自并勵發電機后備保護改進方案

劉振武，魏建忠，高仕斌

（1.華電集團白音華金山發電有限公司，西烏珠穆沁旗026200；2.西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

在發電機的各種勵磁方式中，自并勵方式的電源取自發電機機端，采用大容量的可控硅整流元件向勵磁繞組提供勵磁電流，由于整流元件采用了微機控制技術，電壓響應速度快、滅磁或減勵磁快速，無旋轉部分，同時勵磁調節器具有系統穩定器，可進行自并勵勵磁和附加勵磁控制，很大程度上改善了電力系統暫態穩定性能，如文獻[1]中指出勵磁系統的時間常數越小越有利于系統維持穩定，加之其接線簡單，可靠性高，造價低等優點。國外，某些公司甚至把這種方式列為大型機組的定型勵磁方式，美國、加拿大新建電站幾乎一律采用自并勵勵磁系統。國內，近年來進口的大中型機組大都裝備的是自并勵勵磁系統，對于600 MW 以上汽輪發電機組，自并勵勵磁已基本成為定型方式，部分電廠也完成了常規勵磁向自并勵勵磁系統的改造[2-4]。

600 MW 發電機作為火力發電廠的三大主機之一，它的安全穩定運行對電力系統的穩定起到了決定性作用。原國家電力公司2000年9月28日頒布實施的《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》及2002年原國家電力公司以國電調[2002]138 號文印發的《“防止電力生產重大事故的二十五項重點要求”繼電保護實施細則》均對大型發電機組保護配置提出了要求，指出“確保大型發電機、變壓器的安全運行，重視大型發電機、變壓器保護的配置和整定計算……”。但自并勵發電機，當外部發生對稱或不對稱短路時，由于勵磁系統其特殊性，可能會導致勵磁電流和短路電流隨時間增長而衰減，過流保護不反應故障而拒動，必須增設發電機和相鄰設備的后備保護，此保護是電力設備繼電保護的最后一道防線，其地位十分重要，討論此后備保護具有積極意義。

1 自并勵勵磁系統工作特性

自并勵勵磁系統具有高起始響應特性，使用的發電機對系統負荷波動和故障響應加快。文獻[5]以上海石洞口二廠600 MW 機組為例，詳細分析了自并勵勵磁系統在系統短路故障后的動態行為。圖1 所示為其工作外部特性曲線，正常運行時處于bc 段，負荷變化時，微機勵磁控制器可以自動調節勵磁電流而使機端電壓保持在Ufe附近，當發生線路遠端短路或同期并列使得機端電壓下降較多時，進行強勵，工作在ab 段，強勵電流約為額定勵磁電流的2.0～2.5 倍。而發生線路近端短路或機端短路時，電壓下降過低，勵磁工作區進入oa 段，該段特點是Uf越小，勵磁電流IL越小，IL進一步降低導致Uf進一步降低，最終使勵磁電流和短路電流一直衰減以至于為零，此時，如果保護配置不當就可能導致保護拒動。

圖1 自并勵勵磁系統工作外部特性Fig.1 External features of self-shunt excitation system

2 自并勵發電機外部短路故障分析

2.1 短路電流計算

為使保護配置合理有效，首先需分析系統不同位置、不同故障類型下的短路電流分布及大小隨時間變化趨勢。文獻[6，7]分別介紹了基于空間矢量法數學模型的發電機三相短路暫態過程的計算方法和基于電源支路電流法的短路電流計算方法。

本文以600 MW 汽輪發電機組為例，現選取發電機機端A 點、高廠變高壓側母線B 點、出線25 km 處C 點為分析對象，已知參數為：額定電壓Un為20 kV，額定容量Sn為667 MVA，功率因數cos ψ=0.9，Xd=2.27，瞬變電抗Xd′=0.267 1，超瞬態電抗Xd″=0.238，負序電抗Xf2=0.201 1，空載勵磁電壓（整流后）Ufd0為153 V，額定勵磁電壓（整流后）Ufdn為428 V，強勵時勵磁電壓為1 156 V，瞬態時間常數T′d0為8.724 s，超瞬態時間常數T″d0為0.045 s，勵磁變壓器額定電壓20/0.89 kV，主變高低壓側額定變比500/20 kV，主廠變電抗Xt為0.13，單回路出線25 km 處的線路電抗Xl=0.023 5，以上各電抗值均以667 MVA 為基準容量下的標幺值。

依據文獻[8]所推導的方法進行計算，求解三相短路和兩相短路時的故障電流方程。其步驟如下。

（1）由于空載電控角和強勵電控角均未直接給出，故需根據三相全控整流直流電壓平均值方程反求空載電控角和強勵電控角。

設勵磁變壓器低壓側線電壓為Up-p，則可列三相全控整流直流電壓平均值方程為

式中，α 為三相全控整流控制角。

由式（1）可反求空載勵磁電控角α0和強勵勵磁電控角αk分別為

式中：Ufd0為空載時三相全控整流直流電壓平均值；Up-p為勵磁變壓器低壓側線電壓；Ufdk為強勵磁時三相全控整流直流電壓平均值；Up-p，k為強勵磁時勵磁變壓器低壓側線電壓。

（2）設短路點處的計算外接電抗為Xs，則臨界外接電抗為Xs，cr。

臨界外接電抗值為

式中，Cα=cos αk/cos α0

當短路故障發生在發電機機端時外接電抗等于零，即Xs=0。

（3）根據已求得的Xs、Xd、Xd′、Xd″，求短路電流超瞬態分量和瞬態分量：

1）三相短路故障時的超瞬態電流分量為

兩相短路故障時的超瞬態電流分量為

式中：x2Σ= 1/（xf2+ xs2），xf2為發電機負序電抗、xs2為外接負序電抗。

2）三相短路故障時瞬態電流分量為

兩相短路故障下瞬態電流分量為

（4）根據已知的T″d.0、T′d0、X″d、X′d、Xs，可求定子縱軸超瞬態時間常數T″d及自并勵系統勵磁回路的等效時間常數Td，k。

1）則定子縱軸在三相短路故障下的超瞬態時間常數為

于是我們得到：拋物線y=ax2+bx+c上有一點C(m，n)，直線l與拋物線交于A，B兩點，當∠ACB=90°時，直線l經過一定點

超瞬態時間常數在兩相短路故障下可計為

2）勵磁回路在三相短路故障下的等效時間常數為

勵磁回路在兩相短路故障下的等效時間常數為

則由以上推導可列出發生經外接電抗短路時的短路電流方程為

三相短路時：

兩相短路時：

2.2 短路電流特性分析

對于15 MVA 容量以下的小機組，一般發電機的xd=2.0 左右，Cα一般取值為6～8，xs在A 點短路時取值為0，B 點時取值為變壓器短路阻抗，一般取值為0.10～0.15，所以對于小容量的并勵發電機在A點、B點及線路上的一定范圍內仍滿足即同樣會出現三相短路電流衰減至零的現象。

將本實例參數帶入計算可知，在A、B、C 三點處三相短路時外接電抗均小于臨界電抗，故短路電流將衰減。

代入實際參數后，列出自并勵發電機系統各處短路電流方程為

由式（15）～式（20）可解出故障發生后不同短路故障下不同位置的短路電流。

由式（15）～式（20）繪制不同位置不同類型短路電流變化曲線如圖2 和圖3 所示。

圖2 不同位置發生三相短路時短路電流曲線Fig.2 Three-phase short-circuit curves in different locations

圖3 不同位置發生兩相短路時短路電流曲線Fig.3 Two-phase short-circuit curves in different locations

3 后備保護方案

3.1 現有保護問題分析

文獻[9]指出，大型發電機宜采用電流、電壓保護作為后備保護。從近年現場的情況來看，發電機阻抗保護已基本不用，而過流保護因其結構簡單可靠，仍普遍配置，但不少在使用中拒動誤動的情況時有發生。如文獻[10]介紹了一次發電機記憶過流保護誤動跳母聯的案例，文獻[11]中提到2006年某電廠發電機后備保護拒動的案例。

傳統的低壓過流保護邏輯如圖4 所示。由文獻[12]可知，線路保護切除故障后，機端電壓恢復約為故障切除時間的二分之一，約為（1.0～1.5）s，低壓過流保護作為后備保護，需要與線路保護和發電機主保護配合，同時為躲過系統振蕩過程需要有一定延時，一般根據保護裝置廠家推薦，延時定值整定為（3～4）s。

圖4 傳統低壓過流保護方案Fig.4 Traditional low-voltage and over-current protection scheme

分析圖2、圖3 曲線及圖4 可知，在外接短路電抗小于臨界點抗的范圍內，三相短路電流均為衰減，3 s 時均已衰減至額定電流以下，傳統過流保護的過流元件會在延時時段內返回而導致保護拒動，故需重新配置。

再次分析圖2、圖3 曲線可知，在主變高壓母線和線路上發生兩相短路時短路電流均為上升，不會使過流保護返回，而兩相短路故障發生在發電機機端時故障電流衰減極慢，3 s 時短路電流為額定電流的1.7 倍，過流保護亦可正確反應故障。

當C 點發生三相短路時，傳變到機端電壓標幺值最高，Urmax= （xt+xl）/（xd″+xt+xl）=0.392，靈敏系數Ksen，U=0.6/0.392=1.53，仍滿足1.3 靈敏度要求。

一般地，為躲過系統振蕩過程并與相鄰保護配合，須設置（3～4）s 的延時，而這段延時內如果主保護未動作，故障電流已衰減至后備保護的返回值以下，此時應動作的后備保護會拒動。由上述分析可得，要保證三相短路時后備保護不因短路電流衰減而拒動，只需加設低壓記憶過流保護或低壓保持過流保護即可，而無需裝設復合電壓（負序電壓與低壓的組合）記憶過流保護。既節省投資又能簡化接線，提高保護的可靠性。

3.2 改進方案

方案1 采用帶出口解鎖的低壓記憶電流保護，保護邏輯如圖5 所示。工作原理為：當正常時電壓元件U 測得電壓大于整定值，輸出為1，低電平使能的傳輸門閉鎖，當短路故障時電壓元件U測得電壓小于整定值，輸出為0，使低電平使能的傳輸門工作，同時過流元件啟動，與門輸出1 傳至或門OR1 輸出為1，啟動延時繼電器T1 的同時經記憶回路傳回OR1，這樣即使在短路電流衰減使過流元件返回的情況下OR1 仍能輸出為1，使保護出口不拒動。

同時，加設延時繼電器T2，使保護出口后經t2延時后使OR2 輸出為1，確保裝置自鎖解除。

圖5 帶出口解鎖的低壓記憶過流保護方案Fig.5 Scheme of low-voltage and memorized over-current protection with unlocked trip

方案2 采用帶低壓保持回路的過流保護，保護邏輯如圖6 所示，當過流元件檢測到過流并啟動時，與門輸出為1，經或門輸出1 并啟動延時繼電器，當低壓元件啟動后，與低壓元件相連的與門輸出也為1，此后，即使短路電流衰減致使過流元件返回，或門仍能輸出1，延時t1 后出口，保護不會拒動。

圖6 低壓保持過流保護方案Fig.6 Over-current protection scheme with maintained low-voltage

方案3 除電流保護外也可以采用阻抗保護，文獻[13]的分析也表明阻抗保護可作為發電機三相引線及相鄰線路和母線的后備保護。但由計算或圖2 可知，由于3 s 時短路電流已衰減至額定電流的20%，所以在A 點裝設I 段低阻抗繼電器做后備保護時，為躲過系統振蕩過程并與相鄰元件的后備保護配合，一般均有較長延時，如延時t=3 s。這種情況下，為保證可靠動作，裝置的精工電流應小于額定電流的20%。

4 結論

（1）大型自并勵發電機在經外部電抗短路時，故障電流變化趨勢與外接電抗相關，存在臨界電抗；三相短路和兩相短路故障電流變化趨勢不同，會影響傳統的低壓過流保護的正確動作。

（2）為保證自并勵發電機后備保護可靠動作，只需裝設低壓記憶過流保護或低壓保持過流保護即可保證靈敏動作，無需裝設復壓（負序電壓和低壓組合）記憶過流保護；如采用阻抗保護，則精工電流需要小于額定電流的20%。

[1]賈宏杰，余貽鑫，韓嬴（Jia Hongjie，Yu Yixin，Han Ying）. 發電機和并聯補償對電壓小擾動穩定性的影響（Study on steady state voltage stability considering dynamics of generator and shunt compensators）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），1999，23（21）：12-16.

[2]李基成.現代同步發電機整流器勵磁系統[M].北京：水利電力出版社，1987.

[3]DL/T650-1998，大型汽輪發電機自并勵靜止勵磁系統技術條件[S].

[4]GB/T7409-1997，同步電機勵磁系統[S].

[5]陳陳，宋依群，劉蓓（Chen Chen，Song Yiqun，Liu Bei）.石洞口二廠600 MW 機組自并勵勵磁系統暫態行為分析（Dynamic performance of a static excitation system）[J].電網技術（Power System Technology），1996，20（11）：37-40.

[6]方富淇，張志堅（Fang Fuqi，Zhang Zhijian）. 同步發電機三相短路暫態過程的數值計算—空間矢量法（Numerical computation of three-phase short-circuit transient of synchronous generator using spacephasor method）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），1990，2（1）：32-40.

[7]余曉丹，周樹棠，余國平，等（Yu Xiaodan，Zhou Shutang，Yu Guoping，et al）.兩種實用短路計算方法分析（Discussion on two practical methods for fault current calculation）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（4）：108-112.

[8]王維儉，侯炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎[M].2 版.北京：水利電力出版社，1989.

[9]王維儉，桂林（Wang Weijian，Gui Lin）.大型發電機變壓器保護技術的現狀剖析和發展動向（The current status and development trend of protection technique for largesized generator and transformer）[J]. 電力設備（Electrical Equipment），2003，4（5）：15-19.

[10]熊華強，李升健，王治（Xiong Huaqiang，Li Shengjian，Wang Zhi）.由一次復壓記憶過流保護誤動引發的思考（Reflection of malfunction in repressing overcurrent protection）[J]. 江西電力（Jiangxi Electric Power），2009，33（5）：5-6，12.

[11]何石魚（He Shiyu）.發電廠繼電保護若干工程問題研究（Research on Several Problem of Construction of Relay of Power Plants）[D].北京：華北電力大學電氣與電子工程學院（Beijing：School of Electrical and Electronic Engineering of North China Electric Power University），2007.

[12]黃家聲（Huang Jiasheng）.電網事故導致自并勵發電機失磁保護動作分析（Analysis on grid accident led to the self-shunt generator excitation loss protection action）[J].水電廠自動化（Hydropower Plant Automation），1998，10（4）：30-36.

[13]王維儉，桂林，唐起超（Wang Weijian，Gui Lin，Tang Qichao）. 主設備后備阻抗保護反應繞組短路的靈敏度分析（Backup impedance protection sensitivity analysis for internal winding faults of main equipment）[J].電力自動化設備（Electric Power Automation Equipment），2003，23（9）：1-4.