发电机空载过电压保护

1、发电机空载过电压保护的研究陈小明、封孝松、燕锋、韩蜜蜜（溪洛渡水力发电厂、中国云南永善、657300）摘要：自并励磁系统误强励使得发电机定子电压和转子电流形成正反馈关系，当发电机过电压保护按照 1.3倍Ugn、0.3s0.5s动作后，发电机定子电压和转子电流已经上升到更高值，此时跳闸灭磁时常出现灭磁失败甚至烧毁磁场断路器，为此建议在大型发电机变压器继电保护中增设发电机空载过电压保护，可以有效防止励磁系统在起励和停机过程中因误强励而发生设备损坏。关键字：自并励、误强励、放电灭磁、空载过电压、继电保护一、概述随着自并励磁系统的广泛应用，一种被 称为“励磁空载误强励”的故障类型越来越 受到关注:励磁系统在发电机空载运行时失 控，晶闸管控制角变为最小，励磁整流柜输 出最大电压，发电机转子电压误强励，转子 电流和发电机定子电压持续上升，最终引起 发电机定子过电压或者过励磁保护动作。自并励系统空载误强励失控，发电机定 子电压和转子电流成正反馈状态，电压上升 引起电流上升，电流上升又使得电压上升。 当发电机电压上升到空载特性饱和区域时， 转子电流和转子磁能大幅增加，此时发电机 过电压或过励磁保护动作

2、跳闸，灭磁设备将 面临着分断最大转子电流和吸收最大转子 磁能的最危险工况。尽管灭磁设计考虑了这 种最危险工况，但是大型发电机组的灭磁参 数太大，设备的安全冗余度往往不高，稍有 差错便会灭磁失败，造成磁场断路器和灭磁 电阻烧毁的严重事故。为了防止励磁空载误强励及其灭磁失 败后果，大型发电机励磁系统采取一些容错 技术（1），封脉冲的交流灭磁技术得到应用（2）， 工程应用中加大灭磁电阻容量，提高磁场断 路器弧压，大型水电机组励磁系统甚至采用 交流和直流双磁场断路器冗余灭磁方案（3） 等。尽管这些技术措施减少了励磁空载误强 励的发生，但是无法彻底杜绝。于是，各种 减少励磁空载误强励灭磁失败的技术措施 开始提出，比如，利用“截流”后的误强励 转子电流提前启动继电保护（4）、增设专用 过励磁保护（V/Hz或过电压）、降低发 电机过电压保护启动值和延时时间以及增 设专用于防止空载误强励的过电压保护（6） 等。这些措施可以归纳为一点，就是增设发 电机空载过电压保护。二、自并励空载过电压特点与保护现状 自并励磁系统，是指晶闸管整流器的交 流输入电源来自发电机本身。同步发电机定 子电压Ug经励磁变压器降压

3、为U2,在AVR 输出的a控制下，晶闸管整流器将U2变为 可调直流电源Uz,经磁场断路器接入发电机 转子回路，形成转子电流If,其原理接线如 图 1 所示。图 1 自并励磁系统原理图自并励正常运行时，不断改变的晶闸管 控制角调节If进而控制Ug,使整个控制系 统呈现负反馈的稳定状态。自并励失控故障 时，包括测控回路故障、PID计算出错、同 步电压及触发脉冲紊乱等，固定的a不能控 制If,此时If随Ug的改变而改变，使整个 控制系统呈现正反馈的失稳状态。如果Ug 增大，If也增大，Ug更加增大，造成励磁 误强励，引起发电机过压保护动作解列，跳 闸灭磁，停机。自并励磁系统误强励形成正反馈，很快 就会进入发电机空载电压特性曲线饱和区 域，发电机空载电压Ug0上升慢，但空载转 子电流If0上升快。某700MW大型水轮发电 机空载电压特性曲线如图2 所示，其特性曲 线主要数据如表1 所示。表1If0 (pu)1.02.03.04.04.4If0 (A)17893578536771567872Ug0 (pu)0.951.21.31.361.39对于大型水轮机自并励空载误强励过 电压来说，尽管发电机

4、过电压保护整定值为 1.3 倍， 0.3 秒。但是当发电机电压上升到 1.3倍时，励磁电流已经接近2 倍额定励磁 电流。继电保护延时 0.3 秒再加上磁场断路 器动作时间0.1 秒左右，此时发电机电压已 经增到了 1.4 倍，励磁电流则超过额定值的 2.5 倍，相当于空载转子电流的 5 倍。某 600MW汽轮发电机组自并励空载误强励灭磁 仿真数据（6）如表 2 所示，尽管发电机过电 压保护 1.3 倍 0.5 秒动作，但是发电机实际 电 压 达到了 1.45 倍，转 子 电流 到达 了 6706A、转子磁能2.33MJ、灭磁时间（Ug to 0.2Ugn）5.13 秒，接近灭磁设备的极限能力。表2UgsetDelayTIfmaxUgmaxEnergyDe-EpuSAPuMJS1.30.567061.452.335.131.30.355821.391.874.811.20.554141.391.814.761.20.342361.331.374.39可见自并励空载误强励转子电流增加 过快，灭磁装置的负担大，时常发生灭磁失 败并烧毁灭磁开关的严重设备事故。在现行 继电保护规程（7）和应用中

5、，大型发电机过 电压保护整定按照自并励水轮发电机一般 为1.3倍额定电压延时0.3s,汽轮发电机一 般为1.3倍额定电压延时0.5s。如果不考虑 励磁空载误强励过电压因素，现有整定值是 合理的，但是对于自并励空载误强励产生的 过电压明显考虑不足。三、自并励空载误强励灭磁失败原因自并励磁系统跳闸灭磁，首先利用跨接器或者开关或者二极管将灭磁电阻并入转 子两端，然后跳开磁场断路器，利用磁场断 路器分断瞬间产生的电弧电压，迫使转子电 流向灭磁电阻放电，最终由灭磁电阻来消耗 转子磁能即灭磁。这种迫使转子电流由磁场 断路器转向灭磁电阻的过程称为“换流”， 这种灭磁方式称为“放电灭磁”，此时，磁 场断路器仅仅是一个分断设备，而不是一个 耗能设备，故不能称为传统意义上的灭磁开 关。如果磁场断路器换流不成功，就会在灭 磁过程既要分断转子电流，又要消耗转子磁 能，肯定会烧毁。采用氧化性非线性电阻的典型放电灭 磁主回路如图3 所示。正常运行时，磁场断 路器FCB闭合，整流器SCR输出电压Uz励 磁发电机转子L.R。由于二极管V的隔离作 用，氧化性灭磁电阻Rf没有电流流过。FCB图 3 氧化性灭磁电阻灭磁主回

6、路当放电灭磁时，跳开FCB必定会产生电 弧，这是由于转子回路L.R电感作用。又由 于 Rf 的非线性特性，只有当外加电压大于 Um时才会有电流，即Um相当于Rf的一个门 槛电压。由此可见，只有 FCB 的分断电弧电 压Uk与整流器输出电压Uz代数和大于Um， If才会流入Rf,灭磁换流才会成功，即放 电灭磁换流公式为：Uk-Uz 三 Um 或者 Uk 三Um+Uz自并励误强励灭磁失败大部分原因是 不能满足放电灭磁换流公式。下面以某个自 并励系统为例进行说明。假设Uk为=2800V,Um=1500V，100%Ug0 下的 Uz=1000V； 140%Ug0 时 Uz=1400V 。当励磁误强励造成不同的空 载过电压倍数时，灭磁换流结果如表3所示。 其结果表明，在磁场断路器弧压和灭磁电压 固定不变的情况下，励磁误强励产生的过电 压倍数大小，决定了放电灭磁换流成功与 否。也就是说励磁误强励灭磁换流不成功是 因为发电机空载过电压倍数太高。降低发电 机空载过电压倍数，也就防止了励磁误强励 灭磁失败，从而保护了励磁回路的安全表3Uk2800V2800V2800V2800VUm1500V1500V1

7、500V1500VUg0100%120%130%140%Uz1000V1200V1300V1400VUk三Um+Uz满足满足临界不满足灭磁情况成功成功临界失败事实上，除了氧化性电阻灭磁电压固定 不变外，碳化硅和线性电阻的灭磁电压是变 化的，磁场断路器的弧压也是变化的。为此， 励磁标准规定的放电灭磁换流公式（7）： Ukmax三Uzmax +Ummax这里 Ukmax 指磁场断路器的最大弧压， Ummax 指灭磁电阻两端最大的电压， Uzmax 指晶闸管整流器输出最大电压。四、发电机空载过电压保护当自并励磁系统空载误强励，发电机电 压和转子电流成正反馈状态，并很快进入发电 机空载电压特性饱和区。此时发电机过电压 保护延时动作，发电机电压已升至1.41.5 倍额定值，转子电流将增加到近3倍额定值， 这样不仅增加了磁场断路器不合理的负担， 而且也影响到发电机本体的安全。事实表明，由于在发电机极度过电压事 故条件下, 本应立即切除故障灭磁, 却因 过电压保护动作带延时, 从而有可能导致 事故进一步的扩大化，其后果危及到全国几 百套大型水、火电机组的安全运行。如果通过降低发电机过电压整定值来 达

8、到在发电机空载过电压时快速跳闸灭磁， 考虑到大型发电机端电压和电力系统的影 响，其整定值下降空间并不大，同时长期的 运行经验表明，现发电机过电压整定值是合 适和安全的，。鉴于此，为了保证发电机空 载过电压时能快速跳闸灭磁，在这里对现过 电压保护提出二种优化方案。方案一，发电机过电压保护的电压设一 段动作值（同原来不变），动作延时设二段 （增加短延时段），通过发电机出口断路器 位置判据控制，动作逻辑如图4 所示。考虑 到过电压保护的可靠性，建议空载过电压动 作延时整定为0.10.15秒。方案二，发电机过电压保护的电压和动 作延时均设二段，通过发电机出口断路器位 置判据控制，动作逻辑如图5所示。考虑励 磁技术规程规定：发电机零起升压的超调量 不能大于 10%；发电机甩额定无功负荷时机 端电压应不大于甩前电压的1 . 1 5倍等诸多 因素，建议空载过电压动作整定值取1 . 2倍 额定值并延时 0.2s。图 4 发电机过电压保护动作逻辑图（方案一）图 5 发电机过电压保护动作逻辑图（方案二）五、结束语大型水轮发电机过电压保护，整定值为1 . 3Ugn、0. 3秒时，作用于跳闸灭磁，如果 不考虑

9、励磁空载误强励因素，现有整定值是 合理的，但动作延时依然有降低的空间。为了解决空载误强励下灭磁困难等难 题，借助发电机出口断路器位置（辅助接点） 判据实现发电机空载过电压保护在技术上 是可行的，也是最经济的技术措施。发电机空载过电压保护，对于继电保护 来说只是简单一个方案，但是可以解决长期 困扰励磁误强励灭磁失败的困境，可以说： 保护轻轻动一下，励磁轻松一大截。参考资料：1、许其品，朱晓东，刘国华.大型发电机励磁系统的设计. 水电厂自动化.2009年11 月；2、邹先明、陈小明.交流电压灭磁的现场试验 与应用.大电机技术.2003年第1 期；3、陈小明、胡先洪.励磁系统交直流灭磁原理 分析. 水电厂自动化.2006 年 9 月；4、李基成.大型水轮发电机组励磁系统设计新 理念.水电厂自动化.2007 年 2 月；5、高春如编著.大型发电机组继电保护整定计 算与运行技术（第二版）.中国电力出版社.2010.6. 第五章第一节；6、吴跨宇，周平，高春如，杨涛.基于空载误 强励灭磁对发电机过电压保护整定的研究.电力系 统保护与控制.2011 年1 月 ；7、DL/T 684-2012.大型发电机变压器继电保 护整定计算导则；8、DL/T 294.1-2011 发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件 第1 部分：磁场断路器；

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