發(fā)電機勵磁系統(tǒng)保護配置研究

李劉博

陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司 山西 晉城 048102

引言

發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分,其主要任務(wù)是根據(jù)發(fā)電機運行狀態(tài),向發(fā)電機的勵磁繞組提供一個可調(diào)節(jié)的直流勵磁電流,以滿足發(fā)電機各種運行方式的需要。靜止自并勵勵磁方式具有接線簡單、主機軸系短、造價低、運行維護方便、反應(yīng)速度快等特點,在大型發(fā)電機組中被廣泛采用。勵磁系統(tǒng)一旦發(fā)生故障,如果不能及時切除,不僅會導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)燒毀,而且會對電網(wǎng)產(chǎn)生惡劣影響。從設(shè)備組成來看,靜止勵磁系統(tǒng)包括勵磁變壓器、勵磁裝置和發(fā)電機勵磁繞組三部分。勵磁系統(tǒng)的故障除了勵磁變壓器的短路故障以及勵磁繞組的接地及過負荷故障之外,勵磁裝置也有多種類型的故障形式,既包括因過電壓或電壓(流)上升率過大而引起的整流器件損壞,也包括因器件失效、主回路斷臂、滑環(huán)短路、觸發(fā)脈沖丟失而引起的整流主回路異常運行。長期以來,《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》中對勵磁變壓器的保護配置問題沒有明確規(guī)定,技術(shù)人員只能根據(jù)自己對規(guī)程的理解和經(jīng)驗制定保護方案,因此常常對方案的保護范圍、能夠保護的故障類型缺乏詳細的了解。分析發(fā)現(xiàn),勵磁系統(tǒng)的保護主要集中在勵磁變壓器和勵磁繞組兩個環(huán)節(jié),保護范圍并未延伸至整流主回路,對于可能出現(xiàn)的整流主回路故障缺乏快速有效的保護措施。缺乏快速保護措施的整流主回路發(fā)生故障時,可能因故障切除不及時,造成事故的擴大。而大型機組滑環(huán)極易因長期工作受到污染,如果污染清除不及時,滑環(huán)短路故障時有發(fā)生。近年來,國內(nèi)連續(xù)發(fā)生了幾起因滑環(huán)短路導(dǎo)致整流回路中較大電流持續(xù)較長時間而引發(fā)勵磁功率柜燒毀的事故,事故損失嚴重,對機組和電網(wǎng)的運行安全造成威脅。因此,需引起重視并采取必要的措施,對此類故障進行快速保護。

1 定子單相接地保護

1)定子單相接地的特點一般來說,小型發(fā)電機中性點多數(shù)采用不接地的方式。發(fā)電機的定子繞組單相接地的時候,零序電壓就會隨著發(fā)電機內(nèi)部接地點的位置而變化,接地點與發(fā)電機的中性點的位置越近,所產(chǎn)生的零序電壓就越小,接地點與發(fā)電機中性點的位置越遠,所產(chǎn)生的零序電壓就越大,發(fā)電機端部接地時零序電壓將達到最大,也就是發(fā)電機的相電壓。一般在實際的工程中,是無法對故障點的零序電壓進行直接獲取的,大都是通過發(fā)電機端部的電壓互感器來進行測量的。2)定子接地保護的配置根據(jù)繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程的相關(guān)規(guī)定,和母線直接連接的發(fā)電機,考慮單相接地故障電流較允許值大的時候,就應(yīng)該有選擇性地設(shè)置接地保護功能。3)零序電壓式定子接地的保護經(jīng)過上文的分析論述,接地點的零序電壓是可以經(jīng)過發(fā)電機端部的電壓互感器獲取的,但是由于發(fā)電機直接與母線相連接,當(dāng)發(fā)電機本體或本體外發(fā)生接地故障時,發(fā)電機的機端電壓互感器就會有零序電壓的產(chǎn)生,那么就會沒有辦法判斷接地點的具體位置。所以,零序電壓式定子接地保護只適用于變壓器組接線類型的發(fā)電機,并不適用于和母線直接相連接的發(fā)電機,也不適用于變壓器組經(jīng)電抗器帶廠用分支類型的發(fā)電機。

2 勵磁調(diào)節(jié)裝置和失磁保護的配合

2.1 勵磁調(diào)節(jié)裝置低勵保護的整定要求 發(fā)電機失磁指的是發(fā)電機磁極剩磁很弱或沒有,在旋轉(zhuǎn)過程中建立不了勵磁電壓,失磁時發(fā)電機沒有電壓輸出。而發(fā)電機低勵是指發(fā)電機有勵磁電壓,只是電壓低,達不到要求,是發(fā)電機的一種非正常運行狀態(tài)。在低勵情況下發(fā)電機輸出的電壓比額定電壓低一些。發(fā)電機低勵運行,其定、轉(zhuǎn)子間磁場聯(lián)系減弱,發(fā)電機易失去靜態(tài)穩(wěn)定。為了確保一定的靜態(tài)穩(wěn)定裕度,勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計上均配置了低勵限制回路,即當(dāng)發(fā)電機一定的有功功率下,無功功率滯相低于某一值或進相大于某一值時,在勵磁調(diào)節(jié)裝置綜合放大回路中輸出一增加機端電壓的調(diào)節(jié)信號,使勵磁增加,起到保護作用。在發(fā)電機勵磁電流減小直至失磁的過程中,勵磁調(diào)節(jié)裝置的低勵限制保護應(yīng)首先動作,如未起到限制作用,則應(yīng)切到備用通道；如切到備用通道仍然未能起限制作用,則應(yīng)該由失磁保護判斷后動作停機。低勵限制單元應(yīng)先于失磁保護動作,以滿足低勵限制和失磁保護的整定配合,這是對低勵限制整定的基本要求。發(fā)電機組勵磁調(diào)節(jié)器低勵限制單元的限制曲線主要有兩種形式：一種是圓弧限制曲線(如ABBUNITROL5000型勵磁調(diào)節(jié)器的低勵限制曲線)；另一種是直線限制曲線(如南瑞的SAVR2000勵磁調(diào)節(jié)器的低勵限制曲線)。

2.2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)快速保護方案 上述事故分析表明,現(xiàn)有的靜止勵磁系統(tǒng)保護配置方案存在缺陷,勵磁裝置整流主回路缺少快速的保護措施,而當(dāng)前大型機組滑環(huán)極易因長期工作受到污染,如果污染清除不及時,滑環(huán)短路故障時有發(fā)生,因此發(fā)電機勵磁系統(tǒng)保護需加以改進和完善。如果將勵磁變壓器過流Ⅱ段的延時定值減小,勵磁裝置的損失可能會有所降低或避免,但由于勵磁變壓器過流Ⅱ段為保證靈敏度按照躲過強勵電流整定,整定值較小,必須加較長延時以防止暫態(tài)過程等引起的誤動,目前整定的0.5s延時減小的空間不大。為解決上述問題,可在原有兩段勵磁變壓器過流保護的基礎(chǔ)上增設(shè)一段過流保護,采用合適的電流定值及延時,實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的快速保護。下文將對所增設(shè)的過流保護的整定值及安裝位置加以說明。

2.3 過勵磁保護及勵磁限制器 同發(fā)電機低勵磁一樣,過勵磁也是發(fā)電機的一種非正常運行狀態(tài),當(dāng)發(fā)電機發(fā)生過勵磁時,鐵芯的工作磁密升高導(dǎo)致其出現(xiàn)飽和使得鐵損增加。鐵芯飽和還會使漏磁場增強,漏磁通在穿過鐵芯表面和相應(yīng)結(jié)構(gòu)件中引起的渦流損耗也相應(yīng)增加。由這些附加損耗引起的溫升有可能導(dǎo)致發(fā)電機繞組絕緣的損壞。因此勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計上均配置了過勵磁限制器,在發(fā)電機過勵磁時起到限制勵磁和保護發(fā)電機的作用。

結(jié)語

1)在目前發(fā)電機保護配置下,勵磁主回路發(fā)生滑環(huán)短路故障時由勵磁變壓器過流保護切除,可能造成大電流長時間持續(xù),導(dǎo)致勵磁設(shè)備燒毀,從而擴大事故范圍。2)在現(xiàn)有兩段勵磁變壓器過流保護的基礎(chǔ)上增設(shè)一段過流保護,采用合適的電流定值及延時,可實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)故障的快速保護。3)為快速對勵磁主回路故障做出反應(yīng),同時盡量降低誤動風(fēng)險,新增過流保護段可配備在勵磁變壓器低壓側(cè),整定為5倍額定勵磁電流,延時可整定為0.2s或更小。4)該方案可在現(xiàn)有硬件條件下實施,在保證靈敏度的前提下無需增加額外成本,易于推廣應(yīng)用。