发电机静止励磁系统故障快速保护_娄玲娇

发电机静止励磁系统故障快速保护 娄玲娇 尹项根 张 哲 王育学 鲁功强 强电磁工程与新技术国家重点实验室 华中科技大学 湖北省武汉市 电力安全与高效湖北省重点实验室 华中科技大学 湖北省武汉市 摘要 励磁系统是同步发电机的重要组成部分 其安全对发电机的正常运行至关重要 结合对某 大型电厂机组励磁系统事故案例的分析 指出目前励磁变压器保护配置缺乏可依据的规程 导致出 现配置方案无法对发电机静止励磁系统整流主回路故障进行快速保护的问题 为此 提出一种可 供选择的发电机静止励磁系统的快速保护方案 并在仿真分析的基础上给出了该保护的整定方法 和安装位置 该保护方案能够快速对励磁系统故障做出反应 避免造成励磁系统的损坏 且实施简 单 易于推广应用 关键词 发电机 静止励磁系统 励磁变压器过流 快速保护 整流回路 收稿日期 修回日期 国家自然科学基金资助项目 引言 发电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部 分 其主要任务是根据发电机运行状态 向发电机的 励磁绕组提供一个可调节的直流励磁电流 以满足 发电机各种运行方式的需要 静止自并励励磁方式 具有接线简单 主机轴系短 造价低 运行维护方便 反应速度快等特点 在大型发电机组中被广泛采用 励磁系统一旦发生故障 如果不能及时切除 不仅会 导致励磁系统烧毁 而且会对电网产生恶劣影响 从设备组成来看 静止励磁系统包括励磁变压 器 励磁装置和发电机励磁绕组三部分 而文献 表明 励磁系统的故障除了励磁变压器的短路故 障以及励磁绕组的接地及过负荷故障之外 励磁装 置也有多种类型的故障形式 既包括因过电压或电 压 流 上升率过大而引起的整流器件损坏 也包括 因器件失效 主回路断臂 滑环短路 触发脉冲丢失 而引起的整流主回路异常运行 长期以来 继电保护和安全自动装置技术规 程 中对励磁变压器的保护配置问题没有明确规定 技术人员只能根据自己对规程的理解和经验制定保 护方案 因此常常对方案的保护范围 能够保护的故 障类型缺乏详细的了解 分析发现 励磁系统的 保护主要集中在励 磁 变压 器和 励 磁 绕 组 两 个 环 节 保护范围并未延伸至整流主回路 对于可能 出现的整流主回路 故 障缺 乏快 速 有 效 的 保 护 措 施 缺乏快速保护措施的整流主回路发生故障 时 可能因故障切除不及时 造成事故的扩大 而大型机组滑环极易因长期工作受到污染 如果污 染清除不及时 滑环短路故障时有发生 近年来 国 内连续发生了几起因滑环短路导致整流回路中较大 电流持续较长时间而引发励磁功率柜烧毁的事故 事故损失严重 对机组和电网的运行安全造成威胁 因此 需引起重视并采取必要的措施 对此类故障进 行快速保护 本文在分析发电机静止励磁系统的组成及其保 护配置的基础上 结合国内某大型水电厂机组励磁 系统滑环短路事故案例 指出该厂配置的励磁变压 器过流保护无法对发电机整流主回路故障进行快速 保护 主要原因在于整流主回路故障时大电流持续 长时间造成滑环室损坏 虽然相关文献中提到在提 高励磁变压器过流保护电流定值的前提下可缩短延 时 以加快整流主回路故障时的动作速度 但是 该方案会在一定程度上降低过流保护的灵敏度 可 能造成对某些小电流故障无法做出反应 在此基础 上 本文提出一种发电机静止励磁系统的快速保护 方案 并通过仿真分析研究了该保护方案的整定方 法及安装位置 该方案基于过流保护原理 简单易 行 保证了过流保护的灵敏度 在现有硬件条件下易 于实现 有助于完善励磁系统的保护配置 静止励磁系统的组成及其保护配置 发电机静止励磁系统主要由励磁变压器 可控 硅整流桥 自动励磁调节器 励磁绕组及各设备间连 接装置等组成 系统接线如图 所示 图中 第 卷 第 期 年 月 日 为可控硅整流装置 为励磁变压器 为励磁 绕组 为滑环 和 分别为电流和电压互感 器 图 发电机静止励磁系统接线图 目前 发电机励磁系统的保护主要有励磁变压 器差动保护 励磁变压器过流保护 励磁绕组过负荷 保护和转子接地保护等 励磁变压器差动保护是励磁变压器的主保护 只能对励磁变压器本身及其引线的相间故障做出反 应 而无法对整流主回路的故障做出反应 励磁变压器过流保护作为励磁变压器的后备保 护 一般装设在励磁变压器高压侧 配备两段过流 段 段为速断段 为保证选择性 其定值按保护范 围不伸出变压器低压侧的原则整定 段为带延时 段 为保证灵敏度 其定值只需躲过发电机最大强励 电流 因此同时也可兼顾整流主回路的故障 但其延 时必须躲过强励运行时的暂态过程 一般取 励磁绕组过负荷保护对励磁绕组的平均发热状 况做出反应 一般采用反时限动作判据 根据发电机 转子承受过负荷的能力曲线进行整定 由于一般装 设在励磁变压器高压侧或低压侧 因此可对整流主 回路的故障做出反应 但延时一般较长 转子接地保护对发电机转子对大轴绝缘电阻的 下降做出反应 通过测量转子的对地电阻值判断转 子的接地情况 对整流主回路短路故障无法起到保 护作用 根据以上分析 在目前发电机保护配置下 励磁 主回路一旦发生故障只能由励磁变压器过流保护 段或励磁绕组过负荷保护切除 而这两个保护动作 时间均比较长 可能造成励磁设备烧毁 从而扩大事 故后果 发电机励磁系统事故案例分析 年 国内某大型水电厂一台机组励磁系统 发生滑环短路 因故障切除不及时造成可控硅被烧 坏 滑环室元件损坏 事故机组的励磁变压器高压 侧电流录波图如附录 图 所示 事故机组基本参数 该机 组 基 本 参 数 如 下 发 电 机 额 定 电 压 为 额定容量为 励磁变压器高压 侧变 比 为 励 磁 变 压 器 低 压 侧 变 比 为 额定电流一次值为 励磁变压器 额定容量为 变比为 短路阻抗 转子绕组电阻为 电感 为 额定励磁电流为 额定励磁电压 为 以发电机额定容量 及额定电压 为基准 励磁变压器电抗标幺值折算为 式中 和 分别为发电机和励磁变压器额定容 量 励磁变压器高压侧额定电流二次值为 槡 式中 分别为励磁变压器高压侧额 定电压 额定电流和电流互感器的变比 额定励磁电流变换至交流侧的有效值为 式中 为发电机额定励磁电流 为额定励磁 电流变换至交流侧的有效值 事故机组励磁系统保护配置及定值 事故机组励磁系统配置励磁变压器差动保护 励磁变压器过流保护 转子一点接地保护和励磁绕 组过负荷保护 其中励磁变压器过流保护配置两 段 整定方案如下 励磁变压器过流 段 为速断保护 按躲过励磁变压器低压侧三相短 路电流 整 定 考 虑 倍 可 靠 系 数 动 作 电 流 为 延时为 励磁变压器过流 段 按躲过强励整定 强励顶值电流为 动作电流 为 校验励磁变压器低压侧两相出口短路时的灵敏 度 为 槡 式中 为发电机机端额定电流 灵敏度满足要求 延时整定为 该机组 励磁变压器过流保护的过流 段整定值为 过流 段延时整定值为 过流 段整定 值为 过流 段延时整定值为 事故原因分析 从附录 图 可以看出 滑环短路后 励磁变 压器高压侧电流二次值达到 故障 后励 磁变压器过流保护动作 根据该厂的保护配置和整 定情况 过流保护的过流 段整定值为 过流 段整定值为 所以故障只能由过流 段切 除 但由于 延时较长 最终因大电流长时间持 续导致滑环室损坏 造成损失 从上面的定值分析 可知 过 流 段 动 作 定 值 为 过流 段动作定 值为 两段动作定值差别为 倍 因此 高压侧电流在 范围内的故障都由励磁变压器过流 段延时切除 极易导致故障发展为严重故障 发电机励磁系统快速保护方案 上述事故分析表明 现有的静止励磁系统保护 配置方案存在缺陷 励磁装置整流主回路缺少快速 的保护措施 而当前大型机组滑环极易因长期工作 受到污染 如果污染清除不及时 滑环短路故障时有 发生 因此发电机励磁系统保护需加以改进和完善 如果将励磁变压器过流 段的延时定值减小 励磁装置的损失可能会有所降低或避免 但由于励 磁变压器过流 段为保证灵敏度按照躲过强励电流 整定 整定值较小 必须加较长延时以防止暂态过程 等引起的误动 目前整定的 延时减小的空间 不大 为解决上述问题 可在原有两段励磁变压器 过流保护的基础上增设一段过流保护 采用合适的 电流定值及延时 实现励磁系统的快速保护 下文将对所增设的过流保护的整定值及安装位 置加以说明 安装位置 增设此段保护主要是为了快速对励磁主回路故 障做出反应 为了避免励磁变压器本身因素的影响 提高保护的可靠性 建议将新增过流段安装于励磁 变压器低压侧 由于励磁变压器高 低压侧均可方便装设 所以具备从低压侧 引出电流至保护装置的条 件 该方案具有可行性 电流定值 新增过流段应能够对励磁主回路故障做出反 应 为确定该段电流定值 需分析滑环短路时交流侧 故障电流大小 由于涉及交直流变换 理论计算困 难 故在 仿真软件中搭建发电机励磁系统 模型 参数依据上述事故机组 在仿真模型中 可通过调节相控角 改变励磁 系统的运行状态 当 时 发电机励磁系统 运行于额定状态 此时 励磁电流 励 磁电压 励磁变压器低压侧电流 设定 时 后励磁系统处于稳定 运行状态 励磁系统发生滑环短路 短路时励磁电 流 励磁电压直流分量以及励磁变压器低压侧电流 波形如图 所示 图 滑环短路时励磁电流 励磁电压以及 励磁变压器低压侧电流波形 由图 可知 三相整流系统直流侧发生短路故 障时 励磁电压及励磁电流均降低 励磁变压器低压 侧电流增大 通过调节相控角分析系统不同工况下励磁变压 器低压侧电流的变化情况 当相控角取不同值时 发 研制与开发 娄玲娇 等 发电机静止励磁系统故障快速保护 生滑环短路的励磁变压器低压侧电流大小如表 所 示 其中励磁变压器低压侧电流以 为基准标幺 化 表中 对应滑环短路前发电机处于 倍强励状态 对应滑环短路前发电机处 于额定运行状态 对应滑环短路前发电机励 磁电流为额定空载电流 表 不同相控角时滑环短路励磁变压器低压侧电流 相控角 励磁变压器低压侧 电流有效值 励磁变压器低压侧 电流标幺值 由以上仿真结果可知 滑环短路前相控角越大 即励磁电流越小 短路后励磁变压器低压侧电流 越小 额定运行状态下短路电流为 倍额定励磁 电流 由于仿真中对实际系统做了简化近似 所以 得出的短路电流值不一定能反映真实值 但对短路 电流与相控角的相对关系可以较为真实地反映 根 据附录 图 滑环短路后励磁变压器高压侧电 流为 二次值 即 由于事故电厂 滑环短路前发电机处于额定运行状态 即相控角为 则根据表 中关系推导出 空载励磁电流下 滑环短路时励磁变压器低压侧电流标幺值为 这也是滑环短路时励磁变压器低压侧最小的短路电 流 根据仿真分析 滑环短路时最小短路电流为额 定励磁电流的 倍 为尽量对滑环短路故障做出 反应 同时避免定值太低使保护误动 建议新增过流 段定值取 倍额定励磁电流 此时灵敏度系数为 虽然灵敏度较为保守 但若为提高灵 敏度而降低定值 为防止误动 该段保护的延时就不 能取太短 考虑到增设该过流段主要为快速对严重 的整流主回路故障 主要为滑环短路 做出反应 建 议该段定值取 倍额定励磁电流 对于那些无法做 出灵敏反应的电流较小的故障 其危害较小 可由现 有的过流 段经较长延时切除 时间定值 增设此段保护的目的是防止保护动作太慢烧坏 励磁设备 因此延时应尽可能小 同时也需考虑因 电流定值较小引起的误动 且需与励磁系统各个器 件本身控制措施相配合 过流保护需与励磁系统快 速熔断器配合 延时一般整定为 考虑到 在工程实际中的暂态过程或其他干扰的影响 建议 新增过流段延时可整定为 如果为了更快 地对整流主回路故障做出反应 延时可根据现场工 程实际适当缩小 在条件允许下也可整定为 有文献提出了转子过负荷保护按躲过强励 倍 并延时 整定的方法 该方法通过 提高可靠系数将过流保护电流定值适当提高 以此 为前提缩短延时 可以加快过流保护的速度 但会在 一定程度上降低过流保护的灵敏度 可能造成对某 些小电流故障无法做出反应 本文所提出的方法是 在保留原有过流保护 段的前提下新增一段过 流保护 既能够保证较高的灵敏度 又能够提高过流 保护的快速性 完善励磁系统的保护配置 只是该方 法尚无现实运行经验 因此 这两种方法各有优 缺 点 由于励磁变压器过流保护目前没有统一的标准 因此二者均可应用 由用户根据实际情况和对保护 的具体要求进行选择 结语 励磁系统是同步发电机的重要组成部分 本文 在对目前发电机励磁系统保护配置分析的基础上 指出目前励磁变压器保护配置缺乏可依据的规程 导致现有的保护配置方案无法对发电机静止励磁系 统故障进行快速保护 并在仿真分析的基础上提出 一种可供选择的发电机静止励磁系统的快速保护方 案 得出主要结论如下 在目前发电机保护配置下 励磁主回路发生 滑环短路故障时由励磁变压器过流保护切除 可能 造成大电流长时间持续 导致励磁设备烧毁 从而扩 大事故范围 在现有两段励磁变压器过流保护的基础上增 设一段过流保护 采用合适的电流定值及延时 可实 现励磁系统故障的快速保护 为快速对励磁主回路故障做出反应 同时尽 量降低误动风险 新增过流保护段可配备在励磁变 压器低压侧 整定为 倍额定励磁电流 延时可整定 为 或更小 该方案可在现有硬件条件下实施 在保证灵 敏度的前提下无需增加额外成本 易于推广应用 附录 见本 刊