发电机空载过电压保护

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1、发电机空载过电压保护的研究陈小明、封孝松、燕锋、韩蜜蜜（溪洛渡水力发电厂、中国云南永善、657300）摘要：自并励磁系统误强励使得发电机定子电压和转子电流形成正反馈关系，当发电机过电压保护按照1.3倍Ugn、0.3s～0.5s动作后，发电机定子电压和转子电流已经上升到更高值，此时跳闸灭磁时常出现灭磁失败甚至烧毁磁场断路器，为此建议在大型发电机变压器继电保护中增设发电机空载过电压保护，可以有效防止励磁系统在起励和停机过程中因误强励而发生设备损坏。关键字：自并励、误强励、放电灭磁、空载过电压、继电保护一、概述随着自并励磁系统的广泛应用

2、，一种被称为“励磁空载误强励”的故障类型越来越受到关注:励磁系统在发电机空载运行时失控，晶闸管控制角变为最小，励磁整流柜输出最大电压，发电机转子电压误强励，转子电流和发电机定子电压持续上升，最终引起发电机定子过电压或者过励磁保护动作。自并励系统空载误强励失控，发电机定子电压和转子电流成正反馈状态，电压上升引起电流上升，电流上升又使得电压上升。当发电机电压上升到空载特性饱和区域时，转子电流和转子磁能大幅增加，此时发电机过电压或过励磁保护动作跳闸，灭磁设备将面临着分断最大转子电流和吸收最大转子磁能的最危险工况。尽管灭磁设计考虑了这种最

3、危险工况，但是大型发电机组的灭磁参数太大，设备的安全冗余度往往不高，稍有差错便会灭磁失败，造成磁场断路器和灭磁电阻烧毁的严重事故。为了防止励磁空载误强励及其灭磁失败后果，大型发电机励磁系统采取一些容错技术（1），封脉冲的交流灭磁技术得到应用（2），工程应用中加大灭磁电阻容量，提高磁场断路器弧压，大型水电机组励磁系统甚至采用交流和直流双磁场断路器冗余灭磁方案（3）等。尽管这些技术措施减少了励磁空载误强励的发生，但是无法彻底杜绝。于是，各种减少励磁空载误强励灭磁失败的技术措施开始提出，比如，利用“截流”后的误强励转子电流提前启动继电保

4、护（4）、增设专用过励磁保护（V/Hz或过电压）（5）、降低发电机过电压保护启动值和延时时间以及增设专用于防止空载误强励的过电压保护（6）等。这些措施可以归纳为一点，就是增设发电机空载过电压保护。二、自并励空载过电压特点与保护现状自并励磁系统，是指晶闸管整流器的交流输入电源来自发电机本身。同步发电机定子电压Ug经励磁变压器降压为U2，在AVR输出的α控制下，晶闸管整流器将U2变为可调直流电源Uz，经磁场断路器接入发电机转子回路，形成转子电流If，其原理接线如图1所示。图1自并励磁系统原理图自并励正常运行时，不断改变的晶闸管控制角调

5、节If进而控制Ug，使整个控制系统呈现负反馈的稳定状态。自并励失控故障时，包括测控回路故障、PID计算出错、同步电压及触发脉冲紊乱等，固定的α不能控制If，此时If随Ug的改变而改变，使整个控制系统呈现正反馈的失稳状态。如果Ug增大，If也增大，Ug更加增大，造成励磁误强励，引起发电机过压保护动作解列，跳闸灭磁，停机。自并励磁系统误强励形成正反馈，很快就会进入发电机空载电压特性曲线饱和区域，发电机空载电压Ug0上升慢，但空载转子电流If0上升快。某700MW大型水轮发电机空载电压特性曲线如图2所示，其特性曲线主要数据如表1所示。图

6、2大型发电机空载电压特性表1If0（pu）1.02.03.04.04.4If0（A）17893578536771567872Ug0（pu）0.951.21.31.361.39对于大型水轮机自并励空载误强励过电压来说，尽管发电机过电压保护整定值为1.3倍，0.3秒。但是当发电机电压上升到1.3倍时，励磁电流已经接近2倍额定励磁电流。继电保护延时0.3秒再加上磁场断路器动作时间0.1秒左右，此时发电机电压已经增到了1.4倍，励磁电流则超过额定值的2.5倍，相当于空载转子电流的5倍。某600MW汽轮发电机组自并励空载误强励灭磁仿真数据（

7、6）如表2所示，尽管发电机过电压保护1.3倍0.5秒动作，但是发电机实际电压达到了1.45倍，转子电流到达了6706A、转子磁能2.33MJ、灭磁时间（Ugto0.2Ugn）5.13秒，接近灭磁设备的极限能力。表2UgsetDelayTIfmaxUgmaxEnergyDe-EpuSAPuMJS1.30.567061.452.335.131.30.355821.391.874.811.20.554141.391.814.761.20.342361.331.374.39可见自并励空载误强励转子电流增加过快，灭磁装置的负担大，时常发生灭

8、磁失败并烧毁灭磁开关的严重设备事故。在现行继电保护规程（7）和应用中，大型发电机过电压保护整定按照自并励水轮发电机一般为1.3倍额定电压延时0.3s，汽轮发电机一般为1.3倍额定电压延时0.5s。如果不考虑励磁空载误强励过电压因素，现有整定值是合理