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，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2 大型发电机空载电压特性
表1
If0（pu） 1.0 2.0 3.0 4.0 4.4 If0（A） 1789 3578 5367 7156 7872 Ug0（pu） 0.95 1.2 1.3 1.36 1.39 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
（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（Ug to 0.2Ugn）5.13秒，接近灭磁设备的极限能力。
表2 Ugset DelayT Ifmax Ugmax Energy De-E pu S A Pu MJ S 1.3 0.5 6706 1.45 2.33 5.13 1.3 0.3 5582 1.39 1.87 4.81 1.2 0.5 5414 1.39 1.81 4.76 1.2 0.3 4236 1.33 1.37 4.39 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，现有整定值是合理的，但是对于自并励空载误强励产生的
过电压明显考虑不足。
三、自并励空载误强励灭磁失败原因
自并励磁系统跳闸灭磁，首先利用跨接器或者开关或者二极管将灭磁电阻并入转子两端，然后跳开磁场断路器，利用磁场断路器分断瞬间产生的电弧电压，迫使转子电
流向灭磁电阻放电，最终由灭磁电阻来消耗转子磁能即灭磁。这种迫使转子电流由磁场断路器转向灭磁电阻的过程称为“换流”，这种灭磁方式称为“放电灭磁”，此时，磁场断路器仅仅是一个分断设备，而不是一个耗能设备，故不能称为传统意义上的灭磁开关。如果磁场断路器换流不成功，就会在灭磁过程既要分断转子电流，又要消耗转子磁能，肯定会烧毁。
采用氧化性非线性电阻的典型放电灭磁主回路如图3所示。正常运行时，磁场断路器FCB闭合，整流器SCR输出电压Uz励磁发电机转子L.R。由于二极管V的隔离作用，氧化性灭磁电阻Rf没有电流流过。
图3 氧化性灭磁电阻灭磁主回路
当放电灭磁时，跳开FCB必定会产生电弧，这是由于转子回路L.R电感作用。又由于Rf的非线性特性，只有当外加电压大于Um时才会有电流，即Um相当于Rf的一个门槛电压。由此可见，只有FCB的分断电弧电压Uk与整流器输出电压Uz代数和大于Um，If才会流入Rf，灭磁换流才会成功，即放电灭磁换流公式为：
Uk-Uz≥Um或者Uk≥Um+Uz 自并励误强励灭磁失败大部分原因是不能满足放电灭磁换流公式。下面以某个自并励系统为例进行说明。假设Uk为=2800V，
Um=1500V ，100%Ug0下的Uz=1000V；140%Ug0时Uz=1400V 。当励磁误强励造成不同的空载过电压倍数时，灭磁换流结果如表3所示。其结果表明，在磁场断路器弧压和灭磁电压固定不变的情况下，励磁误强励产生的过电压倍数大小，决定了放电灭磁换流成功与否。也就是说励磁误强励灭磁换流不成功是因为发电机空载过电压倍数太高。降低发电机空载过电压倍数，也就防止了励磁误强励灭磁失败，从而保护了励磁回路的安全
表3 Uk 2800V 2800V 2800V 2800V Um 1500V 1500V 1500V 1500V Ug0 100% 120% 130% 140% Uz 1000V 1200V 1300V 1400V Uk≥Um+Uz 满足 满足 临界 不满足 灭磁情况 成功 成功 临界 失败 事实上，除了氧化性电阻灭磁电压固定不变外，碳化硅和线性电阻的灭磁电压是变化的，磁场断路器的弧压也是变化的。为此，励磁标准规定的放电灭磁换流公式
（7）
：
Ukmax≥Uzmax +Ummax
这里Ukmax指磁场断路器的最大弧压，Ummax指灭磁电阻两端最大的电压，Uzmax指晶闸管整流器输出最大电压。 四、发电机空载过电压保护
当自并励磁系统空载误强励，发电机电
压和转子电流成正反馈状态，并很快进入发电机空载电压特性饱和区。此时发电机过电压
保护延时动作，发电机电压已升至1.4～1.5倍额定值，转子电流将增加到近3倍额定值，这样不仅增加了磁场断路器不合理的负担，而且也影响到发电机本体的安全。