发变组保护与励磁系统限制及保护的匹配关系

发变组保护与励磁系统限制及保护的匹配关系
陈生
神华（福州）罗源湾港电有限公司福州350500
【摘要】发变组保护和励磁调节器是发电厂电气二次系统的两个重要的组成部分，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。

然而在工程上发变组保护在进行整定计算时，非常容易忽略与励磁调节器的配合或者配合不当，造成一旦励磁系统出现异常，发变组保护动作作用于停机。

为尽量减少发电厂非正常停机事故的发生，必须考虑发变组保护定值与励磁调节器之间的各种配合关系。

本文主要从发电机失磁保护与AVR低励保护、限制的配合、发变组过激磁保护与励磁调节器V/Hz限制之间、发电机转子绕组过负荷保护与AVR励磁过励限制的配合、过电压保护与励磁调节器电压限制匹配四个方面来分析。

【关键词】失磁保护；转子绕组；低励磁；过励磁；保护AVR；低励磁限制
引言
大型发电机变压器组的微机保护针对发电机低励磁、转子绕组过负荷和发电机（主变压器）过励磁等不正常方式，装设了失磁保护、转子绕组过负荷及过激磁等保护。

发电机自动电压调节装置（以下简称AVR）通过对调节、限制、切换等方法对励磁系统进行限制和保护，包括低励磁限制和保护、过励磁限制和保护、V / Hz 限制等。

动作的先后按照：先进行限制，使AVR恢复到正常的工作状态下；在限制器动作后AVR无法恢复至正常状态时，再由AVR 的保护带一定延时动作，把AVR由工作通道切换至备用通道或者自动切换至手动；最后仍不能恢复至正常工况工作时，则由发电机变压器组的保护作用于解列停机。

正确合理的整定发变组与励磁调节器的配合关系，充分利用励磁系统的限制作用，可以提高机组的稳定运行，降低机组非正常停机的几率。

本文将从发电机失磁保护与AVR低励保护、限制的配合、发变组过激磁保护与励磁调节器V/Hz限制之间、发电机转子绕组过负荷保护与AVR励磁过励限制的配合、过电压保护与励磁调节器电压限制匹配四个方面来分析发变组保护定值整定与励磁调节器限制及保护之间的配合关系。

1、发电机失磁保护与AVR低励限制的匹配关系
发电机在运行过程中，由于某些原因，如：系统电压的升高、运行人员的误操作、励磁装置故障等，导致发电机在低励磁状态下运行。

为此在发电机的保护中设置有失磁保护，在励磁调节器中设置了低励限制功能，两者之间存在一定的配合关系：当发电机励磁降低后，低励限制应能先于励磁自动切换和失磁保护的动作。

只有两者定值配合正确，才能防止失磁保护误动。

然而，实际运行情况表明，由于整定时未考虑两者的配合或配合不合理而导致失磁保护误动时有发生，特别是机组带较轻负荷进相运行时，如果低励限制整定得过于保守，既限制了发电机进相能力的发挥，也可能使失磁保护误动。

1.1 坐标转换
阻抗型失磁保护是基于发电机机端的R-X 测量阻抗圆平面上计算的，而励磁调节器的欠励限制P-Q 整定曲线是基于静态稳定极限圆并结合系统的无功储备整定的，二者分别属于不同的坐标系，为了能够较直观地校核它们之间的配合关系，必须将这两者的坐标系统一，为此，将欠励限制P-Q 整定曲线转化为低励限制阻抗圆。

1）对于汽轮发电机，静稳极限圆在P-Q平面上的表达式为：
（1）
公式中：P，Q-分别为发电机的有功功率和无功功率；
Ｕ-发电机的机端电压；
XS为发电机与系统的联系电抗；
Xd为发电机同步电抗。

圆心坐标为,半径为，圆内为发电机稳定运行区域，一旦发电机运行在圆外，便不能稳定运行，因此低励限制单元应限制励磁电流继续减少。

２）将失磁保护动作方程映射至P-Q平面。

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：
(2)
其中，；，映射到P-Q平面上，静稳圆方程式为：
（3）
静稳圆于Q轴交与、两点，圆外为其动作区。

映射到P-Q平面上，静稳圆方程式为：
（4）
其中，；，是发电机暂态电抗不饱和值；异步圆与Q轴交于、两点，圆内为动作区。

1.2 失磁保护与低励限制匹配原则
失磁保护依据机端测量阻抗而动作，发电机失磁后，机端测量阻抗轨迹将从等有功阻抗圆越过静稳边界阻抗圆，最后进入到异步阻抗圆，动作方式为减出力、切换厂用电、解列。

低励限制的作用是当励磁电流下降到限制值时，限制励磁电流下降或增加励磁电流，使机组在运行时不超越静稳极限。

从失磁保护、低励限制的原理和动作行为可得到两者相互配合原则：发电机从失磁到失步，机端测量阻抗和功率都应该先进入低励限制区域，再进入低励保护区，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。

1.3 失磁保护与低励限制的配合整定
（１）曲线1是根据发电机的进相试验数据得出。

（２）曲线2是根据发电机低励限制数据得出。

（３）曲线3是将低励限制曲线向下平移一定值，约为发电机额定无功的10%左右，称之为低励保护曲线。

（４）计算以发电机基本阻抗为基准的发电机和系统阻抗标幺值，在P-Q平面上计算以发电机视在功率为基准的发电机静稳圆坐标和半径的标幺值，即为曲线5。

（５）考虑10%-20%的静态稳定储备系数、5%-10%的参数误差及一定的可靠系数，即静稳圆坐标和半径的标幺值除以1.2--1.5后得到有裕度的静稳边界圆，即为发电机失磁保护静稳边界圆曲线４。

图1 P-Q平面特性曲线图
各个曲线绘制在图1中，可以看出：当发电机励磁降低后，低励限制优先于低励保护和失磁保护动作，满足梯级配合关系要求。

2、发变组过激磁保护与励磁调节器V /Hz限制之间的配合关系
2.1 发变组过激磁保护的介绍
发电机、变压器会由于电压升高或者频率降低而出现过激磁，发变组过励磁保护主要是防止发电机和主变压器因过激磁引起绕组、铁芯等过热，严重时造成局部变形和绝缘损坏。

发电机变压器组的过激磁一般发生在未与系统并列时，如: 发变组未并入系统前，由于操作失误，误加励磁电流；发电机在启动过程中，转子低速时误起励; 在切除机组过程中，主汽门关闭，出口断路器断开，此时若灭磁开关发生拒动，则原动机减速，而AVR力求维持机端电压在额定值；自动励磁调节装置失灵或退出自动，则电压迅速升高，同时频率也升高，但幅度相对缓慢，引起过激磁。

过激磁保护反应过激磁倍数而动作，定义过激磁倍数N如下：
式中：、Be分别为磁通量、额定磁通量；U、f分别为电压、频率；Ue、fe分别为基准电压、额定频率；、分别为电压标么值、频率标么值。

2.2 励磁调节器的V /Hz 限制定值和曲线的整定原则
励磁调节器的V/Hz 限制与发电机和主变的过激磁保护匹配，应能保证在发电机和主变的过激磁保护动作前加以限制; 一般动作后减少电压给定值来限制伏赫比值。

因此，在整定励磁调节器V/Hz限制单元定值时必须考虑与发电机和变压器的过激磁保护定值的配合关系．其
V/Hz 限制定值要低于发电机、变压器过激磁保护定值。

一般发电机过激励能力低于变压器。

若是反时限特性，曲线之间要配合，无论何时，要保证励磁调节器V/Hz 限制先动作，若限制失效，再启发变组动保护动作。

2.3 发电机转子绕组过负荷保护与励磁调节器过励磁限制的匹配关系
正常的匹配关系应该是在的励磁电流值相同的情况下励磁调节器的过励限制器动作时限小于发变组转子过负荷反时限的动作时限，且必须保证两者均在电机厂给定的发电机转子过负荷能力范围内。

当转子绕组发生过励时，应首先由励磁调节器动作于限制励磁电流的增长，当励磁调节器无法限制励磁电流的增长时再由发变组转子过负荷反时限保护动作于关主汽门。

同时上述动作时限还应满足国标对励磁系统强励电流值及强励时间的要求。

3、过电压保护与励磁调节器电压限制的配合关系
《DL/T 684-2012 大型发电机变压器组继电保护整定导则》中规定"对于200 MW 及以上汽轮发电机其定值取1.3倍额定电压，时间取0.5 s。

动作于发电机解列灭磁"，因此，发变组过电压保护定值一般设定为1.3 Ue，延时0.5 s。

励磁系统电压限制单元定值一般整定为1.1 Ue，过电压保护单元定值整定为1.3 Ue，延时可取0 s。

当空载过程中励磁调节器故障或失控，导致发电机电压上升，首先调节的限制单元动作，将机端电压限制在110% Ue范围内；若限制失败，当机端电压升至130% Ue时，调节器过压保护单元动作，逆变灭磁，联跳发变组；若失败，则经0.5 s 延时，发电机过电压保护动作。

为防止调节器过电压保护单元在并网后误动，建议发电机并网后自动退出调节器过电压保护单元，由发变组过电压保护作为发电机并网后的过电压保护。

4、结语
励磁调节器的各个限制单元的定值整定要结合发变组一次系统运行方式和发变组继电保护相关保护定值统筹考虑，做到定值之间的优化配合，使继电保护和励磁调节装置之间能够很好地协调配合，从而保证机组的安全稳定运行，降低非停事故。

参考文献：
[1] 陆继明．同步微机发电机微机励磁控制［M］．中国电力出版社，2005．
[2] DL/T 684-2012 大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S]．北京：中国电力出版社1999．
[3] 高春如．大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M]．北京：中国电力出版社，2007．。