)特性

轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制是在勵(lì)磁系統(tǒng)提供強(qiáng)勵(lì)的同時(shí)，為防止電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組長時(shí)間過熱造成磁極燒損而設(shè)計(jì)。圖3給出了電機(jī)轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制的控制策略流程圖。

圖3 轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制控制策略

過勵(lì)限制動(dòng)作時(shí)，一般可認(rèn)為系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)，等效為進(jìn)行大電流階躍試驗(yàn)。對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)控制模型和調(diào)節(jié)參數(shù)提出了較高要求，勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度需足夠快以防轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)誤動(dòng)作，同時(shí)須避免轉(zhuǎn)子載流下降太快引起系統(tǒng)振蕩。

（1）I?[1.05p.u.，I]時(shí)，滿足：

（2）I?[I，1.05p.u.]時(shí)，滿足：

3.2 仿真驗(yàn)證

在全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真技術(shù)（RTDS）平臺(tái)上進(jìn)行轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

試驗(yàn)過程如下：

（1）電機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，校核其電氣參數(shù)，勵(lì)磁電流為0.94p.u.，機(jī)端電壓為1.0p.u.；

（2）根據(jù)實(shí)際情況臨時(shí)設(shè)置過勵(lì)限制器參數(shù)如下：Ilimhot=1.05p.u.，lim=30，I=0.9p.u.；

（3）進(jìn)行20%機(jī)端電壓上階躍試驗(yàn)，觀察轉(zhuǎn)子電流變化情況。

圖4 轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制電流調(diào)節(jié)特性

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在過勵(lì)限制動(dòng)作后，轉(zhuǎn)子載流由初始值下降到1.05p.u.的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間小于0.5s，滿足機(jī)組運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制動(dòng)作而轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)拒誤動(dòng)的快速性要求，同時(shí)，增強(qiáng)了勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 頂值電流限制控制策略

4.1 頂值電流限制器電流調(diào)節(jié)特性

轉(zhuǎn)子頂值電流限制器是為防止電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過磁通引起磁極嚴(yán)重磁化損壞而設(shè)計(jì)。為了能將勵(lì)磁電流快速而穩(wěn)定地控制在要求范圍之內(nèi)，在設(shè)計(jì)頂值電流限制器功能時(shí)，采用如下策略：

圖5 頂值電流限制控制策略

4.2 仿真驗(yàn)證

試驗(yàn)過程如下：

（1）電機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，勵(lì)磁電流為0.952p.u.，機(jī)端電壓為1.0p.u.；

（2）根據(jù)實(shí)際情況臨時(shí)設(shè)置勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)如下：I=2.0p.u.，Ilim=1.86p.u.；

（3）進(jìn)行20%機(jī)端電壓上階躍試驗(yàn)驗(yàn)證頂值電流限制動(dòng)態(tài)特性。

圖6 頂值電流限制器電流調(diào)節(jié)特性

5 過勵(lì)限制與頂值電流限制配合

5.1 過勵(lì)限制與頂值電流限制定值配合

轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制與頂值電流限制都是以保護(hù)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組為目的，但是兩者的保護(hù)機(jī)理、動(dòng)作特性和控制結(jié)果不同，這就要求兩者配合運(yùn)行，尤其是切換過程中轉(zhuǎn)子電流不能出現(xiàn)大的擾動(dòng)。

5.2 仿真驗(yàn)證

試驗(yàn)過程如下：

（1）電機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，校核其電氣參數(shù)，勵(lì)磁電流為0.952p.u.，機(jī)端電壓為1.0p.u.；

（2）根據(jù)實(shí)際情況臨時(shí)設(shè)置過勵(lì)限制器和頂值電流限制器參數(shù)如下：

Ilimhot=1.05p.u.，I=0.9p.u.，lim=30，I=2.0p.u.，Ilim=1.86p.u.；

（3）進(jìn)行20%機(jī)端電壓上階躍試驗(yàn)，觀察頂值電流限制與轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制的配合情況。

圖7 轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制與頂值電流限制配合

仿真表明，過勵(lì)限制動(dòng)作后，轉(zhuǎn)子載流從1.86p.u.下降到1.05p.u.的過渡時(shí)間約為0.4s，滿足圖2轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制與過負(fù)荷保護(hù)時(shí)間差裕度的要求。同時(shí)，在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，頂值電流限制可靠動(dòng)作，無電壓閉環(huán)與電流閉環(huán)非正常往復(fù)互切現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制動(dòng)作后，轉(zhuǎn)子載流平穩(wěn)快速調(diào)節(jié)，滿足保護(hù)拒誤動(dòng)和避免系統(tǒng)振蕩的雙重要求。

6 結(jié)語

本文對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升特性進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上提出了轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制和頂值電流限制控制策略，探討了頂值電流限制與過勵(lì)限制的定值配合方式，并進(jìn)行仿真研究其暫態(tài)電流調(diào)節(jié)特性，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子過勵(lì)限制及頂值電流限制控制策略的正確性及有效性，對(duì)指導(dǎo)發(fā)電廠轉(zhuǎn)子勵(lì)磁與保護(hù)參數(shù)整定工作，增強(qiáng)電網(wǎng)電源穩(wěn)定性具有重要意義。

[1] 竺士章, 陳新琪. 勵(lì)磁系統(tǒng)的過勵(lì)限制和過勵(lì)保護(hù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010, 34(5):112-115.

[2] 黃龍, 方昌勇, 胡凱波. 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器過勵(lì)限制與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷保護(hù)的整定配合分析[J]. 浙江電力, 2012, 31(7):21-23.

[3] 廖松濤, 李江國. 發(fā)變組轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷保護(hù)與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器過勵(lì)限制保護(hù)配合分析[C]// 全國火電600mw機(jī)組技術(shù)協(xié)作會(huì)年會(huì). 2009.

[4] 熊斌. 大型水輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部流體場和溫度場的數(shù)值計(jì)算[D]. 哈爾濱理工大學(xué), 2006.

[5] 方城君. 大型汽輪發(fā)電機(jī)的溫升計(jì)算研究[D]. 上海交通大學(xué), 2012.

[6] GB/T 7064-2008 隱極同步電機(jī)技術(shù)要求[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[7] GBT 7894-2009 水輪電機(jī)基本技術(shù)條件[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.

[8] DL/T 684-2012 大型電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則[S]. 北京: 中國電力出版社, 2012.

[9] 吳跨宇, 陳新琪, 孫維真,等. 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)功能分析與核算[J]. 浙江電力, 2012, 31(7):15-18.

[10] 陳晶, 劉明群, 吳水軍. 勵(lì)磁限制與相應(yīng)機(jī)組保護(hù)配合關(guān)系研究[J]. 云南電力技術(shù), 2012, 40(2):4-7.

[11] DL/T 843-2010 大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件[S]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

Study of the Control Strategy of Rotor Over-excitation Limit and Over-current Protection Applied to Large and Medium Generator

YU Zhen, SHAO Yixiang, HUANG Zhi, ZHANG Yin, WANG Xiao

(NARI Technology Co., Ltd., Nanjing 211106, China)

Recently, with the increasing growth of electricity load, the proportion of large and medium generator in power system is growing in our country. The study of rotor over-excitation limit and over-current protection applied to large and medium generator is restricted to setting over-current-curve value. Yet, whether the value is reasonable or not, the rotor thermal properties in the adjusting process is seldom mentioned, bringing certain hidden risks to the large and medium generator. The excitation system is usually equipped with maximum current limit, while the control strategy and its coordination with over-excitation limit and over-current protection have not been researched. In this paper, the relationship between rotor power-loss and rotor thermal properties is discussed, and on this basis, the approved control strategy and effective cooperation of over-excitation limit, maximum current limit and over-current protection is proposed, which can be used to guiding parameter settings during actual production, improving reliability and safety of electrical systems.

large and medium generator; rotor thermal properties; over-excitation limit; maximum current limit; over-current protection

TM301.2

A

1000-3983(2018)01-0048-05

2017-08-10

余振（1983-），2015年6月畢業(yè)于河海大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁相關(guān)技術(shù)的研究，高級(jí)工程師。