发电机的励磁限制与保护的配合整定

第1页共28页发电机的励磁限制与保护的配合整定§1发电机运行功率圆与限制发电机运行功率圆又称“安全运行极限”或“P、Q图”，下面图1为ABB励磁厂家说明书的发电机功功率图，经常用到的三个限制：1）转子发热限制；2）定子发热限制；3）低励限制。图1ABB励磁说明书中的发电机功功率图实际发电机的运行功率极限图下图所示：第2页共28页图2某600MW汽轮机组功率图§1.1转子发热限制§1.1.1同步发电机的相量图同步发电机的电动势相量图如图3所示图3同步发电机的电动势相量图IUEqQjIxqδφ第3页共28页对△oab的每条边分别乘以U／Xq，得功率三角形△OAB，并以O点为原点，引入直角坐标系，如图3所示。从图上可看出有以下关系成立：图4功率三角形1)φ—OA与纵轴的夹角即为功率因数角；2）δ—发电机功角；3)直角坐标系的第一象限是发电机的迟相(过励)运行区，第二象限是发电机的进相(欠励)运行区。4)发电机机端电压U保持不变，Xd为发电机同步电抗为常数，BA的长度正比于发电机电势，也正比于励磁电流Ifn。以B点为圆心，以BA为半径作圆弧，此圆弧即为转子发热极限曲线。对应图1中的“最大励磁电流限制器”。运行分析：汽轮发电机额定运行时，定子电流I与励磁电流均为额定值，一般其额定功率因数cosφ为0．85—0.9。此时，当欲调整发电机的运行参数，降低其功率因数(φ角增大)时，增发无功，励磁电流I会增加，发电机的运行受到转子发热极限的限制。为了使转子不过热，则需降低定子电流，使发电机沿曲线AD运行，定子绕组未得到充分利用。反之，欲提高其功率因数(角减小)时，定子电流会超过额定值，发电机的运行受到定子发热极限的限制，即图1中的“欠励、过励侧定子电流限制器”，又称“定子发热限制”。§1.1.2ABB励磁系统最大励磁电流限制器原理IU2/xqEqU/xqUIOBAQPδφ第4页共28页限制器有两个限制值：一个是强励顶值电流限制值，另一个是连续运行允许的过热限制值。与过热限制值关联的两个控制参数分别是转子等效加热时间和转子等效冷却时间。限制器的参数和功能框图见图5。图5ABB励磁系统限制器的参数和功能框图同步发电机正常运行过程中（无限制器动作），最大励磁电流限制器的限制值是强励顶值电流限制值Imax，即AVR可以在必要时提供强励顶值电流。在系统故障需要强行励磁来排除故障时，如果励磁电流的实际值超出过热限制值，调节器就会起动一个剩余功率积分器，将电流偏差值Δi2（其中Δi=Ifield-Itherm）对时间积分，其结果正比于励磁绕组的加热能量。如果励磁电流持续高于过热限制值，那么积分器的输出∫Δi2dt=ΔE将会增加。当积分器的输出值超过ΔEmax时，最大励磁电流限制器的限制值将从Imax降低到Itherm。上述工作由过热检测器完成。当励磁电流降到正常值Itherm以下后，剩余功率积分器启动反向冷却积分，按冷却时间常数Tcooling降低其输出。§1.2定子发热限制§1.2.1定子发热限制原理UI即视在功率，其在纵轴上的投影即为发电机的有功功率P，在横轴上的投影即为发电机的无功功率Q；发电机维持为机端电压U不变，图3中的OA的长度也就正比于定子电流I，当发电机在额定工作状态时，以O点为圆心，以OA为半径作圆弧（实际上进行了修第5页共28页正）即图1中的“欠励、过励侧定子电流限制器”，此圆弧即为定子发热极限曲线。运行分析：第一象限的运行情况，为了使定子不过热，则需降低转子电流，使发电机沿曲线FCA运行，转子绕组未得到充分利用。若只考虑发电机绕组发热的限制，发电机可沿曲线OA为半径的圆弧运行，达到cosφ=1点，即与P轴相交点，此时发电机输出的有功功率会达到额定有功功率的1．176(1／0．85)倍。由于受到发电机的原动机(汽轮机)最大安全输出功率的限制，发电机实际只能沿直线修正后的圆弧运行，也就是说与与P轴相交点为Pmax/U,一般小于Pn/cosφn/Un。第二象限的的运行情况。汽轮发电机在第二象限的运行状态是进相运行状态，从理论上讲发电机是可以进相运行的。但在实践中，由于励磁电流的降低，可能会导致发电机失去静稳，发电机端部发热增加，厂用电下降等，也就进入了图1中的“无功限制（P、Q限制）”，又称低励限制。§1.2.2ABB励磁系统定子电流限制器原理该限制器用于防止发电机定子绕组过热，在过励和欠励侧均有效。其工作原理与最大励磁电流限制器的工作原理相似。主要差别在于定子电流限制器没有一个确切的最大定子电流限制值，当时间趋于零时，限制值理论上可趋于无限大（Imax=）。通过适当的参数整定，可以得到接近于定子绕组最大允许热能ΔEmax的反时限特性。图6ABB励磁系统定子电流限制器定子电流限制器分欠励侧和过励测两部分，其限制量均为定子电流的平均值。当发电机过励时，欠励侧定子电流限制器截止，反之亦然。通过检测负载的功率因数，可保第6页共28页证定子电流限制器双方向（过励和欠励）动作的正确性。显然，定子电流限制器不能影响发电机的有功电流分量。如果发电机的有功电流分量高于定子电流限制器的限制值，为避免误动作，限制器会自动将发电机无功功率调整到零。§1.3低励限制§1.3.1汽轮发电机静稳功率圆图以隐极发电机为例进行分析，其简化等值电路图为下图4：图5隐极发电机简化等值电路根据图4，根据同步发电机电势向量图进行推导，得出发电机静稳极限方程：22222112112dsdsxxUxxUQP（1）该方程为圆，圆心为（dsxxU1122，0），半径为dsxxU1122，在P-Q坐标系中表示为：GXdXsXfXs第7页共28页图7隐极发电机静稳极限令P=0，解得Q在-Q轴上的交点为（0，dxU2），又令Q=0，解得在+P轴上交点为（0，dsxxU2）由于对于某一机组而言其同步电抗是固定的，所以影响静稳极限的因素有以下2个：1)系统联系电抗xs的大小。xs越小表示系统容量越大，静稳圆的半径越大，相应同样有功时允许的进相运行的深度越大；2)机端电压的大小。静稳圆的半径和圆心与U2成正比，对静稳极限影响最大，当机端电压减小时，静稳圆的半径减小，最大进相运行深度dxU2随之减小，静稳极限面积减小。§1.3.2水轮发电机静稳功率圆图Xd≠Xq，根据推导得出发电机静稳极限方程：（dsxxU1122，0）dsxxU1122PQ（dxU2，0）（0，dsxxU2）第8页共28页qdqddsbsbsbxxxxaxUaUQtgaUP/cossin22222根据上式，计算：δ=0°时Ps=0,Qs=-U2/xq；δ=90°时Ps=∞,Qs=-U2/xs；δ=0°～90°时，有功、无功值，画出的曲线如下图所示：§1.3.3励磁调节对静稳的影响无励磁调节时，汽轮发电机正常运行时的功角特性为：sindsqxUEP（2）Eq—发电机内电势；Us—系统电压；xd∑—发电机与系统的总电抗。0°90°QP30°45°60°70°80°-U2/xq-U2/xs第9页共28页图8发电机功角图1特点：Eq保持不变，静稳极限：δ=90°（汽轮机），δ90°（水轮机）。发电机运行中可以自动调节励磁，则Eq为变值，维持Eq＇近似为常数，可显著提高极限传输功率。曲线I、II称为人工稳定区，曲线I比曲线II有更高的放大倍数。图8发电机功角图2特点：则Eq为变化，Eq＇近似不变，静稳极限：δ90°,励磁系统的放大倍数Kou与励磁系统的时间常数Te以及转子功角之间的关系如下图所示,Te增加，保证稳定运行的放大倍数Kou是增加的，同一时间常数Te条件下，随着功角的增加，所允许的Kou是减小的。第10页共28页图9励磁系统Te、Kou及δ关系图§1.3.4励磁系统低励限制发电机励磁系统的低励限制的方程一般可分为直线型、模拟静稳圆型和功角型，分别用下面的式(2)、(3)、(4)表示：)(2BUAKPQ(2))()(02022RUAQUQP(3)ctgKUAKPQ,)(2(4)式中K表示限制线的斜率，A、B0为常量，QO、RO表示圆心和半径，P、Q为以发电机额定视在功率为基准的标幺值，U表示机端线电压标幺值。如图5所示：式(1)、(2)、(3)表示的曲线与P轴和负Q轴各有一个交点，随机端电压的下降曲线作相应的偏移（偏移后的曲线用虚线表示），由图6可知，随机端电压的下降，低励限制更容易动作，可以有效地防止机端电压进一步降低。第11页共28页图10机端电压变化对低励限制曲线的影响低励限制在功率图中的位置示意如下图所示：曲线1、2包围的区域—人工稳定区；曲线3、4包围的区域—低励限制区。图11低励限制曲线示意PQ直线型功角型模拟静稳圆型O第12页共28页§1.3.5ABB励磁系统PQ限制器原理ABB励磁系统的低励限制称为P/Q限制器，P/Q限制器本质上是一个欠励限制器，用于防止发电机进入不稳定运行区。该限制器的限制曲线由对应五个有功功率点（P=0%，P=25%，P=50%，P=75%，P=100%）的五个无功功率设定值确定，五个有功功率点与机端电压的标幺值U2成正比，发电机电压变化时，限制曲线随之偏移。图12ABB励磁系统的低励限制§2定子、转子过热限制与过负荷保护§2.1发电机励磁绕组过负荷能力发电机对励磁绕组的发热有规定，转子绕组能短时过电压运行，而不产生有害的变形及接头开焊现象，例如某600MW机组的转子绕组能承的短时过电流亦可按下式规定：(I2-1)t=33.75s（5）式中：I―转子过电流的标么值：t―持续时间。发电机定子绕组的能承受过电流能力的表达式与转子短时过电流相似，在励磁和保护中的定值设置也很相似，下面以转子过电流相关限制和保护配合整定为例说明。§2.2励磁调节器的过励限制发电机励磁调节器的过励限制一般按照励磁电流是否越限进行调节器输出控制，包括：1）过励反时限限制；第13页共28页2）瞬时电流限制两部分。励磁反时限限制、顶值电流瞬时限制、励磁绕组过负荷保护主要是保护发电机励磁绕组,以免过热.包括。励磁设备过电流保护、快速熔断器保护主要是保护整流设备,以免短路电流损坏元件。有的励磁系统还有励磁变相关保护：1）励磁变反时限过流保护，对励磁变本体过热进行保护，在无励磁绕组过负荷保护时按照励磁绕组过热特性整定。2）励磁变过流速断保护，反应励磁变内部短路故障，以及对整流桥交流侧或直流侧短路进行保护。§2.3南瑞发变组保护的励磁绕组过负荷保护励磁绕组过负荷保护反应励磁绕组的平均发热状况。保护动作量既可以取励磁变电流、励磁机电流，也可以直接反应发电机转子电流。对于励磁机，电流频率可以整定为50Hz、100Hz。包括：1）励磁绕组定时限过负荷保护：配置一段跳闸、一段信号。2）励磁绕组反时限过负荷保护:①下限启动,②反时限部分,③上限定时限部分。上限定时限部分设最小动作时间定值。反时限动作示意图为：当励磁回路电流超过下限整定值Ilszd时,反时限保护起动，开时累积，反时限保护热积累值大于热积累定值保护发出跳闸信号。反时限保护能模拟励磁绕组过负荷的热tmintmaxIlSzdIltIlh第14页共28页zdjzzdKLtII]1[(2）积累过程及散热过程。反时限保护动作方程:式中Il:励磁回路电流,Ijzzd:励磁回路反时限基准电流,KLzd:励磁绕组热容量系数定值。§2.4过励限制与励磁绕组过负荷保护配合整定第一节的600MW发电机为例，其额定励磁电流为4128A,首先整定励磁绕组过负荷保护：1)定时限保护延时按躲过后备保护的最大延时以及强励时间整定：定时限延时10S动作于自动减励磁,定时限报警为5S。2)反时限1)(2jzfdIICt式中：C为转子绕组过热常数，应考虑一定的裕度，取33.73*0.9=30.4上限时间:取0.5S作用于程序跳闸。计算在2倍励磁电流时的动作时间为：10s。ABB最大励磁电流设置