摘要：发电机在正常情况下，其转子电流一般都在安全的范围内运行。当发电机出现故障转子电流大幅增加时，如果不对转子电流进行限制或保护，转子有可能长时间超过其热容量而损坏。发电机转子过流时，发电机励磁过励限制环节应在转子过负荷保护之前动作。本文通过对发电机转子过负荷保护与励磁过励限制配合情况、转子电流采样值对配合关系的影响、转子电流采样值产生误差的原因进行分析，提出解决转子过负荷保护与励磁过励限制无法正确配合的方案。
关键词：转子过负荷；过励限制；保护配合
1 引言
近年来，随着我国社会用电负荷不断增加，大中型机组在电网中的占比不断增多。目前对于大型发电机励磁过励限制和过负荷保护的研究一般局限于各自过流动作值的整定，而限制与保护定值的配合往往被忽略[1]。励磁系统过励限制的作用是限制发电机转子电流在转子所容许的热容量范围内运行，当励磁过励限制无法限制发电机转子电流时，发电机转子过负荷保护将动作切除发电机组，因此发电机励磁过励限制与转子过负荷保护配合显得尤为重要。
2 励磁系统过励限制与转子过负荷保护配合情况分析
2.1 转子过负荷能力与相关限制及保护的配合原则
励磁系统过励限制环节的特性应与发电机转子过负荷能力相一致，并与发电机保护中转子过负荷保护定值相配合，励磁系统的过励限制环节应在转子过负荷保护之前动作[2]。励磁系统过励限制、发变组转子过负荷保护及发电机转子过流允许值三者应能正确配合。若不配合则可能出现以下问题：机组转子已过负荷而励磁限制环节或转子过负荷保护未动作，不能起到有效的限制及保护作用；机组转子在设计允许工况下，励磁过励限制或转子过负荷保护动作过早，发电机转子过负荷能力得不到体现；转子过负荷保护先于励磁过励限制动作，励磁过励限制环节未能发挥有效的限制作用。
2.2 转子过负荷能力与相关限制及保护的配合情况实例分析
以某电厂660MW汽轮发电机组为例，该机组为东方电机厂生产的QFSN-660-2-22型发电机组，发变组保护采用南瑞继保RCS985G保护装置，励磁为南瑞电控生产的NES5100励磁装置。
GB/T7064-2008规定了汽轮发电机转子过电流的反时限特性，发热常数为33.75，该标准给出的具体函数为：t1=33.75/（If2-1）。其中：If表示励磁电流实际值（标幺值）；t1表示励磁电流允许持续的时间，即发电机转子过负荷能力。
RCS985G发变组保护装置，转子过电流保护装置整定定值为：t2=32.75/（If12-1）。其中：If1表示保护装置转子电流采样标幺值，t2表示发变组保护动作时间。
NES5100励磁装置，过励限制的整定定值为：t3=30/（If22-1）。其中：If2表示NES5100励磁调节器转子电流采样标幺值，t3表示励磁过励限制动作时间。
假设发电机保护转子电流采样值、励磁调节器转子电流采样值与发电机实际转子电流相等，即If=If1=If2，则三者的配合关系如表1示。由表1可知t1<t2<t3，在理想情况下三者可以正确配合。
表1 转子过负荷能力与励磁限制、保护在理想情况下的配合情况
3 转子电流采样值对励磁系统过励限制与转子过负荷保护配合关系的影响
某电厂NES5100励磁系统及RCS985G保护装置均通过励磁变低压侧电流换算的方式进行转子电流采样，换算系数为三相全控桥交换算系数理论值0.816，发电机转子实际电流则通过分流器采样换算。某电厂1号机组在不同工况时记录的转子电流采样数据见表2。
表2某电厂1号机组在不同工况时记录的转子电流采样数据
由表2可知该机组实际运行中，由于转子电流换算系数的选择及装置的采样精度等问题，转子电流采样存在较大偏差，而此偏差将直接影响到转子过负荷能力与相关限制及保护的配合关系。按照分流器采样值为准计算表2各采样值的比例关系，实际运行中转子过负荷能力与相关限制、保护配合关系如表3。
表3实际运行中转子过负荷能力与相关限制、保护配关系
由表3可知t1>t2>t3，即由于转子电流采样存在误差，实际运行中转子过负荷能力与相关限制、保护的动作时限不满足要求。
3 转子电流采样值误差分析
三相桥式整流电路，在理论分析时忽略换相过程，不考虑变压器漏感影响，以a=30o为例，交直流侧电压和电流波形如图1所示。此时，电流为正负半周各120o的方波，其交流侧电流有效值与直流电流的关系为I=0.816Id，其中I为励磁变低压侧交流电流，Id为转子电流。
图1不考虑变压器漏感影响时，交直流侧电压和电流波形图
在图1整流电路中，未考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感影响，认为换相是瞬时完成的。但实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬时完成，而是会持续一段时间。下面以三相半波为例分析考虑变压器漏感时的换相过程，图2为考虑变压器漏感时的三相半波可控整流回路带电感负载的电路图及波形。假设负载中电感很大，负载电流为水平线。
图2考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形
该电路在交流电源一周期内有三次晶闸管换相过程，因各次换相情况一样，这里只分析VT1换相至VT2过程：因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变，于是VT1和VT2同时导通，在两相组成的回路中产生环流ik。由电压波形可清楚地看出，与不考虑变压器漏感时相比，每次换相Ud波形均少了一块阴影部分的电压，导致Ud平均值降低，这减少的电压△Ud，称为换相压降。
由以上分析可知，励磁变压器漏感使整流回路在换相过程中出现重叠角，整流输出励磁电压、输出励磁电流平均值降低，其中励磁电流降低的部分主要是换相过程中在两相组成的回路中产生的环流ik。因此在实际转子电流换算中，需要考虑变压器漏感的影响，不宜直接采用理想状态下的折算系数0.816进行折算。
4 转子电流采样值误差消除方案
方案1考虑将励磁装置及发电机保护装置改成采用分流器进行转子电流采样，避免采用励磁变低压侧电流进行换算产生的误差。这种方案要求励磁装置及发电机保护装置均配置0-75mV的采样通道，考虑到0-75mV模拟量抗干扰能力差，易造成保护装置或励磁限制误动作，故不采用该方案。
方案2结合发电机励磁系统空载试验机会，用试验仪器实测发电机转子电流，调整励磁装置中转子电流采样系数及发电机保护转子电流采样系数，解决转子电流采样换算误差对励磁过限制与转子过负荷保护配合关系的影响。
目前某电厂采用方案2，结合发电机励磁系统空载试验机会，用采样精度为0.2级的试验仪器对励磁分流器、励磁变低压侧电流采样值、发电机保护及励磁调节器采样值进行采集、比较，确认励磁装置及保护装置采样偏差。依据数据比对结果调整励磁装置及发电机保护采样系数，调整励磁装置中转子电流采样系数及发电机保护转子电流采样系数后，用同一台经校验合格的继电保护试验仪进行限制动作值及保护动作值测试，采用同样倍数的电流测试值验证励磁限制实际动作时间及发电机保护实际动作时间能正确配合。调整采样系数后实测保护及励磁限制配合情况见表4。由表4可知t1<t2<t3，即通过调整采样系数后保护及励磁限制配合情况正确。
表4调整后转子电流限制与过负荷保护配关系表
5 结论
发电机转子过流时，发电机励磁系统过励限制环节应在转子过负荷保护之前动作。目前大型火力发电机组励磁调节器及发电机保护装置大多通过励磁变低压侧电流换算的方式进行转子电流采样，转子电流采样值因实际换算系数与理论换算系数存在偏差将产生较大误差，将对励磁系统过励限制与转子过负荷保护配合产生较大影响。在该情况下可采用上述方案2对励磁及保护装置采样系数进行纠偏，确保励磁装置及保护装置采样正确，使发电机励磁过励限制和过负荷保护能正确配合，在发电机故障时能发挥应有的限制及保护作用。
参考文献：
[1] 余振，邵宜祥，黄志，张寅，王啸.大中型发电机转子过励限制与过负荷保护控制策略及配合研究《大电机技术》2018年 第1期
[2] 防止电力生产事故的二十五项重点要求（国能安全[2014]161号文）
论文作者:连侠
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：转子论文; 电流论文; 励磁论文; 发电机论文; 负荷论文; 系数论文; 动作论文; 《电力设备》2018年第29期论文;