发电机励磁系统保护配置研究

李刘博

阳城国际发电有限责任公司 山西 晋城 048102

引言

发电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分,其主要任务是根据发电机运行状态,向发电机的励磁绕组提供一个可调节的直流励磁电流,以满足发电机各种运行方式的需要。静止自并励励磁方式具有接线简单、主机轴系短、造价低、运行维护方便、反应速度快等特点,在大型发电机组中被广泛采用。励磁系统一旦发生故障,如果不能及时切除,不仅会导致励磁系统烧毁,而且会对电网产生恶劣影响。从设备组成来看,静止励磁系统包括励磁变压器、励磁装置和发电机励磁绕组三部分。励磁系统的故障除了励磁变压器的短路故障以及励磁绕组的接地及过负荷故障之外,励磁装置也有多种类型的故障形式,既包括因过电压或电压(流)上升率过大而引起的整流器件损坏,也包括因器件失效、主回路断臂、滑环短路、触发脉冲丢失而引起的整流主回路异常运行。长期以来,《继电保护和安全自动装置技术规程》中对励磁变压器的保护配置问题没有明确规定,技术人员只能根据自己对规程的理解和经验制定保护方案,因此常常对方案的保护范围、能够保护的故障类型缺乏详细的了解。分析发现,励磁系统的保护主要集中在励磁变压器和励磁绕组两个环节,保护范围并未延伸至整流主回路,对于可能出现的整流主回路故障缺乏快速有效的保护措施。缺乏快速保护措施的整流主回路发生故障时,可能因故障切除不及时,造成事故的扩大。而大型机组滑环极易因长期工作受到污染,如果污染清除不及时,滑环短路故障时有发生。近年来,国内连续发生了几起因滑环短路导致整流回路中较大电流持续较长时间而引发励磁功率柜烧毁的事故,事故损失严重,对机组和电网的运行安全造成威胁。因此,需引起重视并采取必要的措施,对此类故障进行快速保护。

1 定子单相接地保护

1)定子单相接地的特点一般来说,小型发电机中性点多数采用不接地的方式。发电机的定子绕组单相接地的时候,零序电压就会随着发电机内部接地点的位置而变化,接地点与发电机的中性点的位置越近,所产生的零序电压就越小,接地点与发电机中性点的位置越远,所产生的零序电压就越大,发电机端部接地时零序电压将达到最大,也就是发电机的相电压。一般在实际的工程中,是无法对故障点的零序电压进行直接获取的,大都是通过发电机端部的电压互感器来进行测量的。2)定子接地保护的配置根据继电保护和安全自动装置技术规程的相关规定,和母线直接连接的发电机,考虑单相接地故障电流较允许值大的时候,就应该有选择性地设置接地保护功能。3)零序电压式定子接地的保护经过上文的分析论述,接地点的零序电压是可以经过发电机端部的电压互感器获取的,但是由于发电机直接与母线相连接,当发电机本体或本体外发生接地故障时,发电机的机端电压互感器就会有零序电压的产生,那么就会没有办法判断接地点的具体位置。所以,零序电压式定子接地保护只适用于变压器组接线类型的发电机,并不适用于和母线直接相连接的发电机,也不适用于变压器组经电抗器带厂用分支类型的发电机。

2 励磁调节装置和失磁保护的配合

2.1 励磁调节装置低励保护的整定要求 发电机失磁指的是发电机磁极剩磁很弱或没有,在旋转过程中建立不了励磁电压,失磁时发电机没有电压输出。而发电机低励是指发电机有励磁电压,只是电压低,达不到要求,是发电机的一种非正常运行状态。在低励情况下发电机输出的电压比额定电压低一些。发电机低励运行,其定、转子间磁场联系减弱,发电机易失去静态稳定。为了确保一定的静态稳定裕度,励磁调节系统在设计上均配置了低励限制回路,即当发电机一定的有功功率下,无功功率滞相低于某一值或进相大于某一值时,在励磁调节装置综合放大回路中输出一增加机端电压的调节信号,使励磁增加,起到保护作用。在发电机励磁电流减小直至失磁的过程中,励磁调节装置的低励限制保护应首先动作,如未起到限制作用,则应切到备用通道；如切到备用通道仍然未能起限制作用,则应该由失磁保护判断后动作停机。低励限制单元应先于失磁保护动作,以满足低励限制和失磁保护的整定配合,这是对低励限制整定的基本要求。发电机组励磁调节器低励限制单元的限制曲线主要有两种形式：一种是圆弧限制曲线(如ABBUNITROL5000型励磁调节器的低励限制曲线)；另一种是直线限制曲线(如南瑞的SAVR2000励磁调节器的低励限制曲线)。

2.2 发电机励磁系统快速保护方案 上述事故分析表明,现有的静止励磁系统保护配置方案存在缺陷,励磁装置整流主回路缺少快速的保护措施,而当前大型机组滑环极易因长期工作受到污染,如果污染清除不及时,滑环短路故障时有发生,因此发电机励磁系统保护需加以改进和完善。如果将励磁变压器过流Ⅱ段的延时定值减小,励磁装置的损失可能会有所降低或避免,但由于励磁变压器过流Ⅱ段为保证灵敏度按照躲过强励电流整定,整定值较小,必须加较长延时以防止暂态过程等引起的误动,目前整定的0.5s延时减小的空间不大。为解决上述问题,可在原有两段励磁变压器过流保护的基础上增设一段过流保护,采用合适的电流定值及延时,实现励磁系统的快速保护。下文将对所增设的过流保护的整定值及安装位置加以说明。

2.3 过励磁保护及励磁限制器 同发电机低励磁一样,过励磁也是发电机的一种非正常运行状态,当发电机发生过励磁时,铁芯的工作磁密升高导致其出现饱和使得铁损增加。铁芯饱和还会使漏磁场增强,漏磁通在穿过铁芯表面和相应结构件中引起的涡流损耗也相应增加。由这些附加损耗引起的温升有可能导致发电机绕组绝缘的损坏。因此励磁调节系统在设计上均配置了过励磁限制器,在发电机过励磁时起到限制励磁和保护发电机的作用。

结语

1)在目前发电机保护配置下,励磁主回路发生滑环短路故障时由励磁变压器过流保护切除,可能造成大电流长时间持续,导致励磁设备烧毁,从而扩大事故范围。2)在现有两段励磁变压器过流保护的基础上增设一段过流保护,采用合适的电流定值及延时,可实现励磁系统故障的快速保护。3)为快速对励磁主回路故障做出反应,同时尽量降低误动风险,新增过流保护段可配备在励磁变压器低压侧,整定为5倍额定励磁电流,延时可整定为0.2s或更小。4)该方案可在现有硬件条件下实施,在保证灵敏度的前提下无需增加额外成本,易于推广应用。