某厂发变组保护与AVR系统限制配合关系的研究

某厂发变组保护与AVR系统限制配合关系的研究

陈宁

华能山东发电有限公司白杨河电厂山东省淄博市255200

摘要：大型发电机组保护设备配置失磁失步保护、转子过负荷保护、定子过电流保护、过激磁保护及过电压保护功能，而按励磁标准规定励磁系统中配置无功低励限制、转子过电流限制、过激磁限制及过电压限制等功能，为提高机组运行可靠性，保障电网运行安全，必须保证发电机在限制区运行过程中，励磁系统限制功能总是先于发变组保护功能动作，防止发变组保护功能在励磁系统限制未动作之前解列发电机，当前多数电厂的发变组保护在进行整定计算时,容易忽略与励磁调节器的配合，导致一旦励磁系统出现异常，发变组保护即动作于停机。本文针对误强励及误失磁两方面导致的结果，研究发电机励磁限制功能与发变组保护功能配合的关系，期望能给励磁及保护的同行从业者提供参考。

关键词：失磁；反时特性；保护；励磁；过激磁；误强励；配合关系；

一、引言

现代大型发电机组保护设备均采用微机保护方式，发电机运行过程中，励磁系统故障中断电流或发出强励电流的原因综合起来，不外乎两种，一般发电机低励磁均是由于励磁系统故障后中断励磁电流引起，发电机过励磁的原因大致分为两种，一种由区外故障引起励磁系统输出强励电流，不能在保护动作之前降低励磁电流引发；一种由于励磁系统本身输出误强励磁电流引发。

发电机励磁调节器误调节引起发电机误失磁和误强励，其保护功能基本为失磁失步保护、转子过负荷保护、定子过电流保护、过激磁保护及过电压保护几大类保护功能，要确保这些保护功能动作解列前发电机能够回到正常运行工况，则必须针对这些保护功能配置相应的励磁限制功能，保证发电机在限制区运行过程中，励磁系统限制功能总是先于发变组保护功能动作，防止发变组保护功能在励磁系统限制未动作之前解列发电机。

根据当前大型发电机变压器组保护设备的典型功能配置，大型发电机组励磁调节器务必具备如下限制功能：发电机低励失磁限制、发电机转子过负荷限制、发电机定子过电流限制、发电机过激磁限制等。本文中从五个方面分析发变组保护定值整定与励磁调节器的限制、保护之间的配合，包括：

（1）发电机失磁保护与AVR低励限制的配合；

（2）发电机转子绕组过负荷保护与AVR励磁过电流（过励）限制的配合；

（3）发电机过励磁保护与AVR过励限制的配合；

（4）发电机过电压保护与AVR过电压限制的配合；

（5）发电机定子过负荷保护与AVR定子过流限制的配合。

二、发电机失磁保护与AVR低励限制的配合

2.1前言

励磁标准DL/T843-2010规定：为防止电力系统暂态过程中欠励限制回路的动作，影响励磁调节，欠励限制回路应有一定的时间延迟。在磁场电流过小和失磁时欠励限制应首先动作；如限制无效，则应在失磁保护继电器动作前自动投入备用通道。

从标准规定可以得知，要保证发电机失磁保护和发电机低励限制全范围紧配合，必须要保证励磁限制和发电机失磁保护判据一致，事实上，现行的发电机失磁保护普遍采用阻抗（R-X）平面为判据，而励磁限制普遍采用功率（P-Q平面）为判据，感觉整定匹配较复杂，也较为抽象。但实际上，发电机失磁保护和发电机低励磁限制动作的前提相同，均是发电机静稳特性，且是唯一的，从本质上两者有条件完全配合。为正确协调两者间的参数配合，必须将两者归算到同一平面上计算，按DL/T650-1998附录要求一般按照静稳定极限值留10%左右储备系数整定，但实际情况低励限制均有电科院实验报告整定计算下发。

图1异步圆与静稳圆

2.2异步圆的计算

从失磁保护、低励限制的原理和动作行为可得到相互配合原则：发电机从失磁到最后失稳或失步，机端测量阻抗和功率都应该先进入低励限制区，然后进入低励保护区，最后过渡到失磁保护圆(静稳圆或异步圆)，在P-Q平面上失磁保护阻抗圆处在低励限制线的下方，且相互之间的裕度充分合理、过渡平稳。

我厂发变组保护为南瑞集团RCS-985C保护装置，我厂定值整定为异步圆。

图1中，由Xa、Xb组成异步圆，Xc、Xb组成静稳圆。

2.2.1设失磁保护阻抗圆的圆心坐标为(0，X0)，半径为R0，圆内为动作区，其方程为：

式中：、——发电机暂态电抗（不饱和值）和同步电抗（不饱和值），标幺值；

、――发电机额定电压（kV）和额定视在功率（MVAR）；

、――电流互感器TA变比和电压互感器TV变比。

异步圆圆心和阻抗圆半径，其定值应分别整定为：

圆心

半径

将异步边界阻抗圆按如下面公式映射到P-Q平面，如图2所示。考虑到

固有

进一步推导得出：

圆心：

半径：

与Q上交点：

异步圆方程为：

可见，异步边界阻抗圆映射到P-Q平面后，变成了以（0，-1681.18）为圆心，以1485.04为半径的圆，且该圆上方与Q的交点为（0，-196.14），且该圆下方与Q的交点为（0，-3166.22），在发电机进相运行时，随着发电机机端电压的降低，异步边界阻抗圆在P-Q平面的映射也如图4所示向P轴偏移。只要异步边界阻抗圆与Q的交点（0，-196.14）不与欠励限制曲线的（0MW，-102Mvar）点相交，即表明失磁保护与欠励限制间配合关系正确。

2.2.2进相试验结果与励磁调节器欠励限制定值

发电机进相试验结果为：P1=150MWQ1=-58.9Mvar；

P2=225MWQ2=-42.3Mvar；

P3=300MWQ3=-27.7Mvar

2.2.3低励限制与异步圆的比较（取关键点）

2.2.4根据DL/T1164-2012《汽轮发电机运行导则》要求，发电机机端电压不应低于额定电压的90%。目前励磁调节器“负载定子电压给定最小值”的整定值符合该要求，其定值为18kV。取机端电压U=18kV时，求得异步边界阻抗圆与Q的交点为：

P=0MW，Q=

可见，即使在机端电压最低至18kV时异步边界阻抗圆与Q轴交点（0MW，-158.875Mvar）也在欠励限制曲线与Q轴交点（0MW，-20.02Mvar）的下方，异步边界阻抗圆不会与欠励限制曲线相交，失磁保护与欠励限制之间配合关系正确。

2.3小结

发电机励磁降低后，首先由励磁系统中的低励限制动作，将发电机励磁电流限制在一定范围内。若励磁电流进一步降低，则机端测量阻抗先经过静稳圆内，然后进入异步圆运行，最后失磁保护定值切除发电机，这样失磁保护与低励限制得到炉很好的配合，满足配合要求。

三、发电机励磁绕组过负荷保护与AVR过励磁限制之间的配合

3.1前言

发变组保护装置的转子绕组过负荷保护，动作后作用于停机；励磁系统有励磁过电流限制功能。DL/T843-2010在6.5.8规定：自动电压调节器的过励反时限制单元应符合GB/T7064规定的发电机磁场过电流特性的反时限特性，在达到允许发热量时，将磁场电流限制到额定值附近；过励反时限特性函数与发电机磁场过电流特性函数一致；过励反时限特性与发电机过负荷保护特性之间留有级差，顶值电流下级差设为2秒；过励反时限启动值一般小于发电机过负荷保护的启动值，启动值不影响反时限特性；过励反时限限制值可以与启动值相同，也可以比启动值低。标准GB/T7064隐极同步发电机技术要求中规定：发电机转子过电流耐受力时间从10～120S，，以发热常数33.75基准，转换为解析式表达：

(i2-1)*t=C=33.75(a)

式中：i以发电机额定转子电流为基值的转子电流标么值；t为在该转子电流下的允许运行时间。

发电机转子过负荷保护分为定时限过负荷保护和反时限过负荷保护，其反时限保护能模拟转子绕组过负荷的热积累过程及散热过程，其特性与式（a）相同，即当转子电流大于启动电流（启动电流大于额定电流）后，式（a）计算为正值，发电机转子绕组开始热积累；当转子电流小于额定电流后，式（a）计算为负值，发电机转子绕组开始散热过程。

3.2励磁过负荷保护

3.2.1定时限过负荷保护：动作电流为3.98A，动作时限取11S。

3.2.2反时限过负荷保护：反时限起动电流定值与告警段动作电流配合，动作电流3.98A，上限动作时间：取0.5S。

3.3动作时限比较

3.3.1根据发电机保护RCS-985C反时限方程可得：

3.3.2NES5100励磁调节器强励反时限限制特性按如下公式计算：

其中，按励磁调节器定值单，，，；

可得强励反时限限制特性计算公式为：

表2发电机转子过负荷保护、励磁调节器强励反时限限制的动作时限比较

按照DL/T843-2010《大型汽轮发电机励磁系统技术条件》要求，过励反时限特性与发电机转子绕组过负荷保护特性之间留有级差，一般可取1~2s。

3.4励磁过负荷信号段与励磁系统过励限制的比较

励磁过负荷信号段，动作电流3.98A，，动作倍数1.17倍，而励磁限制动作时间为78.54S，信号动作时间为91.89S，故信号在限制后发出，满足要求。

3.5励磁过负荷反时限与励磁系统过励限制的比较

根据表2可知，在相同励磁过流倍数情况下，励磁系统限制先于发变组励磁绕组过负荷动作，故配合满足要求。

3.6小结

3.6.1发电机转子过电流保护发热时间常数值>励磁系统励磁过电流限制发热时间常数值。

3.6.2发电机转子过电流保护下限动作电流值>励磁系统励磁过电流限制下限动作电流值。

3.6.3发电机转子过电流保护上限动作时间值>励磁系统励磁过电流限制上限动作时间值。

通过比较，可以看出我厂发电机过负荷与励磁系统过励限制的配合是满足要求的。

四、发电机过激磁保护与AVRV/F限制配合

4.1前言

电力行业励磁标准DL/T843-2010规定：自动电压调节器的伏/赫兹限制应与发电机及主变压器的过激磁特性匹配，应具有定时限和反时限特性，发电机动态过程的励磁调节应不受电压/频率比率限制单元的影响。反时限特性应与过激磁保护的定时限和反时限特性配合。

首先，强调限制特性与发电机及主变压器的过激磁特性匹配，动作特性相同是全范围配合的基础。其次，强调反时限特性的形式，数学上反时限分为常规反时限、强反时限、超强反时限和极限反时限，但发变组反时限特性与任何一种数学反时限函数都不相同，因此，必须采用非函数形式反时限，才能真正实现与采用同样非函数形式的发电机过激磁保护特性完全匹配。要满足标准要求，必须采用非函数形式的多点表述方式，才能与过激磁保护功能相匹配，保证励磁限制先于保护动作，防止发电机误解列。

4.2保护定值

4.2.1发电机过励磁保护（部分）

4.2.2励磁系统V/F限制定值

4.3小结

发变组过激磁V/Hz保护动作值为1.08倍，强励后返回值为1.05倍，而励磁系统V/Hz限制为1.05倍，其返回值为1.05能够正常运行，不受励磁系统V/Hz限制。励磁系统限制时间0.06S，也早于发变组保护最低动作时间44S，故配合符合要求。

五、发电机过电压保护与AVR过电压限制配合

5.1前言

现代大型发电机绝大多数采用自并励静止励磁方式，自并励励磁系统转子电流增加后，发电机定子电压上升，励磁变压器副边电压随之上升，促使可控硅整流器输出电压也上升，将导致转子电流进一步上升，形成正反馈循环，致使定子电压和转子电流快速上升。当电压上升到发电机空载特性饱和区域，转子电流会急剧增加，最终保护设备中发电机过电压保护动作，断开灭磁开关进行灭磁，此时灭磁开关将面临着同时分断最大转子电流和最大转子电压的危险工况，灭磁开关负担极重，很容易造成灭磁开关烧毁的恶性事故，类似事故近年来屡有发生。

本文主要介绍研究负载状态下的过电压配合关系，负载状态下励磁系统配有过电压限制值功能。励磁系统还设置V/F过激磁保护功能，该功能解决低频状态下误强励问题，励磁调节器首先启动V/F过激磁限制，如果限制失效，V/F会越过限制值，在延时整定时间后，V/F过激磁保护动作，中断励磁调节器输出触发脉冲，发电机进入自然续流灭磁，转子电流、定子电压可靠稳定下降。

5.2发电机电压保护定值（部分）

5.3小结

励磁系统限制中“负载最大定子电压最大值”为110%，“负载最小定子电压最大值”为90%，依靠此值限制机端电压在90%～110%之间。励磁系统“V/F限制频率最小值”为45V（即1.11倍），“V/F限制”为1.05，当负载电压限制失败后电压值1.05*1.11*100=117V<130V（发电机过电压保护值130V）,动作时间0.06S（发电机过电压保护动作时间0.5S），故励磁调节器V/F限制先于与发电机过电压保护动作，配合符合要求。

六、发电机定子过负荷保护与AVR定子过流限制的配合

6.1前言

目前电力行业励磁标准中均没有对发电机定子过流限制功能作具体要求，但大型发电机保护设备中均配置发电机过负荷保护功能，实际中也发生多起发电机定子过负荷保护引起发电机解列事故。定子电流限制作用范围为发电机运行到超出额定有功功率的情况。发电机输出功率超过额定有功时，定子电流限制将代替励磁电流限制成为发电机的主要限制因素。

发电机定子过流限制动作模型和要求可以参照发电机转子过流限制的方式方法，标准GB/T7064隐极同步发电机技术要求4.15规定：容量在1200MVAR及以下的发电机，应能承受1.5倍额定定子电流，历时30S无损伤，发电机定子过电流耐受力，以发热常数37.5基准,转换为公式即

(i2-1)*t=C=37.5(b)

式中：i为以发电机额定定子电流为基值的定子电流标么值；t为在该定子电流下的允许运行时间发电机定子过负荷保护分为定时限过负荷保护和反时限过负荷保护，其反时限保护能模拟定子绕组过负荷的热积累过程及散热过程。

与发电机转子过流限制模型不同时，定子过流分两种情况，发电机滞相运行时，无功功率大于零，此时定子过电流原因是励磁电流过大，限制动作后，必须发出励磁电流减小信息；而当发电机进相运行时，无功功率小于零，此时定子过电流原因是励磁电流过小，限制动作后，必须发出励磁电流增加信息。

6.2定子过负荷保护

6.2.1定时限过负荷保护：动作电流取3.96A。动作时限取3.2S。

6.2.2反时限过负荷保护：反时限过负荷保护的动作特性，即过电流倍数与允许持续时间的关系，由制造厂家提供的定子绕组允许的过负荷能力确定。反时限下限电流定值为4.16A，时限按下式计算：

6.3小结

励磁系统定子电流限制为10698A，折算为二次值为3.56A，由于励磁系统定子电流限制器为定时限值小于发电机定子过负荷保护定值3.98A，满足要求；反时限曲线，其限制曲线为式（b），可见与发电机保护反时限曲线相同，但由于限制值为3.56，故励磁系统限制曲线在发电机保护动作曲线的下方，我厂励磁系统在进行功能升级后，永远可以保证励磁系统定子过电流限制先于发电机定子过负荷保护动作，满足要求。

七、结论

综上所述，我厂励磁系统与发电机保护满足五大配合要求。即使如上所述，励磁调节器各种限制功能与相应的发电机保护功能全部匹配，但是工程上有时会出现这样几种误解列情况：

7.1由于测量系统结果不一致，保护设备认为发电机已超过正常运行范围启动相应保护功能，而励磁调节器认为仍处于正常运行范围而没有启动励磁限制功能，最终导致励磁限制未动作，而发电机保护动作解列事件发生。因此在发电机励磁调节器和保护设备调试时，尤其对励磁限制启动值和保护启动值级差较小的限制保护功能，必须保证一定的准确度。

7.2发电机运行异常时，励磁限制已经动作，但由于励磁调节器调节较慢，在限制调节过程中，发电机保护已经启动，最后造成误解列。

7.3发电机运行异常时，由于励磁调节器测量速度比发电机保护设备测量速度慢，保护设备先探测发电机异常状态而启动保护，励磁调节器后探测发电机异常状态，虽然也启动励磁限制，但由于启动晚，保护设备率先动作解列发电机，因此励磁调节器所有限制功能的限制调节时间要进行实际测量。

励磁系统与发电机保护系统分属两个不同系统，由于设计和生产以及安装等各方面的原因，不可避免的会产生配合误差，所以在日常维护过程中应严格校核所有的保护定值与动作时间，同时必须加强两个系统之间的同步协调配合校验，以更好地保证发电机正常可靠稳定运行。

参考文献

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作者简介

陈宁（1989.6—），男，江苏徐州人，本科，工程师，多年主要负责大中型发电机保护与励磁系统的整定计算工作，进行大中型发电机保护与励磁系统的使用、维护及现场试验调试工作。