自并勵發電機機端電壓對勵磁系統影響研究

莫愷

（神華國能集團有限公司重慶發電廠，重慶 400053）

較之傳統的勵磁同步發電機，自并勵發電機在勵磁方式上有著一定的不同，而且當機端電壓發生變化時往往會對勵磁系統造成一系列的影響，進而影響設備安全。這就要求我們正確分析機端電壓對勵磁系統的影響，然后采取措施進行解決，盡可能地降低不良影響。

1 勵磁系統概述

勵磁系統是同步發電機的重要構成，其作用在于為同步電機中的勵磁繞組提供直流電源，可因不同的勵磁方式分為多種類型。目前發電機勵磁方式主要包括：一是自勵方式，即勵磁來源于發電機自身的交流整流，具體可分為無需勵磁機、簡單經濟的自勵靜止半導體勵磁和諧波供電勵磁，但兩者應用不多。二是他勵方式，同步發電機自身不提供勵磁，而是由其他電源供給，且因電源不同可分為多種類型，如適用于小容量發電機的同軸直流勵磁系統，運行可靠，便于調節，但需重點維護電刷、換向器；適用于1000r/min 轉速以下的大容量機組的不同軸直流勵磁系統，但結構相對復雜，應用較少；適用于大容量發電機的靜止整流勵磁系統，該系統融了交流發電機和整流裝置，有可控和不可控之分；基于同軸交流勵磁機和硅整流裝置的旋轉無刷勵磁系統，無須電刷、滑環、轉向器，而且運行可靠、維護方便等，缺點是整流裝置離心力大，無法直接滅磁。此外，還有穩定價高的轉子繞組雙軸勵磁，簡單經濟、可靠性高的定子繞組勵磁以及混合勵磁方式，其中混合式勵磁中的自并勵勵磁系統，由于功率源于發電機機端電壓并將其用于靜止可控整流裝置，故也被成為電源勢靜止勵磁系統，采用的是三相全控整流電路（IGBT），還可進行逆變滅磁從而簡化勵磁系統，現大容量發電機大量采用此方式。

2 自并勵發電機機端電壓對勵磁系統的影響

（1）自并勵勵磁系統的主要任務。自并勵發電機勵磁系統在正常運行條件下，會為發電機提供勵磁電流，并根據其負荷狀態調整勵磁電流，以此維持電壓處于給定水平，并穩定、合理的分配所帶的無功功率。如果發電機因發變組外部短路故障導致機端電壓嚴重下降時，會通過強行勵磁迅速提升勵磁電壓至足夠的頂值，或者內部發生短路故障時也會進行快速滅磁迅速減值勵磁電流至零值，其中勵磁調節器最為關鍵，可根據機端電壓變化和工況變化對勵磁功率單元所輸出的勵磁電流進行自動的調節，以此滿足系統運行的實際要求。

（2）機端電壓對勵磁系統的影響。由上可知，勵磁系統會受到自并勵發電機機端電壓的制約。這是因為自并勵勵磁電源是由發電機機端供給的，無論何種原因，只要發電機定子電流大幅上升就會引起機端電壓下，進而引起勵磁系統輸入電壓降低，使勵磁系統輸出的電壓和電流下降，如此惡性循環引發機端鐵芯、定子、轉子繞組發熱，最終弱化勵磁系統的保護作用，甚至損壞設備。當自并勵發電機突然發生三相短路時，雖然與傳統的勵磁方式一樣在短路電流方面會出現相同的暫態分量及其初始值，這取決于發電機參數而非勵磁方式，但在衰減時間方面卻有所不同，自并勵發電機的短路電流會一直處于衰減狀態直至為零，期間不存在穩態值，換句話說，就是在同一時間內，自并勵發電機短路電流具有更快的衰減速度。發電機內部短路故障發生時，由于差動保護動作靈敏快速，所以電流快速衰減對其幾乎無影響，而作為發電機內部和外部短路故障后備保護的延時過流保護來說影響非常大，可能會導致動作失靈或拒動。因此，自并勵發電機機端電壓因短路致使電流和電壓分別突增和突降時容易導致過流保護拒動，即使外部故障切除后機端電壓恢復也需要一定的時間，此時，自并勵系統的強勵能力也會有所弱化。

當自并勵發電機因兩相短路形成不對稱機端電壓時，會加劇整流短路的計算難度，此時，處于機端和短路點之間的正序電壓會逐步降低，對應的負序電壓則是逐步升高，故距離較遠的不對稱短路電流基本上不會下降甚至會有所上升，若此時自并勵發電機負荷本就不高，也有可能引發過流保護不動作。此外，對于單相接地的小電流接地系統，一般不會影響自并勵勵磁系統。

3 自并勵發電機機端電壓對勵磁系統影響的規避措施

（1）傳統的處理方法。通過以上分析可知，自并勵發電機外部三相短路故障下導致機端電壓和整流電源電壓下降的最為嚴重，對勵磁系統的影響也是最不利的，對此有的選擇調整強勵倍數計算，即以80%的發電機額定電壓值計算整流電源電壓，此時自并勵發電機機端電壓為額定電壓值時便會提升25%的強勵能力，配以出口的封閉母線，用于基本消除三相電壓短路的風險。更多的是在設置過流保護延時動作跳機的基礎上增加后備保護，確切地說，是復合電壓過流保護，這樣一來，在自并勵發電機內外發生短路故障的情況下，若主保護出現拒動，便會自動執行復壓過流保護動作。因為該后備保護涉及了一個負序電壓繼電器以及與相間電壓連接的低壓繼電器，只要兩者一個動作，過電流繼電器也會同時動作，進而啟動復壓過流保護。

（2）規避措施的優化。

①雖然后備保護的增設有助于短路故障時發電機保護動作拒動問題的改善，但并不能根治。這是因為，如果短路點距離自并勵發電機機端比較近，機端電壓的下降會引起勵磁電流的減小，進而降低發電機電壓，并減少短路衰減，而故障電流在到達過流保護動作出口之前可能就比過流定值小，從而導致過流保護提早返回，顯然保護拒動依舊存在。顯然需要在過流元件中增設電流記憶功能，通過記憶故障電流來規避上述問題。值得一提的是，如果出現主變高壓側短路或接地等斷路器內側故障，雖然主保護會執行跳閘動作，但故障點未消除，依舊會通過發電機為其提供電流，因存在電流記憶功能，過流保護能夠正常動作。但是如果過流保護出口整定不合理，勢必會引發更大范圍的故障。

②在復壓記憶過電流保護設計過程中，應基于保護原理進行基本的定義，包括自并勵發電機電流 cbaIII 、、 ，發電機機端電壓 Uab、Ubc、Uca等TA/TV 定義，發電機復壓過流t1、t2 等出口信號定義，發電機復壓過流t1、t2 等出口跳閘定義，發電機復壓過流 21 tt、 等保護出口壓板定義，其中保護壓板插入與拔掉分別對應的是保護動作發生發信出口跳閘和不發信出口不跳閘。在定值整定環節需要對過流電流 1gI 、低電壓1U 、負序電壓 gU2以及延時 1211 tt 、 ，進行整定。隨后投入保護，經人機界面查看保護是否已投入，并根據復壓記憶過流保護監護界面對電壓、電流、整定值等信息及其計算值進行監視。

③為保證復壓記憶過電流保護正常進行，還需對其保護動作的整定值進行科學的測試。一是在測試過流電流定值時先不輸入電壓，低電壓判據滿足，分別輸入三相電流，并予以緩慢增加直到自并勵發電機復壓電流保護出口，發生動作注意及時準確的記錄A、B、C 相動過流作值 1gI 。二是在測試低電壓定值時，為其中的一相增加電流使其大于整定值，配以CA 相電壓為額定電壓，并緩慢降低直到自并勵發電機復壓過流保護出口發生動作，及時準確地記錄低電壓動作值Uca；三是在測試負序電壓定值時，為其中的一相增加電流使其大于整定值，配以三相不平衡電壓，直到自并勵發電機復壓過流保護出口發生動作，及時準確地記錄負序電壓動作值；最后，在測試動作時間定值時，需要在自并勵發電機機端突然增加高于定值電流1.5 倍的電流，并及時準確地記錄保護動作時間t1 和t2，同時記錄保護動作是發信號還是出口跳閘，核對是否正確。若在測試中發現問題應及時查明原因加以解決，如適當修改保護邏輯、調整定值等，在此基礎上繼續測試直至符合設計要求，進而使保護裝置能夠對故障初期短路電流進行記憶并忽略以后的電流，為設備高效運行提供良好的保障。

4 結語

總之，自并勵發電機機端電壓的變化對會影響勵磁系統，而且影響不容小覷，因此，我們不僅要設置復合電壓過流保護，還要完善其電流記憶功能，唯有如此，自并勵發電機勵磁系統才能更好的發揮作用，確保設備安全可靠的運行。