水利电站励磁限制与保护整定原理对于发电机的作用

水利电站励磁限制与保护整定原理对于发电机的作用

何晓刚

贵港市覃塘区平龙水库管理委员会537100

摘要：发变组保护和励磁调节器是水利电站电气二次系统的两个重要的组成部分。发变组保护与励磁系统限制的合理配合关系到机组、电网的安全稳定，同时也是网源协调参数核查的重要部分，两者之间的正确配合对于发电机组运行的可靠性和稳定性有着重要的作用。对水轮发电机过激磁保护与励磁V/Hz限制、转子过负荷保护与励磁强励限制、定子过负荷保护与励磁定子电流限制、发电机失磁保护与励磁欠励限制之间的匹配关系进行分析研究，可为水轮发电机励磁限制与保护配合定值设定关系提供参考。

关键词：励磁限制；保护；整定配合

前言

GB/T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》中规定：300MW及以上发电机，应装设过励磁保护™。过激磁保护的设定原则为：①当发电机与主变压器之间设置有断路器时，发电机和变压器均需过激磁保护功能；②当发电机与主变压器之间不设断路器，则对两者中过激磁能力小的配置过激磁保护，一般来说，发电机的过激磁能力比主变要小p]，只对发电机配置过激磁保护。当发电机或主变过激磁时，要保证发电机励磁系统V/Hz限制先于发电机过激磁保护动作。

只有当V/Hz限制失效时，发电机过激磁保护动作。强励限制定值应具备国标GBZT7064、GB/T7894规定的发电机磁场过电流反时限特性，并与转子过负荷保护相匹。发电机励磁系统强励限制曲线与转子过负荷保护曲线一般设置为反时限曲线，强励限制动作时间要小于转子过负荷保护动作时间，两者间保留一定裕度。强励限制与保护配置原则应遵循：强励限制定值<转子过负荷保护定值<发电机磁场过电流能力，并且三者之间留有合理的时间级差。

当同步发电机励磁电流持续降低，其运行点将会超过发电机定子端部发热限制线或静态稳定限制线，严重时会造成发电机运行失步，欠励限制与失磁保护主要是为了防止上述情况的发生。欠励限制是在发电机P-Q平面内根据定子端部发热限制线或静态稳定限制线作出的一条限制曲线；失磁保护则依据阻抗判断法，在R-X平面内进行表达。欠励限制与失磁保护的配合关系的验证，需将两者在同一坐标平面内进行比较。保证欠励限制先于失磁保护动作，且留有一定裕度。

1V/HZ限制与过激磁保护整定

1.1V/Hz限制整定原理

V/Hz限制中，V为发电机机端电压标幺值，Hz为发电机频率的标幺值。为防止发电机铁心磁密过于饱和，以雖热受损，V/Hz比值须保持在一核全范围之内。从关系式中可以看出，造成VZHz比值超出范围的因素有两个：①由于发电机机端电压过高，这种情况一般发生在发电机空载和负载态，当两者比值超出调节器设定值时，调节器会定时限或反时限来降低发电机电压给定值，从而降低发电机端电压，以确保比值在安全范围之内；②由于机组频率降低，这一般发生在发电机空载状态下，由于励磁系统対发电机频率无法控制，最直接的控制方式是当发电机频率降低至45HZ以下时，直接逆变灭磁，从而起到保护发电机的作用。

1.2过励磁保护整定原理

当发电机与主变压器之间不设断路器时，一般只配置发电机过激磁保护，保护测值取发电机机端电压；当发电机与主变压器间设置断路器时，对两者均需配置过激磁保护功能，主变过激磁保护测值取变压器髙压侧电压。为了充分提高发电机和主变的过激磁能力，同时考虑到发电机、主变的热量累积及散热功能，过激磁保护一般采用反时限限制曲线。

2励磁强励限制与转子过负荷保护的配合

2.1强励限制整定原理

发电机强励功能对提高电力系统稳定性具有重要的作用，但为了防止发电机励磁绕组长时间过流而造成转子绕组破坏，励磁系统需设置强励限制功能。强励限制动作后，励磁调节器自动减磁，并将励磁电流拉回至额定值以下，强励动作返回。GB/T7894-2009中规定：水轮发电机转子绕组应能承受2倍以下额定励磁电流，2倍额定励磁电流时，强励时间不少于20S；水轮发电机励磁强励限制设置为反时限曲线，并参照汽轮发电机转子过电流反时限函数。

2.2转子绕组过负荷保伊原理

转子过负荷保护主要是为了防止发电机转子绕组过电流时间超过保护功能所允许的时间。当励磁系统强励限制功能没有起到转子电流过流限制功能时，发变组保护会根据不同的设定，发信或者跳出口开关。对于容量大于300MW的机组，发电机转子过负荷保护一般采用“定时限”“反时限”进行保护，“定时限”设定值一般为流过转子绕组最大电流的1-1.1倍；“反时限”保护动作方程参照公式（1）：

式（1）中：/为实际励磁电流标幺值，为额定励磁电流标幺值，励磁绕组热容系数。

2.3励磁绕组过负荷保伊与强励限制定值设定实例

某电站发电机励磁强励反时限特性符合公式

式中：/为转子电流标幺值；IP默认为为1，a为2；A为反时限常数，2倍励磁额定电流，强励时间为20s，反推得出4=60，反时限启动值为1.1倍励磁额定电流D发电机制造厂可提供发电机转子过电流倍数与相应的允许鐘时间的关系曲线，励磁绕组过负荷保护曲线可参考厂家提供曲线进行设定。其动作特性可由公式⑶表示。

式（3）中：C为转子绕组热容系数；/为转子电流标幺值4默认为1.02。2倍额定转子电流时，允许时

间为25s，代人式⑶，得C=25x（（2/1.02）2-1）=711s，电流启动值为1.2倍额定励磁电流。将励磁强励限制曲线与转子过负荷曲线在同一坐标下绘制，可以清楚看出两者的匹配关系。两者配合关系如图2所示，配合合理。

3定子过流限制与定子过负荷保护的配合

3.1定子过电流限制整定原理

为了充分利用发电机定子绕组过负荷的能力，同时避免发电机定子绕组长时间过流而发热受损，必须对定子电流进行限制。励磁调节器只能通过将无功调整趋近0来减小定子电流。即在过励侧，减小无功；在欠励侧，增加无功。如果无功已经调节到了0附近（死区），即使定子电流仍然过高，也要停止减磁（滞相）、增磁（进相）。

3.2发电机定子过负荷保护整定原理

水轮发电机定子绕组过流倍数与允许时间的关系没有规定具体函数，在保护设置中，可以设定时限

保护和反时限保护两种，但一般采用反时限。函数关系也可以参照发电机转子绕组过流倍数与时间的关

系。可以看出保护整定值要远大于励磁限制值，可以考虑适当增大中反时限常数A。

4结语

合理配置机组励磁系统限制功能和相应的机组保护，并实现两者的合理配合，才能保证机组及电网的安全。本文主要从发电机过激磁保护与励磁V/HZ限制、转子过负荷保护与励磁强励限制、定子过负荷保护与励磁定子电流限制、发电机失磁保护与励磁欠励限制之间的匹配关系进行分析研究，并结合实例对其配合关系进行了阐述。其成果可以为励磁系统限制与保护配合定值设定提供理论参考，正确合理的整定励磁调节器限制值与发变组保护的配合关系，充分利用励磁系统的限制作用，可以提高机组的安全稳定运行能力。

参考文献：

[1]GB/T14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程[S].

[2]DLT684-2012大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].

[3]GBT_7064-2008隐极同步发电机技术要求[S].