励磁系统误强励对发变组保护的影响分析

基于励磁系统误强励的发变组保护配置分析

【摘要】励磁系统误强励是对发电机组正常运行的危害大，现行的继电保护针对误强励的研究较少，本文旨在研究空载及负载情况下误强励对发变组保护、励磁系统安全灭磁的影响，通过分析对发变组保护的配置提出新思路。

【关键词】励磁；误强励；发变组保护；配置

0前言

误强励的现象励磁系统当电力系统发生事故电压严重降低时，强行以最快的速度，给发电机以最大的励磁，迫使系统电压迅速恢复，这种强迫施行励磁的功能，简称强励。

强励对于电力系统稳定、继电保护装置正确动作都具有重要作用；同时强励是进行励磁系统设计、调节器性能考核的主要参数。在实际工作中，一般比较注重强励倍数是否符合规程要求、调节器是否具备强励限制功能，而对误强励却没引起足够的重视，这就给设备的安全运行带来隐患。

1 误强励的产生及危害

机组强励有两种情况，一是机组端电压突然因故下降到某一范围，机组为恢复正常运行而强行励磁，这一强励过程属正常强励的情况，二是机组机端电压在正常调节范围内运行，机组强行励磁，致使机端电压过高，这一强励过程当属异常强励过程即误强励。

误强励有负载误强励和空载误强励两种，负载误强励主要表现为在系统无故障情况下，并列运行的机组突然出现无功功率大大增加致无功功率表打满，运行人员手动不能控制，同时伴随机组声音明显异常，有时还伴随机组过流、过压保护动作；空载误强励表现为当发电机开机合灭磁开关后未并入电网前机端电压急剧上升且手动不能控制，同时伴随机组声音异常和转子过电压保护损坏。

励磁系统误强励是发电机组运行中的一种严重事故，误强励发生的机率虽然很小，但误强励往往会导致发变组保护动作造成机组非计划停役，带来较大的经济损失。现行的继电保护整定没有专门针对误强励的保护，也没有考虑误强励情况下的发生发变组保护的动作情况分析在国内也缺乏分析，只能依靠发电机后备保护经长延时跳闸，或者相对较长时间的误强励使变压器铁心饱和后变压器差动跳闸，易使事故扩大。

励磁系统强励正确动作对于电力系统的稳定运行和继电保护装置的正确动作具有重要的作用。然而由于多方面的原因，发电机组误强励在电厂中时有发生。误强励一般有两种情况，一种是发电机空载误强励，发电机机端电压急剧升高；另一种是发电机负载误强励，使无功功率突增，发电机过流、过压，有可能造成发电机定子绝缘、主变、高厂变绝缘和励磁系统设备损坏，危害机组和电网安全运行。但是，误强励发生后，励磁系统的伏赫兹限制、转子电压、电流限制等限制功能处于失控状态，现有的继电保护整定也没有针对这种故障状态设置保护保护。

误强励不能及时切除，使故障长时间持续，对发电机转子绕组、励磁系统、厂用辅机有很大危害，尤其是自并励发电机，整流桥电源来自并联与机端的励磁变，由于发电机未并网，机端电压的上升得不到系统电压的牵制，在正反馈作用下，励磁电流和机端电压将同时快速上升，励磁电流甚至会大于额定电流的2倍甚至3倍，导致切除故障时励磁电流超过灭磁开关的关断电流，造成不可挽回的后果[2]。

5 励磁系统防误强励功能与发电机过电压保护的配合方法及要求

现代大型发电机绝大多数采用自并励静止励磁方式，励磁功率电源取自发电机端部，即

将发电机定子输出电源经励磁变压器和可控硅整流器变为可调直流电源再送入发电机转子的静止励磁系统。自并励励磁系统最危险事故就是空载误强励，空载状态下误强励，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。由此有专家提出能否采用降低发电机空载过电压保护定值的方法来解决励磁调节器空载误强励引发恶性事故，不得不说这是一个很有见地的做法，是否只有这一种出路呢？有没有更直接的方法呢？故障既然由励磁调节器误强励引起的，如果能解决励磁调节器误强励问题，也就解决误强励故障。

励磁调节器之所以发生误强励故障，无外乎由如下原因，如测控回路故障、PID 计算出错、同步电压及触发脉冲紊乱、逆变灭磁失败等等，发生误强励直接结果是，励磁调节器向可控硅整流器错误发出强励触发脉冲。事实上，对于可控硅整流器系统，励磁系统如果能够在误强励发生时，及时中断触发脉冲，则可控硅整流器将不会输出正能量，发电机就不会发生误强励故障，那么在何种情况下，才能判断误强励发生，中断触发脉冲呢？这是关于励磁系统防误强励功能体系的问题，励磁系统防误强励不是一个单一功能，而是一个全面的防误体系，多种功能相互作用，才能起到真正防止误强励故障发生，不管何种原因导致误强励，误强励结果必然包括定子过电压、转子过电流、过磁通，防误强励功能体系针对定子电压、转子电流和磁通作措施，组成安全防误强励体系。

（1）发电机空载过电压保护功能，该功能仅在发电机空载状态起作用，一般整定值为120%额定定子电压，动作时间0.1 秒，当励磁调节器检测至发电机空载状态下定子电压大于整定值，并延时到后即中断输出脉冲，可控硅整流器输出交流电压，励磁系统进入自然续流灭磁，发电机转子电流、定子电压呈持续下降。虽然与逆变灭磁相比，自然续流灭磁时，电流和电压下降速度较慢，但是比逆变灭磁可靠。

（2）发电机空载最大励磁电流保护功能，该功能解决励磁调节器电压测量错误（电压测

量错误是误强励原因之一）时空载过电压保护拒动的问题。励磁调节器首先启动空载最大励磁电流限制，如果发生误强励，一般地限制功能也会失效，励磁电流越过空载最大励磁电流限制值，并延时整定时间后，空载最大励磁电流保护动作，同样中断励磁调节器输出触发脉冲，可控硅整流器输出交流电压，励磁系统进入自然续流灭磁，发电机转子电流、定子电压呈可靠稳定下降趋势。

（3）发电机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。

（4）发电机低频低周波保护功能，参照前述大型发电机V/F 运行范围可知，当发电机频率低于设定频率后，进入逆变区，启动逆变灭磁。当频率（周波）进一步降低后，当频率低于数字测频范围之后，励磁调节器输入触发角度与实际触发角度不一致，严重时可能发生反转（逆变角成为强励角），此时必须启动低周波功能，闭锁励磁调节器输出脉冲，预防出现误强励故障。

（5）灭磁开关联动闭锁脉冲功能，空载误强励之所以对灭磁开关形成剧烈冲击，是由于

灭磁开关必须分断正向直流强励电压，如果在灭磁开关跳闸前能够可靠启动联锁中断脉冲装置（硬件闭锁脉冲），可控硅整流器由于失去脉冲而输出交流电压，可以大大减轻灭磁开关