1、增设发电机空载过电压保护的探讨,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） http:/ 2012.10.23 保护简单改一下，励磁轻松一大截,1、直流励磁机系统回顾,励磁机时间常数大，转子电压突变量小，强励能力小，发电机电压上升慢，过电压保护整定值一般为1.5倍额定电压，动作时限0.5秒； 采用灭磁开关灭磁，常见发电机灭磁开关（FMK）为DM2（耗能型）； 开关灭磁：灭磁开关不仅要分断转子电流；而且还要吸收消耗转子能量。因此该灭弧方式随着机组容量的增大，无法满足需要。,DM2型灭磁开关,励磁机,2、自并励励磁系统的应用,大型发电机采用自并励，简单可靠，励磁功率大，强励
2、能力强，发电机电压上升快，水轮发电机过电压保护整定值1.3倍0.3秒； 大容量机组采用放电原理灭磁，灭磁开关属于能量转移型式。 放电灭磁：灭磁开关分断转子电流建议弧压，迫使转子电流转移到灭磁电阻上，让其吸收消耗转子能量，此时灭磁开关称为磁场断路器。,自并励强励强减能力演示,放电,3、发电机过电压保护分析,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，不区分空载和负载状态，动作时先解列后跳灭磁开关，放电灭磁； 在一般情况下，1.5倍0.5s动作，但是对可控硅整流励磁的水轮发电机，可取1.3倍0.3s；对大型汽轮发电机可取1.3倍0.5s。（规程规定） 现有1.3倍0.3s整定值，对自并
3、励空载误强励产生的定子过电压处置不力，加大灭磁装置的负担，存在很大的安全隐患。 解决方法就是不断增加灭磁设备容量，但是瓶颈很多。为此，很多励磁专家认为：保护简单改一下，灭磁轻松一大截。,发电机过电压保护逻辑原理,4、自并励空载误强励分析,采用放电灭磁，磁场断路器存在换流失败危险，即灭磁电阻无法导通； 一旦灭磁电阻不能导通，磁场断路器无法吸收超过其能力的磁能，必定会烧毁磁场断路器； 即便换流成功，由于误强励下自并励正反馈，转子电流和磁能越来越大，灭磁电阻过载，有可能会烧毁灭磁电阻。,对于自并励来说，调节器通过晶闸管控制角来维持发电机电压稳定。一旦调节器失控，包括测控回路故障、同步电压及脉冲紊乱等
4、，发电机电压开始升高，在自并励正反馈的作用下，发电机电压越来越高，直到保护动作。值得注意的是，当过电压达到1.3倍时，再延时0.3秒出口，再加上约小于0.1秒的开关固有动作时间，此时过电压已经超过1.3倍，对灭磁造成很大危险。,自并励600 Mw 汽轮发电机组空载误强励灭磁仿真波形,4、自并励空载误强励分析,自并励600 Mw 汽轮发电机空载误强励灭磁计算结果,自并励600 Mw 汽轮发电机组空载误强励灭磁仿真波形,4、自并励空载误强励分析,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：Ug=1.2 pu， If0=2.0pu；Ug=1.3 pu，If
5、0=3.0pu；Ug=1.4 pu，If0=4.4pu。 一般来说，当发电机空载电压1.3倍时，励磁电流约高于额定值；1.4倍时为2.5倍左右，电压再升一点，励磁电流增加很多，此时跳灭磁开关可能烧毁。,自并励700Mw 水轮发电机空载电压特性曲线,4、自并励励磁空载误强励分析,负载PSS试验时调节器失控，发电机过压达到1.238pu，励磁电流达到3.13倍，机组保护先跳出口断路器，负载误强励转为空载误强励，发电机电压突增到1.45倍，此时跳灭磁开关失败，最后烧毁灭磁开关和功率柜； 空载起励升压时调节器失控，发电机过压保护1.3倍0.3s跳闸，励磁电流已经为2.5pu，灭磁开关第一分断成功，但是
6、由于电站监控系统强行合闸，保护再跳，连续近10次，将灭磁开关以及灭磁电阻和功率柜全部烧毁。,1、某汽轮发电机误强励灭磁失败,2、某水轮发电机空载误强励失败,4、自并励空载误强励分析,假设某自并励机组，100%Ug下，UE=1000V；140%Ug时UE=1400V 。对于氧化性电阻来说，URX=1500V固定不变。假设UFCB =2800V。 额定100%Ug时 UFCB(2800V）UE（1000V）+URX（1500V），换流成功； 过电压130%Ug时 UFCB(2800V）=UE（1300V）+URX（1500V），换流临界； 过电压140%Ug时 UFCB(2800V） UE（130
7、0V）+URX（1500V），换流失败。 对于碳化硅电阻来说，URX不是一个定值，随电流增大。小电流容易满足换流公式，大电流不容易满足换流公式，但危险小于氧化性电阻。,对于放电灭磁来说，让磁场断路器FCB的If全部转移到Rx的换流条件是：UFCBUE+URX。UFCB是FCB的最大弧压， UE是最大整流电压，URX是最大灭磁电压。在空载误强励下， UE随过电压增加。,5、自并励空载误强励解决方法,在不改变原有发电机过电压保护功能及其整定值的前提下，增设发电机空载过电压保护，整定值取1.15倍0.1秒； 根据励磁规程要求以及运行经验，除非试验，发电机电压都必须在1.15倍以下，否者就是励磁空载误
8、强励； 既然过电压保护是保护发电机各种运行情况下引起的定子过电压，那么励磁空载误强励引起的过电压也应该纳入保护的范围； 空载判据取断路器常闭辅助接点即可，最简单，也安全。,发电机空载过电压保护逻辑原理,励磁自己解决方法：提供可靠性，防止误强励；增设灭磁冗余度；采用逆变、封脉冲等辅助灭磁措施，增加交流灭磁开关。,6、自并励负载误强励分析,自并励负载误强励，发电机电压一般不会超过1.25倍，但是励磁电流会大幅增加，引起励磁变过电流保护动作而解列跳闸灭磁；（约2.5倍0.5秒） 机组解列，发电机电压会突增超过1.3倍，引起最大整流电压上升，但是解列会造成转子电流突减，其值与解列前的发电机电压对应：1
9、00%额定电压对应空载额定励磁电流，125%对应2.0倍负载额定励磁电流。总的来说灭磁电流都会减少，进而引起灭磁电阻电压下降，减轻灭磁开关的换流难度。,在发电机带换流站孤岛运行时，换流站直流闭锁会产生高于1.3倍的暂态过电压，但是随着滤波器切除，电压很快回到1.15倍。由此可见，当发电机存在孤岛运行方式，过电压1.3倍0.3秒很难降低，最多改为1.3倍0.2秒。如果电网不存在孤岛方式，可以降低整定值，浙江电科院建议1.2倍0.2秒。,6、自并励负载误强励解决方法,1、励磁自己解决方法：励磁事故立即采用硬件方式封闭功率柜脉冲，切断自并励正反馈通道。同时再发出励磁跳闸命令，必要时延时跳闸。 2：借
10、助机组保护方案：发电机过电压小于1.1倍，保护跳闸顺序不变，先跳出口断路器后跳灭磁开关；发电机过电压大于1.1倍，采用先跳灭磁开关后跳断路器特殊逻辑，延时0.1秒。此方案针对具有放电常闭断口的灭磁开关提出，仅供参考。,7、结束语,大型水轮发电机过电压保护，整定值为1.3倍0.3秒，作用于跳闸灭磁。如果不考虑励磁空载误强励因素，现有整定值是合理的，但是依然有降低的空间（可选方案1.3倍0.2秒）； 为了解决空载误强励下灭磁困难等难题，借助发电机空载过电压保护是最经济的技术措施，采用1.15倍0.1秒较为合适，并且建议用断路器接点判断空载状态，简化保护原理，提高可靠性； 励磁负载误强励，励磁变过电
11、流保护动作解列，负载误强励转化为空载误强励，机端电压突增造成最大整流电压突增，但是解列造成灭磁电流突减，可以降低灭磁开关换流难度。建议机组保护联动励磁功率柜封脉冲，可以大大提高灭磁可靠性。,8、谢谢,参考文献： 李基成.励磁系统设计新理念.内蒙古电科院励磁技术研讨班讲义.2008年8月 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 卢嘉华.励磁系统负载误强励工况下发变组保护动作行为分析. 2012年发电机励磁系统学术年会暨技术研讨会论文集.2012年10月 王宇强，尹柏清，李基成.励磁系统误强励时发电机过电压保护的研究和仿真. 2012年发电机励磁系统学术年会暨技术研讨会论文集.2012年10月,
