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励磁系统的过励限制和过励保护
励磁系统的过励限制和过励保护
竺士章,陈新琪
（浙江省电力试验研究院,浙江省杭州市310014
摘要:
对采用发电机和励磁机磁场电流实现的励磁系统,分别对其顶值电流瞬时限制和过励反时限限制提出了函数特性、启动值、限制值、限制动态过程要求,以及参数整定要求,确定了与发电机相关保护、定子过电流限制、励磁变保护的配合关系。
提出了对过励保护的技术要求。
对励磁机磁场电流作为信号的过励限制的函数形式提出了建议。
关键词:
励磁系统;过励限制;过励保护;特性;整定
收稿日期:
2009206225;修回日期:
2009211217。
0 引言
合理整定励磁系统过励限制和保护定值是一个关系到机组安全和电力系统稳定的重要问题。
美国1996年和2003年2次大停电,在电网瓦解的最后时刻都有过励保护动作。
说明在避免电网瓦解过程中需要大量无功支持,正确的励磁系统过励限制和过励保护可以在保证发电机组安全可靠运行的条件下最大限度地发挥发电机的作用,从而提高电网的稳定裕度。
本文对过励限制和过励保护特性、参数整定等方面进行分析,对励磁机磁场电流作为信号的过励限制的函数形式提出了建议。
1 过励限制的主要特性
励磁系统过励限制[1]包含顶值电流瞬时限制和过励反时限限制2种功能。
静止励磁系统和有刷交流励磁机励磁系统采用发电机磁场电流作为过励限制的控制量,无刷交流励磁机励磁系统采用励磁机励磁电流作为过励限制的控制量。
过励反时限特性函数类型与发电机磁场过电流特性函数类型一致。
因励磁机饱和难以与发电机磁场过电流特性匹配时宜采用非函数形式的多点表述反时限特性。
隐极式同步发电机转子过电流特性见GB/T7064—2008[2]的4.29条。
特性表达式如下:
（I2-1t=33.75（1
式中:
I为发电机磁场电流对额定磁场电流Ifn的比值;t为许可的过电流持续时间。
水轮发电机转子仅有承受2Ifn的持续时间的描述,缺少过电流特性的函数描述。
励磁系统功率单元（励磁变压器、整流桥、励磁机等的过电流能力应保证实现发电机转子过电流能力,但是某些交流励磁机励磁系统的顶值电流可能小于发电机转子过电流能力,当两者不相同时按小者确定。
按照继电保护规定[324],转子绕组过负荷保护特性与发电机转子过电流特性一致。
过励反时限特性与发电机转子绕组过负荷保护特性之间留有级差,确保在保护动作之前限制动作。
过励反时限启动值小于发电机转子过负荷保护的启动值,大于Ifn,一般为（105%~110%Ifn。
启动值不影响反时限特性,并当磁场电流大于启动值后进入反时限计算。
过励反时限限制值一般比启动值减少（5%~10%Ifn,以释放积累的热量,也可限制到启动值,再由操作人员根据过励限制动作信号减少磁场电流。
限制环节可以有不大于0.3s时间常数的惯性环节,以减少有功功率波动和无功功率超调。
过励限制信号测量误差小于0.5%,时间误差小于0.05%,有良好的调节参数,使得限制过程快速而稳定,过励限制特性能够通过试验证实。
2 启动值与反时限函数无关
有的制造厂将启动值Ifstart作为反时限函数中的变量,其反时限函数如下:
t=tp
IfpIfstart
2
-1
IfIfstart
2-1-1
（2
式中:
If,Ifp,Ifstart分别为磁场电流、最大磁场电流和启动值,均为与Ifn的比值;tp为最大磁场电流持续时间。
设启动值为1,1.05,1.10,2倍顶值电流下过励反时限动作时间为9.0s,6.2
s,2.5s,可见随启动值的增加,过励限制与转子过电流特性不相匹配。
第34卷 第5期2010年3月10日Vol.34 No.5Mar.10,2010
因此,过励反时限函数应采用式（1与启动值无关的特性。
3 限制过程
过励反时限限制动作转为定磁场电流控制,磁场电流给定值（即限制值瞬间给出———突限,或者经过一阶惯性（1/（1+τs给出———缓限,有不同的响应,见表1和附录A。
表1 自并励和交流励磁机励磁系统过励反时限
限制突限和缓限方式的差别
Table1 Differencebetweensuddenlimitandslowlimit
forpotentialsourceexcitationsystemandACexciter
excitationsystem
励磁系统
突限方式
回到
110%Ifn
的时间/s
下降过程
增加的热
量/（%
缓限方式（τ=0.5s
回到
110%Ifn
的时间/s
下降过程
增加的热
量/（%
自并励励磁系统0.421.80.474.66
交流励磁机励磁系统0.241.11.154.30
由仿真可见,突限方式或者小延迟的缓限方式都可以接受。
缓限方式可以减少有功波动,而缓限过程增加的热量不大。
4 级差
发电机转子过负荷保护按照发电机特性设定。
过励反时限与发电机转子过负荷保护之间的级差需要考虑以下原则:
1测量偏差不至于引起保护先于限制动作;
2过励反时限限制动作、电流回到长期值以下的过程中过热的积累不导致保护动作;
3较小的级差,即过励反时限限制设置较大的过热量有利于电力系统稳定。
级差暂不考虑过励保护的理由是:
1完善的监测可以提前发现和处理将导致过励的故障,使得过励限制动作的时刻发生故障的概率大为减少;
2不良的限制失败的判断和通道切换在顶值电流下需要超过1s完成。
考虑测量偏差和限制过程热量。
如If=2,保护和过励限制电流测量各有1.5%和-1.5%的误差,并且各有0.2%和-0.2%的时间误差,限制过程磁场绕组增加的过热量约4.77%。
设定级差为2s。
限制成功时刻离保护动作还有0.79s。
上述条件下可以选择顶值电流下过励限制比保护提前2s动作。
提高电流测量准确度,适当减少限制过程时间,改进限制失败判断方法,有可能将顶值电流下的级差进一步减少。
5 以励磁机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定
5.1 顶值电流瞬时限制值
确定顶值电流瞬时限制值时需要考虑励磁机的饱和。
从励磁机负载特性曲线上,由顶值电流倍数决定的发电机磁场电压,获得顶值电流瞬时限制值。
5.2 过励反时限限制的最大过热量
确定过励反时限限制的最大过热量时,可以不计发电机磁场回路时间常数。
其步骤如下:
1由励磁机负载特性得到发电机磁场电压倍数与励磁机磁场电流倍数的关系。
2按照励磁机的最大磁场电流、励磁机连续运行最大磁场电流和发电机顶值电流持续时间计算励磁机磁场绕组过电流引起的最大过热量Ce:
Ce=
Iefmax
Ief∞
2
-1tP（3式中:
Iefmax为励磁机的最大磁场电流;Ief∞为励磁机连续运行最大磁场电流;tP为发电机的顶值电流持续时间。
3检查励磁机磁场过电流持续时间与发电机磁场过电流持续时间的配合情况,如不配合则调整
Ce。
4按照Ce整定发电机转子过负荷保护。
5按照级差2s选取过励限制最大过热量。
5.3 不计发电机转子回路时间常数的原因
采用Philips2Heffron单机对无穷大系统模型,发电机Eq′响应近似等于If响应,建立附录B图B1所示的发电机磁场电流与励磁机磁场电流的关系,推导出励磁机励磁电流到发电机转子电流之间存在一个一阶惯性环节,其时间常数τ与励磁机模型和系统参数有关。
考虑各个参数一定的变化范围,设计励磁机磁场电流阶跃,使得指数上升的发电机磁场电流与等效延时时间t的阶跃电流有相等的发热。
用等效延时时间t占转子发热许可持续时间T33.75的百分比表示发电机转子回路时间常数的影响程度,结果见表2。
推导过程见附录B。
表2 等效延时时间t的估算范围
Table2 Estimationofequivalentdelaytimet
Ifτ/st/sT33.75/s
t
T33.75
/（%
2.000.2380.27811.2502.5
1.130.2380.245121.8850.2
2.000.9411.09811.2509.8
1.130.9410.970121.8850.8
等效延时时间t远小于转子发热许可持续时间T33.75,为了简化整定,可以采用不计转子回路时间
・工程应用・ 竺士章,等 励磁系统的过励限制和过励保护
常数的方法计算整定值。
5.4 举例
某汽轮发电机无刷励磁系统顶值电流倍数为1.8倍。
由顶值电流倍数和持续时间求出不同过电流的延时时间t（If。
由顶值电流倍数求出对应的磁场电压,由磁场电压在励磁机负载特性上求出励磁机磁场电流Ief。
按照顶值电流下的持续时间得到励磁机磁场电流过热量C1,求出C1下的延时时间t1。
观察t1,发现与发电机磁场绕组t（If不匹配。
调整过热量C2后得到t2的特性。
按照顶值电流下级差2s选择过励限制过电流常数COEL,得到过励反时限延时时间tOEL。
特性匹配情况见表3。
表3 某汽轮发电机无刷励磁系统的转子过负荷保护和过励限制特性
Table3 Characteristicofrotoroverloadprotectionandoverexcitationlimiterwithbrushlessexcitationofoneturbinegenerator
发电机磁场绕组
If/（%Uf/Vt（If
励磁机励磁绕组和转子过负荷保护
Ief/AC1t1/sC2
过励反时限限制
t2/sCOELtOEL/s
180786.6010.00212.323.510.0021.99.3317.17.27146638.0219.79170.020.4719.1014.89125546.2539.82147.038.7736.1828.21113493.8180.89131.085.3379.6262.07
5.5 建议
随着励磁机饱和系数的增大,将大大减少顶值电流下的持续时间。
为此,建议励磁机磁场电流作为限制控制量的过励限制特性采用多点描述的反时限特性。
6 无发电机转子过负荷保护的处理
当不采用发电机转子过负荷保护时,过励限制仍按照上述方法确定,即过励限制与发电机过电流特性留有级差。
7 过热量的释放和再次过励的条件
一次过电流带来的过热量经电流小于额定值而得到逐步释放,热量释放的计算式同式（1,过热量最小等于0。
再次过热的能力等于设定的最大过热量C减去剩余的过热量。
因此,较大的过热量设定值在连续多次电网故障时提供较多的支持。
8 定子过电流保护、定子过电流限制和励磁变保护
为了充分发挥发电机转子过电流能力,需要合理整定发电机定子过电流限制和保护。
发电机定子过电流限制的过热量略大于过励反时限限制的过热量。
当无发电机转子过负荷保护时可延伸励磁变过流保护到发电机转子,替代发电机转子过负荷保护。
9 过励保护
GB/T7409.1—2008中的过励保护包含调节器的顶值电流保护和过励反时限保护2种。
励磁调节器内的过励保护主要完成通道切换,保持闭环控制运行。
仿真600MW汽轮发电机自并励系统误强励过程,120%Un（U
n为额定电压延时0.2s保
护动作的误强励时间是0.54s。
在此期间有可能完
成电压互感器断线、调节器死机、电源故障、同步故
障等的判断和通道切换。
由于完善的监测可以提前
发现和处理过励问题,过励保护实际起后备保护作
用。
9.1 顶值电流保护
励磁调节器的顶值电流保护对于高顶值励磁系
统是必备功能。
实现运行通道和非运行通道同时进行检测,以
提高检测的可靠性。
当顶值电流瞬时限制失效时发
出信号,切换通道,在备用通道中实现顶值电流限
制。
备用通道可以是自动通道,也可以是独立的手
动通道。
由越过限制值的某个百分数和延时来判断
限制是否失效,至切换的发电机磁场电流应远小于
300%Ifn,附加发热应可以忽略。
仿真无刷交流励
磁机励磁系统在超过顶值电流10%Ifn、延时0.15s
完成通道切换时,磁场电流达到235%Ifn,转子绕组
附加发热量约2.8%。
对于高顶值励磁系统,也可以采取独立的第2
套过励限制功能,设置相同的特性和参数。
高顶值励磁系统具有励磁系统内部或者外部的
过电流切除调节器停机功能。
9.2 过励反时限保护
过热量累计超过设定值某个百分数（如10%
时判断过励反时限限制失败,进行通道切换。
现在
有的调节器采用延时2s观察电流是否回到110%
额定值以内,因其判断时间长,势必降低过励反时限
过热量设定值,这样,发电机转子过电流能力被削
弱,对电力系统稳定不利。
2010,34（5
9.3 过励报警信号
为了及时调整励磁以避免跳机,可以设置过励报警,如1.2倍额定电流延时5s报警,其相当于转子过负荷定时限保护功能。
10 结语
本文对过励限制和过励保护特性、参数整定等方面进行了分析,提出了函数特性、启动值、限制值、限制动态过程要求以及参数整定要求,确定了与发电机相关保护、定子过电流限制、励磁变保护的配合关系,可供电气专业人员设计、整定工作参考。
附录见本刊网络版（http:
//www.aeps2info.com/aeps/ch/index.aspx。
参考文献
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[2]GB/T7064—2008 隐极同步发电机技术要求.2008.
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2006.
[4]DL/T684—1999 大型发电机变压器继电保护整定计算导则.
1999.
竺士章（1946—2009,男,教授级高级工程师,主要研究方向:
发电机励磁系统控制、建模和试验,以及标准制定。
E2mail:
yzzsz@
陈新琪（1964—,男,通信作者,硕士,高级工程师,主要研究方向:
发电机励磁控制和电力系统分析。
E2mail:
chen_xinqi@
Over2excitationLimiterandProtectionoftheExcitationSystems
ZHUShizhang,CHENXinqi
（ZhejiangElectricPowerTestandResearchInstitute,Hangzhou310014,China
Abstract:
Therequirementsoffunctionality,startupvalue,limitingvalue,limitingcourseandsettingforanti2timeover2excitationlimiterandceilingcurrentlimiterofgeneratorexcitationsystemsareprovided.Therelationshipbetweenover2excitationlimiterandgeneratorprotections,orlimiterofstatorcurrent,orexcitationtransformerprotectionsareconfirmed.Thetechnicalrequirementsofover2excitationprotectionofgeneratorexcitationsystemsarealsopresented.Finally,recommendationsforthefunctionalityofover2excitationlimiterusingexciterfieldcurrentastheinputsignalarealsogiven.
Keywords:
excitationsystem;over2excitationlimiter;over2excitationprotection;characteristic;setting
（上接第37页 continuedfrompage37
[8]JIAZY,IERAPETRITOUMG.GenerateParetooptimal
solutionsofschedulingproblemsusingnormalboundaryintersectiontechnique.Computers&ChemicalEngineering,2007,31（4:
2682280.
熊 宁（1975—,男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:
输电网电压稳定与配网优化。
E2mail:
civilaviation@
程浩忠（1962—,男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:
电压稳定、电网规划、电能质量、电力市场。
马则良（1961—,男,高级工程师,主要研究方向:
电网规划及管理。
TheDeterminationofSubstituteDegreeBetweenGenerationCostand
LoadingMarginBasedonNBIMethod
XIONGNing1,CHENGHaozhong1,MAZeliang2,ZHUZhonglie2
（1.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;
2.EastChinaElectricPowerGridCorporation,Shanghai200002,China
Abstract:
Inmulti2objectiveoptimization,Paretofrontcanoffervaluabletradeoffinformationbetweenobjectives,whichisthebasisfordecision2making.NormalBoundaryIntersection（NBIisaneffectivemethodforevenlygeneratingParetooptimalsolutions.Inthispaper,NBImethodisintroducedintogenerationdispatch,andanothervaluableindex,i.e.degreeofsubstituteindex.ItsexpressionisderivedbasedontheNBImethod.Thisindexcanintuitivelyreflectthesubstituterelationbetweenthegenerationcostandloadingmargin,providingthedecision2makerwithimportantreferencetodeterminetheoptimizationscheme.Simulationresultsofanumericalexampleillustratethevalidityofthemethod.
ThisworkissupportedbySpecialFundofNationalBasicResearchProgramofChina（No.2009CB219703.
Keywords:
generationdispatch;multi2objectiveoptimization;Paretofront;normalboundaryintersection（NBImethod;degreeofsubstitute
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