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自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）

2012-07-29 21:17阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1400092520

一、自并励励磁系统最危险事故
自并励系统 Shunt Supply Excitation System，励磁功率电源取自同步发电机本身，即将发电机定子输出电源经励磁变压器和晶闸管整流器变为可调直流电源再送入同步发电机转子的静止励磁系统。这是大多数发电机采用的励磁方式，如下图所示。
自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）
对于自并励来说，励磁调节器是通过调整励磁整流器的晶闸管控制角来维持发电机电压的稳定。但是一旦调节器失控，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，发电机电压就失去控制。如果发电机电压变低，励磁整流器输出减小，发电机更加变低，于是发电机进相失稳，失磁保护动作解列跳闸停机。如果发电机电压变高，发电机过压，励磁整流器输出增大，发电机更加过压，直到过压保护动作解列跳闸停机。
调节器失控造成失磁，发电机转子磁能和转子电流并不大，励磁系统灭磁装置基本上能够安全断流并灭磁，这
并不是自并励最危险的事故。
调节器失控造成过压，发电机转子磁能和转子电流成倍增加，励磁系统灭磁装置将面临最严重的灭磁任务，极有可能烧毁灭磁开关，甚至整个励磁装置。对于这种故障类型，励磁术语成为误强励。
强励 Ceiling，强励是指晶闸管控制角处于最小，也就是晶闸管整流器输出最大电压的状态。在规定的强励时间，励磁系统能够输出的最大电流和电压称为顶值电流和电压。顶值电流和电压与额度励磁电流和电压的倍数称为顶值电流倍数和顶值电压倍数 Ceiling factor（强励倍数）。不可控制的强励或由于检测信号错误而产生的强励，称为误强励。发电机误强励分为负载状态误强励和空载状态误强励。
负载状态下误强励，发电机励磁电流和无功大幅增加，造成励磁变压器过流保护动作。但是由于发电机电压受制于系统电压不会大幅升高，不会形成一种不断加大励磁电流的正反馈，灭磁开关需要分断的转子电流不会是最大状态，灭磁电阻需要吸收的转子磁能也不是最大状态。另一个方面，在励磁变过流保护的动作下与系统解列，发电机会因为感性负载的去磁效应而使励磁电流突减，大大减少了转子电流。
空载状态下误强励，发电机电压不断上升将促使转子电流不断上升，也就是转子磁能不断上升。当电压上升到发电机空载特性饱和区域，转子电流会大幅增加。当发电机过电压保护动作时，灭磁开关将面临着分断最大转子电流的危险工况。如果灭磁不成功，灭磁开关必将烧毁，因此，自并励励磁系统最危险事故就是空载误强励。

二，自并励励磁空载误强励分析
对于自并励励磁系统来说，发电机电压经励磁变压器接入励磁整流柜，调节器通过控制整流桥晶闸管的脉冲角度来维持发电机空载电压的稳定。
但是当调节器失控，发电机电压增加，励磁整流柜输入增加，反过来进一步加大发电机电压增加，这就是空载误强励。
对于自并励系统来说，发电机过电压保护整定值为1.3倍，0.3秒。此时，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秒再加上灭磁开关跳闸时间（0.1秒），这样当灭磁开关真正跳开的，发电机电压已经增到了1.4倍，励磁电流则达到了额定值的2.5倍。
下面是大型水轮发电机电压空载特性，纵轴是发电机电压Ug标幺，横轴是额定空载励磁电流If0标幺。从图上看，当Ug=1.3 pu时，If0=3.8 pu；当Ug=1.4 pu时，If0=4.4 pu；Ug=1.5 pu时，If0=5.5 pu。其中额定励磁电流Ifn约为2倍空载励磁电流If0。
 自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）
自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）
发电机空载误强励，需要强有力的灭磁系统，一旦灭磁失败，后果很严重。
最近某机组在励磁空载误强励下,因DCS不断分合灭磁开关，造成灭磁开关烧毁，灭磁电阻烧毁，起励回路烧毁，起励蓄电池损害的严重励磁事故。
 自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）
自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）
三、解决励磁空载误强励灭磁难题的最佳思路
如何应对励磁空载误强励，传统的方式是增大灭磁开关的分段能力和灭磁电阻吸收能力，一般按照发电机1.4过电压来选择灭磁开关弧压，有的按照1.5倍过电压来选择。但是即便如此，还是令人不放心。
2008年，李基成老师在内蒙励磁技术研讨班上说，解决励磁空载误强励难题最经济的思路就是“截留”。所谓“截留”，就是降低发电机过电压保护整定值，比如将1.3倍0.3秒改为1.2倍0.2秒，让发电机保护提前动作，截住励磁电流的继续上升局势，这样在励磁空载误强励时，过电压最高只有1.3倍，励磁电流接近2倍额定励磁电流，大大减轻了磁开关的负担。
 自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）

李老师说，首先讨论发电机空载误强励的灭磁状态，在此灭磁方式下，应注意到灭磁过程具有以下几点明显的特征：
由于励磁系统失控导致晶闸管整流器的控制角接近于最小值的失控误强励状态，励磁系统所有的限制功能将均处于失效状态，对于发电机空载失控误强励状态而言，励磁电流的增长是随同定子电压的升高而增加的，同时随励磁电流的增加，转子磁路饱和程度的加大，促使转子电流的增加速度进一步加快，直至发电机定子过电压保护动作对发电机进行灭磁。此外还注意到在此过程中随发电机电压变化的励磁电压的增量变化是瞬时完成的，而转子电流的增量变化则决定于对应的由转子磁路的饱和程度所决定的发电机空载时间常数。总的来说这是一个励磁电压源的变化引起的转子电流变化过程，两者之间受动态饱和的转子励磁绕组时间常数的影响。但是应强调的是：在励磁电流增长过程中任一瞬间的发电机电压值总是与发电机稳态曲线确定的转子电流对应的。例如当定子电压为1.3倍额定值时，此时的转子电流大约与发电机额定励磁电流相当，即使经过0.3s过电压保护延时动作后，励磁电流仍处在稍高于额定电流的范围内变化。为此，以发电机1.3倍额定定子电压设定并经0.3s延时后，启动过电压保护，灭磁开关跳闸；过电压保护动作后对增长的转子电流进行截流，并以此时的转子电流作为选择灭磁电阻容量的依据是合理的。为此不必以空载误强励作为选择最大灭磁容量的依据。
至于励磁系统发生负载误强励时，发电机仍在电网中并联运行，其端电压仍为额定值，但由于励磁调节器处于误强励状态，整流桥控制角为最小值，转子电流将急剧增加。对此应以发电机和励磁变压器的过流保护作为对转子电流进行“截流”的主要措施。过流保护动作值以及延时设定值应以保证发电机定子及转子绕组回路的安全运行为首要约束条件，并以此确定灭磁电阻容量。

四、发电机定子过压保护原理及整定原则
过电压保护用于保护发电机各种运行情况下引起的定子过电压，发电机电压保护所用电压量的计算不受频率变化影响，过电压保护反应机端三相相间电压，动作于跳闸出口。
自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）
发电机过电压保护整定值范围：
Ø 过电压定值: 0.1～200V
Ø 低电压定值: 0.1～100V
Ø 延时定值: 0.1～10S
Ø 电压定值误差: ±2.5% 或±0.05V
Ø 延时定值误差: ±1%定值±40ms
根据我国现有技术规程和设计导则，发电机定子过电压保护是防止发电机定子绕组的异常过电压，其整定值根据电机制造厂提供的允许过压能力或定子绕组的绝缘状况决定。
在一般情况下，动作电压可取1.5倍额定电压，动作时限可取0.5s。但是对可控硅整流励磁的水轮发电机，动作电压可取1.3倍额定电压，动作时限可取0.3s。对大型汽轮发电机，动作电压可取1.3倍额定电压，动作时限可取0.5s。发电机过电压保护宜动作作用于解列灭磁。
随着发电机制造水平的提高，定子绝缘材料的性能越来越优良，整理说过电压的整定值应该越来越高，但是现实恰恰相反，大型发电机的过电压整定值有过去的1.5倍降为1.3倍，对于采用可控硅整流的自并励系统，动作时限减为0.3s。
为什么会有这些变化了，那是因为以前采用励磁机慢速励磁系统，强励响应时间慢，转子电压不会发生突然变化，发电机的过电压速度也很慢。而采用可控硅快速励磁系统以后，强励响应时间快，转子电压会在很短的时间发生变化，发电机电压变化速度也很快。如果按照以前整定1.5倍，当灭磁开关真正跳开时，发电机过电压已经升到了1.6倍甚至更高。

四、发电机定子过压保护整定值分析
（1）发电机定子绝缘分析
我们知道，大型发电机交流耐压试验一般按如下原则进行：“1.5Ue，1min”，或者“2Ue+1000 的80%，1min”。就这个电压水平应该还远远在发电机能承受过电压的安全范围之内。由此也可见，“1.3Ue”的定值是足够安全的。
根据规程规定，系统的工频过电压水平一般不宜超过下列数值：
线路断路器的变电所侧1.3p.u.，适用于发电机定子过电压保护
线路断路器的线路侧1.4p.u.，适用于线路保护定子过电压保护

（2）空载过电压分析
另外，发电机空载状态下进行发电机空载特性试验，需要增加发电机电压超过1.0倍，最大可能到1.3倍，因此，发电机定子过电压整定值是合适的。
但是只是考虑到了发电机定子绝缘本身无可非议，如果考虑到励磁空载误强励的需求，发电机空载定子过电压整定值其实是可以减低的，况且降低过电压值有利于发电机定子绝缘。至于发电机空载特性试验，可以方便通过投切压板方式进行处理。
至于发电机空载强励问题，正常情况下都是发电机机端短路造成，此时励磁强励，维持发电机电压正常。因此，空载情况下，发电机电压突然上升，都是励磁误强励造成，应该进行“截留”，降低过电压保护整定值。
根据励磁规程规定，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，机端电压应不大于甩前电压的1.15倍等诸多因素，建议发电机空载过电压整定值为1.15倍，0.1s。
（3）负载过电压分析
国家电网对自动调节励磁有一个强制性的要求，大型发电机要具备2 倍励磁10S 有强励
能力，当发电机强励尤其是误强励的情况下，2 倍励磁电压加上励磁回路外加一定的超
调量，必然会导致发电机电压上升，上升多少具体还与当时的运行工况有关。
同时我们知道，一般发电机机端电压正常运行时要略高于额定，这也使得过电压定值的
可靠空间实际不是“1.3Ue-1.0Ue”，而是更小。
其次，当系统波动、发电机部分或全部甩负荷、电网操作等均有可能引起一定程度的过
电压。
综上所述，水电机组可控制硅励磁负载整定值设为“1.3Ue，0.3s”是安全可靠的。
（4）孤岛运行方式过电压分析
发电机或电站直接接入区域大电网运行，简称为联网运行方式。此时该区域电网的频率和电压较为稳定，机组负荷调整方便，调度灵活。但是交流开关遮断容量、保护方式、安稳措施配置复杂。
发电机或电站没有直接接入主电网，而是接入一个区域负载运行，简称为孤岛运行方式，这是孤岛运行方式广义定义。直流输电所说的孤岛运行方式，仅指发电机或电站直接接入换流站，与当地的主电网解列的运行方式。
当直流输电故障时，立即执行直流紧急停用程序EOSF，瞬间停用直流输电即为直流闭锁。直流闭锁一个正极或者负极线路，称为单极闭锁；既闭锁正极又闭锁负极，称为双极闭锁；对于双个双极直流输电来说，在双极闭锁基础上再闭锁一个正极或者负极或者正负极，称为三极、四极闭锁；四极闭锁就是全部闭锁。
研究表明，当直流输电采用孤岛运行方式，电压波动明显增大，更为严重的是，一旦因换流站故障采用直流闭锁措施，交流场会产生显著的过电压，且远超过规程规定1. 3 倍的水平，危及设备安全。因此需要考虑发电机过电压保护整定值的合理性。
下面是某换流站直流闭锁后产生的过电压仿真波形，第一个图是有效值录波，第二个是瞬时值录波，由此可见，孤岛运行直流闭锁后，产生超过1.4倍的过电压，但是在100ms后切除换流站交流滤波器后，电压回到了1.15倍左右，此时，换流站已经停止输送有功功率，对于发电机而言，相当于处于空载运行。 自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）
自并励同步发电机定子过电压保护整定值探讨（陈小明、李基成、陈邦强）

下面是某换流站在孤岛方式下直流闭锁产生过电压数值标，对于电厂发电机过电压保护而言，采用1.3倍0.3s的过电压保护是合理的。
某换流站站交流母线过电压水平及避雷器能量
过电压水平/p.u.
 交流侧避雷器能量/kJ
极2闭锁时最高暂时过电压水平
 极1闭锁时最高操作过电压水平
 切除滤波器时的暂时过电压水平
 滤波器切除100ms后暂时过电压水平
 换流变侧避雷器
 滤波器侧避雷器
1.24
 1.44
 1.39
 1.17
 303
 1899
某换流站交流系统设备过电压水平

操作过电压
 滤波器切除100ms后暂时过电压水平.
某电厂电厂母线
 1.46
 1.16
某线路线中部
 1.48
 1.17
某电厂电厂发电机端电压
 1.28
 1.15

六、结论

1、大型水轮发电机过电压保护，整定值为1.3倍0.3秒，作用于跳闸停机灭磁。如果不考虑励磁系统空载误强励因素，现有整定值是合理的。
2、励磁系统空载误强励是最严重最危险的励磁事故，发电机转子电压突然承受2倍以上的额定励磁电压，转子电流和定子电压快速上升。由于发电机空载特性的饱和因素，当定子电压上升到1.3倍数，转子电流已经达到2倍左右额定励磁电流；由于发电机过电压保护1.3倍延时0.3秒，再加上灭磁开关及跳闸回路0.1秒延时，此时定子电压接近1.4倍，转子电流和转子磁能接近3倍。在这种大电流大能量下跳灭磁开关存在着灭磁失败并烧毁灭磁开关的危险。
3、为了防止励磁系统空载误强励的灭磁事故，我们只能不断加大灭磁设计选型的裕度，只能不断加大灭磁开关和灭磁电阻的容量。但是尽管这样，也不能完全杜绝灭磁事故发生，因为灭磁开关弧压这一关键指标，与灭磁开关分断速度等很多因素有关，工程实践上很难做到100%放心，为此，我们只能在灭磁方式上增加逆变和封脉冲等辅助措施，甚至增加交流灭磁开关。如果我们能够在2倍额定励磁电流以下跳开灭磁开关，励磁系统空载误强励的灭磁事故就会大大减少，为此就需要发电机电压控制在1.3倍以下。然而现有发电机过电压保护，不区分发电机空载和负载状态，我们不能降低其整定值，因此，只能在现有保护的基础上增加一个空载过电压保护装置，整定1.15倍0.1秒。
4、发电机空载运行，除非进行试验，发电机电压只会在额定电压附近变化，如果发现电压上升到了1.15倍，肯定是出现了下列问题：励磁系统失控、调节器超调量指标不合格、监控系统误发增磁令。一旦出现这些问题，都应该停机处理。至于试验可以采用投退压板方式进行处理。
5、在很多电站，为了防止励磁空载试验误强励，常常试验前将发电机过电压保护值降为1.1倍。因为尽管励磁调节器有空载电压限制器，有伏赫限制器，有过电压保护，但是励磁空载误强励，要么是调节器失控，要么是功率柜失控，唯有继电保护才是最安全把关措施。
6、尽管发电机还有过激磁保护，可以间接防止定子过电压，但是在额定频率下的过电压，过激磁保护的灵敏度不够，动作时限也长。《基于空载误强励灭磁对发电机过电压保护整定值的研究》对此进行了说明。
7、著名励磁专家李基成教授2008年就认为，面对励磁空载误强励，与其采用不断加码的设计裕度，不如采用“截留”方式，即让发电机过电压保护早一点动作，截止转子电流，有利于安全灭磁，这对于保护来说是非常容易的事情。励磁希望早一点截留，但是保护需要考虑多重因素。如果增设空载过电压保护，励磁的希望和保护因素都能够得到满足。
七、结束口号

保护轻轻动一下，励磁轻松一大截。
八、重要参考资料：
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

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