空載誤強勵滅磁計算與發(fā)電機過電壓保護(hù)動作時間的整定

邸海燕，陳靈峰

（1. 浙江衢州學(xué)院機電工程系，浙江省衢州市 324000；2.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省桐柏市 317200）

空載誤強勵滅磁計算與發(fā)電機過電壓保護(hù)動作時間的整定

邸海燕1，陳靈峰2

（1. 浙江衢州學(xué)院機電工程系，浙江省衢州市 324000；2.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省桐柏市 317200）

本文以某電廠為例，以發(fā)電機過電壓保護(hù)的動作時間為基準(zhǔn)，對其誤強勵滅磁時的相關(guān)電氣量進(jìn)行工程上的簡化計算，并與該電廠滅磁開關(guān)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比對分析，從而對該電廠發(fā)電機過電壓保護(hù)的動作時間的整定提出修改意見。

空載誤強勵；滅磁；過電壓保護(hù)；動作時間

0 引言

按照ANSI/IEEE C37.18標(biāo)準(zhǔn)，勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)（即直流磁場斷路器）的額定分?jǐn)嗄芰?yīng)按照發(fā)電機機端三相短路的滅磁工況進(jìn)行計算選擇。然而根據(jù)分析計算表明，空載誤強勵情況下的滅磁，對滅磁開關(guān)的性能有更高的要求。這是因為目前發(fā)電機繼電保護(hù)的配置方式未能對勵磁系統(tǒng)誤強勵進(jìn)行有效的保護(hù)，只能靠發(fā)電機過電壓保護(hù)或勵磁變壓器得相關(guān)保護(hù)來動作跳閘滅磁，但它們都不是專門針對勵磁系統(tǒng)誤強勵而設(shè)置的保護(hù)。

對于誤強勵，發(fā)電機過電壓保護(hù)的整定值過高，且延時動作。保護(hù)啟動時，轉(zhuǎn)子電流已較大，轉(zhuǎn)子達(dá)到一定的飽和深度，其時間常數(shù)也較小，在保護(hù)延時出口跳閘滅磁期間，轉(zhuǎn)子電流大幅增加，使誤強勵滅磁開始時的轉(zhuǎn)子電流及發(fā)電機端電壓均高于發(fā)電機的其他滅磁工況。

本文以某電廠為例，根據(jù)發(fā)電機過電壓保護(hù)的延時整定值，對空載誤強勵工況下的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算。

1 原始參數(shù)

1.1 發(fā)電機參數(shù)

發(fā)電機參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機參數(shù)

1.2 發(fā)電機過電壓保護(hù)定值

動作電壓：1.3倍額定機端電壓

動作時間：0.5s

1.3 勵磁系統(tǒng)參數(shù)

勵磁變壓器：1530kVA，18/0.55kV，Uk=6%。

碳化硅滅磁電阻非線性系數(shù)：β=0.4

1.4 發(fā)電機空載特性

發(fā)電機空載特性如圖1所示。

圖1 發(fā)電機空載特性

2 計算發(fā)電機空載運行時的轉(zhuǎn)子電感及發(fā)電機端電壓

由發(fā)電機空載特性求取特性上各點的βi，按式（1）求出各點對應(yīng)的時間常數(shù)：

計算結(jié)果如表2、表3所示。相關(guān)的關(guān)系圖如圖2、圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)子電流與時間常數(shù)關(guān)系圖

圖3 轉(zhuǎn)子電流與機端電壓關(guān)系圖

表2 發(fā)電機直軸瞬變開路時間常數(shù)T′d0i隨轉(zhuǎn)子電流的變化

表3 發(fā)電機端電壓隨轉(zhuǎn)子電流的變化

3 計算誤強勵滅磁開始時的轉(zhuǎn)子電流及勵磁功率整流器的輸出電壓

該電廠的發(fā)電機過電壓保護(hù)定值為1.3倍額定機端電壓，延時0.5s出口跳閘。當(dāng)發(fā)生誤強勵時，在發(fā)電機端電壓達(dá)1.3倍額定機端電壓后過電壓保護(hù)延時0.5s動作跳開滅磁開關(guān)。考慮保護(hù)裝置動作時間及滅磁開關(guān)的分閘時間，滅磁開關(guān)主觸頭將在機端電壓達(dá)到1.3倍額定電壓后的0.6s開始分閘，此時的轉(zhuǎn)子電流為誤強勵滅磁開始時的轉(zhuǎn)子電流If（0）。If（0）可采用下式按分段計算法計算：

式中：If（i-1）——t（i-1）時刻的轉(zhuǎn)子電流；

Ifc（i-1）——t（i-1）時刻的轉(zhuǎn)子電壓下轉(zhuǎn)子的穩(wěn)

態(tài)電流（也就是頂值電流）；

Ti-1——If（i-1）時發(fā)電機的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)（定子開路時），可由If（i-1）及發(fā)電機空載特性按式（1）計算或以表2按線性插值計算；

Δti——i計算時段的時間長度，Δti=ti-t（i-1）。計算時忽略整流回路的換流壓降。

（1）由發(fā)電機空載特性，查的發(fā)電機端電壓達(dá)1.3倍額定電壓時（t=0-），轉(zhuǎn)子電流為2150A。

（2）t1=0.1s時（第1時段，i=1）的轉(zhuǎn)子電流計算。對第1時段，i=1，可有：

式中：If（0-）=2150A；根據(jù)表2，采用線性插值法可求得T1=1.795s；Δt1=0.1s，以下各計算時段同。

另外：

式中：1.35為整流器的電壓整流系數(shù)。對于第1時段，U2（i-1）為發(fā)電機達(dá)1.3倍額定電壓時（t=0）勵磁變壓器的二次側(cè)電壓U2（0），U2（0）=1.3U2N。則：

計算按誤強勵時晶閘管的控制角為0考慮。

于是：

（3）t2=0.2s時（第2時段，i=2）的轉(zhuǎn)子電流計算。

根據(jù)If(1)=2455A，按表2和線性插值法算得T2=1.4415s。

當(dāng)If(1)=2455A時，根據(jù)表3，用線性插值法可計算出對應(yīng)的機端電壓是額定值的1.335倍，那么：

那么：

（4）t3=0.3s時（第3時段，i=3）的轉(zhuǎn)子電流計算。

根據(jù)If(2)=2826A，按表2和線性插值法算得T3=1.027s。

當(dāng)If(2)=2826A時，根據(jù)表3，用線性插值法可計算出對應(yīng)的機端電壓是額定值的1.37倍，那么：

那么：

（5）t4=0.4s時（第4時段，i=4）的轉(zhuǎn)子電流計算。

根據(jù)If(3)=3324A，按表2和線性插值法算得T4=0.85s。

當(dāng)If(3)=3324A時，根據(jù)表3，用線性插值法可計算出對應(yīng)的機端電壓是額定值的1.40倍，那么：

那么：

（6）t5=0.5s時（第5時段，i=5）的轉(zhuǎn)子電流計算。

根據(jù)If(4)=3885A，按表2和線性插值法算得T5=0.84s。

當(dāng)If(4)=3885A時，根據(jù)表3，用線性插值法可計算出對應(yīng)的機端電壓是額定值的1.43倍，那么：

那么：

（7）t6=0.6s時（第6時段，i=6）的轉(zhuǎn)子電流計算。

根據(jù)If(5)=4410A，按表2和線性插值法算得T5=0.84s。

當(dāng)If(5)=4410A時，根據(jù)表3，用線性插值法可計算出對應(yīng)的機端電壓是額定值的1.48倍，那么：

那么：

（8）t6=0.6s時（第6時段，i=6）勵磁功率整流器的輸出電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流為4909A時，機端電壓是額定值的1.48倍，第6計算時段末（t6時刻）勵磁功率整流器的輸出電壓由下式計算得：

故誤強勵滅磁開始時的轉(zhuǎn)子電流為4909A，勵磁功率整流器的輸出電壓為1098.9V。

4 滅磁開關(guān)主觸頭額定最大分?jǐn)嚯妷旱倪x擇

滅磁開關(guān)額定分?jǐn)嗄芰τ墒剑?）進(jìn)行計算：

在初選時，可先設(shè)定誤強勵滅磁時滅磁電阻的最高電壓，通常不低于1000V。再由前文計算出的誤強勵滅磁開始時的轉(zhuǎn)子電流及勵磁功率整流器的輸出電壓（平均值）計算出滅磁開關(guān)主觸頭額定最大分?jǐn)嚯妷骸?/p>

5 碳化硅非線性電阻

該電廠碳化硅非線性電阻的伏安特性如圖4所示。

圖4 某電廠碳化硅非線性電阻伏安特性

由圖4可得：該型號的碳化硅的位形系數(shù)C=33.47～43，取平均值38.235；β=0.4。它的特性為：

（1）當(dāng)該廠發(fā)電機過電壓保護(hù)的動作時間整定為0.5s時，誤強勵滅磁開始時（0.6s）的電流為4909A時，可以通過上式計算得到此時滅磁電阻上的電壓：

根據(jù)式（2）可得此轉(zhuǎn)子電流下滅磁開關(guān)的分?jǐn)嚯妷簽椋?/p>

此時的滅磁開關(guān)需要分?jǐn)嗟碾妷焊哂谠撾姀S滅磁開關(guān)（CEX71 2000 3.2）技術(shù)說明書中規(guī)定的最大分?jǐn)嚯妷?100V。

（2）若該廠發(fā)電機過電壓保護(hù)的動作時間整定為0.3s，誤強勵滅磁開始時（0.4s）的電流根據(jù)前文的計算為3885A時，通過線性插值法可知，其對應(yīng)的機端電壓為1.43倍的額定機端電壓。同法，可得到3885A電流時滅磁開關(guān)的分?jǐn)嚯妷海?/p>

該分?jǐn)嚯妷号c該電廠滅磁開關(guān)允許的最大分?jǐn)嚯妷簽椋?100V）基本一致。

6 發(fā)電機變壓器組繼電保護(hù)整定導(dǎo)則的規(guī)定

《大型發(fā)電機變壓器繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則》（DL/T 684—2012）中的4.8.4規(guī)定：對于采用可控硅勵磁的水輪發(fā)電機，發(fā)電機定子過電壓保護(hù)的動作時限取0.3s，動作于解列滅磁。

7 結(jié)束語

本文對誤強勵后開始滅磁時滅磁開關(guān)分?jǐn)嚯妷旱暮喕嬎悖梢园l(fā)現(xiàn)，該廠發(fā)電機定子過電壓保護(hù)整定值（1.3倍額定，0.5s）中的動作時限整定的不合適。當(dāng)延時0.5s后動作跳閘滅磁，此時轉(zhuǎn)子電流相對較大4909A，轉(zhuǎn)子飽和較深，滅磁開關(guān)所需分?jǐn)嗟碾妷阂簿洼^大（2243.9V），已經(jīng)超過了此型號滅磁開關(guān)的規(guī)定最大分?jǐn)嚯妷海?100V）。而當(dāng)延時取DL/T 684—2012中規(guī)定的0.3s時，轉(zhuǎn)子電流為3885A，滅磁開關(guān)所需分?jǐn)嗟碾妷簽?104V，與滅磁開關(guān)允許的最大分?jǐn)嚯妷夯疽恢隆?/p>

因此建議，將該廠發(fā)電機定子過電壓保護(hù)的延時整定值改為0.3s。這樣，既能快速切除故障，縮短滅磁時間，減輕滅磁電阻的負(fù)擔(dān)，減小定、轉(zhuǎn)子受到的危害，也能改善滅磁開關(guān)的工作環(huán)境，延長壽命。

[1]梁建行.發(fā)電機滅磁系統(tǒng)的分析與計算.北京：中國電力出版社，2009.

[2]吳跨宇，等.基于空載誤強勵滅磁對發(fā)電機過電壓保護(hù)整定的研究.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011.

邸海燕（1979—），女，工程碩士，副教授，主要從事機電控制教學(xué)工作。

陳靈峰（1978—），男，本科，高級工程師，主要從事繼電保護(hù)和勵磁系統(tǒng)的檢修維護(hù)工作。

The Calculation of No-load Faulty Forced Excitation and the Action Time Setting of Generator Overvoltage Protection

DI Haiyan1，CHEN Lingfeng2
（1.Department of mechanical and electrical engineering，Quzhou University，Quzhou 324000，China;2. Tongbai Pumped Storage Power Co.， Ltd.， State Grid Xinyuan Company， Tongbai 317200，China)

According to the pickup time of the overvoltage protection of one certain plant，this paper simplified calculates some related electrical variables on no-load fault forcing excitation condition and compares these variables with the parameters of the de-excitation circuit breaker of the plant.According to the result of the analysis， this paper puts forward to modify the setting value of the pickup time of the overvoltage protection of this plant.

no-load fault forcing excitation；de-excitation；overvoltage protection；pickup time