任建軍，毛青海，熊 杰

(1．陜西省水電開發(fā)有限責(zé)任公司二郎壩發(fā)電公司，陜西 寧強(qiáng) 724400；2．華自科技股份有限公司，湖南 長沙 410000)

1 概 述

2020年5月，陜西省二郎壩發(fā)電公司5號(hào)發(fā)電機(jī)后備保護(hù)報(bào)“勵(lì)磁低電壓或失穩(wěn)”信號(hào)。筆者認(rèn)真研究了5號(hào)機(jī)微機(jī)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)說明，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2 原失磁保護(hù)的特點(diǎn)

(1)原失磁保護(hù)在設(shè)計(jì)中疊加了“轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)”，這也是傳統(tǒng)的方案(見圖1、圖2)。

圖1 C1型失磁保護(hù)的低電壓判據(jù)邏輯

圖2 C1型失磁保護(hù)邏輯框圖

(2)裝置雖然考慮了強(qiáng)減的影響，但卻是用發(fā)電機(jī)端過電壓來閉鎖的(見圖3)。從保護(hù)發(fā)電機(jī)過壓的角度考慮，以額定機(jī)端電壓為參考點(diǎn)是可以的，但為了防止誤發(fā)報(bào)警信號(hào)，用額定機(jī)端電壓的過壓倍數(shù)做參考就不合適了。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)并不全是工作在額定機(jī)端電壓點(diǎn)，按額定機(jī)端過電壓來閉鎖，起不到閉鎖的作用。

圖3 C1型轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)閉鎖

(3)裝置選取勵(lì)磁低電壓判據(jù)的定值Ulcdydz=K·Ufd0(Ufd0為發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電壓)和可靠系數(shù)K(取0.2～0.5，見圖4)，并沒有理論依據(jù)，而是居于傳統(tǒng)勵(lì)磁的經(jīng)驗(yàn)。

圖4 C1型轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)設(shè)置

(4)裝置雖然引用了長延時(shí)來躲避各種可能的誤報(bào)，但是其一，并未考慮可控硅三相全控整流橋的特點(diǎn)；其二，默認(rèn)的延時(shí)初始值為0.1 s(t6,見圖5)；其三，怎么設(shè)置t6，沒有定值，全憑經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 C1型轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)延時(shí)t6設(shè)置

3 相關(guān)規(guī)范對(duì)失磁保護(hù)的要求

(1)原失磁保護(hù)裝置是基于《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DL/T 5177—2003)，該導(dǎo)則的一般要求強(qiáng)調(diào)的是要裝設(shè)“勵(lì)磁電流異常下降或消失”保護(hù)；但在操作上卻轉(zhuǎn)為了“轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)”，操作與要求并不吻合(見圖6)。

圖6 《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》關(guān)于失磁保護(hù)采用勵(lì)磁電壓判據(jù)的描述

(2)其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失磁和失步的要求都是要求以阻抗圓和勵(lì)磁電流(轉(zhuǎn)子電流)的變化為依據(jù)，如《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14285—2006)、《發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》(DL/T 671—2010)、《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35010—2013，替代DL/T 5177—2003)。因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)功率圓坐標(biāo)上，并網(wǎng)時(shí)的無功分量是與勵(lì)磁電流直接相關(guān)的，而勵(lì)磁電壓的變化并不會(huì)立即形成電流；而且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是個(gè)大電感(電流不能突變)，引入勵(lì)磁電流判據(jù)更符合理論要求。

(3)由于勵(lì)磁低電壓判據(jù)與三相全控橋式整流勵(lì)磁方式不相適應(yīng)，違背了電力電子技術(shù)的基本理論。所以，失磁保護(hù)采用勵(lì)磁電壓判據(jù)無法準(zhǔn)確判斷失磁的真實(shí)情況，雖然失磁狀態(tài)下有勵(lì)磁低電壓出現(xiàn)，但勵(lì)磁低電壓并不能斷定為失磁，結(jié)果不能作為條件使用，該因果不可逆。

4 使用勵(lì)磁電壓判據(jù)需要注意的問題

(1)傳統(tǒng)勵(lì)磁方式的勵(lì)磁電壓在正常運(yùn)行時(shí)是不會(huì)為負(fù)值的，如直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁、相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁、諧波勵(lì)磁、電抗分流勵(lì)磁、零式整流勵(lì)磁、單相半控勵(lì)磁、單相全控勵(lì)磁、三相半控勵(lì)磁等。

(2)可控硅三相全控橋式整流勵(lì)磁輸出的負(fù)載是一個(gè)大電感(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子)。整流輸出的勵(lì)磁電壓是可正、可負(fù)的，當(dāng)可控硅的控制角(對(duì)于相電壓)α滿足 0°<α≤90°時(shí)，整流輸出的勵(lì)磁電壓平均值為正；當(dāng)可控硅的控制角α滿足 90°<α≤180°時(shí)，整流輸出的勵(lì)磁電壓平均值為負(fù)(逆變)；實(shí)際使用是10°<α≤150°。發(fā)電機(jī)在失磁過程中，轉(zhuǎn)子電壓是會(huì)降低，但轉(zhuǎn)子電壓降低(更無法定量)并不能成為判斷失磁的依據(jù)，不能把結(jié)果作為依據(jù)，顛倒因果關(guān)系。

(3)整流輸出的負(fù)載波形是一個(gè)連續(xù)的鋸齒波，每個(gè)周期有6個(gè)波頭，陽極電壓從控制角觸發(fā)開始導(dǎo)通，導(dǎo)通的鋸齒波包絡(luò)線的面積就是輸出的勵(lì)磁電壓值。當(dāng)正向包絡(luò)線的面積大于負(fù)向包絡(luò)線的面積時(shí)，輸出電壓的平均值為正；當(dāng)負(fù)向包絡(luò)線的面積大于正向包絡(luò)線的面積時(shí)，輸出電壓的平均值為負(fù)(見圖7)。

圖7 三相全控整流勵(lì)磁的負(fù)載波形

(4)在測(cè)量計(jì)算輸出的勵(lì)磁電壓時(shí)，應(yīng)充分考慮控制角α導(dǎo)通和截止的影響。硬件檢測(cè)不能有嚴(yán)重的失真，軟件計(jì)算應(yīng)考慮(相對(duì)于線電壓)：VL=1.35U2(0°<α≤60°)；VL=1.35U2[1+cos(60°+α)] (60°<α≤120°)。

(5)通常，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制都是按機(jī)端電壓的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，當(dāng)機(jī)端電壓降低需要?jiǎng)?lì)磁進(jìn)行增磁或強(qiáng)勵(lì)，控制角就會(huì)10°<α<60°；當(dāng)機(jī)端電壓升高，需要?jiǎng)?lì)磁進(jìn)行減磁或強(qiáng)堿，控制角就會(huì)60°<α≤120°，通過逆變可以實(shí)現(xiàn)快速減磁或滅磁。

(6)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用可控硅三相全控橋式整流勵(lì)磁方式，正是考慮三相全控橋具有逆變功能。同時(shí)，勵(lì)磁的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)勵(lì)磁過電壓的限制和保護(hù)要求是“勵(lì)磁的正、反向過電壓不宜超過額定勵(lì)磁電壓的±(4～6)倍”，即勵(lì)磁電壓在額定值的-6倍～+6倍范圍內(nèi)都是可能會(huì)出現(xiàn)的，短時(shí)間也是安全的；超過該范圍應(yīng)該進(jìn)行限制并報(bào)警。

(7)可控硅三相全控橋式整流勵(lì)磁方式的發(fā)展歷史并不長，也就是在葛洲壩電站(1988年12月全部竣工)建成后，才在我國大規(guī)模推廣使用，傳統(tǒng)意義上的失磁保護(hù)方案并未從根本上去解決這個(gè)問題，而是采取打補(bǔ)丁的方式解決(如長延時(shí)0.5～0.8 s，不誤動(dòng))。

5 改進(jìn)措施及建議

(1)加大延時(shí)，將出現(xiàn)勵(lì)磁低電壓的延時(shí)設(shè)為t6 = 0.5～1 s,幾乎可以躲過絕大多數(shù)的誤動(dòng)作。

(2)修改關(guān)于失磁保護(hù)的計(jì)算和控制邏輯，將勵(lì)磁低電壓判據(jù)改為勵(lì)磁低電流判據(jù)。

6 結(jié) 語

早期的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)是基于傳統(tǒng)勵(lì)磁方式和舊的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，各廠家的方案大同小異，該設(shè)計(jì)方案在市場(chǎng)中的占有量還相當(dāng)大，在改進(jìn)完善該方案時(shí)應(yīng)充分考慮可控硅三相全控橋式整流勵(lì)磁方式的特點(diǎn)，使判斷更準(zhǔn)確、更合理、更可靠。

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