陳 剛

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司運(yùn)維檢修部，浙江省安吉縣 313302）

淺析安德里茨THYNE6勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)限制及其與過勵(lì)保護(hù)的配合

陳 剛

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司運(yùn)維檢修部，浙江省安吉縣 313302）

本文介紹了某抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器（GMR3）和發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置（DRS-COMPACT）。通過過勵(lì)限制與過勵(lì)保護(hù)的動(dòng)作值與動(dòng)作時(shí)間的具體計(jì)算，分析出過勵(lì)限制與過勵(lì)保護(hù)的配合關(guān)系，并提出整定值修改建議。

勵(lì)磁系統(tǒng)；過勵(lì)限制；過勵(lì)保護(hù)；特性曲線；配合關(guān)系；整定

0 引言

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)和勵(lì)磁系統(tǒng)的過勵(lì)限制是發(fā)電機(jī)的兩個(gè)重要的保護(hù)配置，而兩者之間必須要有一定的配合關(guān)系，即過勵(lì)限制要先于保護(hù)動(dòng)作。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某抽水蓄能電站機(jī)組配置的是奧地利安德里茨公司THYNE6勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器型號(hào)為GMR3，其具有無延時(shí)最大勵(lì)磁電流限制和帶延時(shí)的勵(lì)磁電流限制兩種功能。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由自動(dòng)模式（AVR）、手動(dòng)模式（FCR）組成。

為了防止保護(hù)裝置誤動(dòng)和保護(hù)發(fā)電機(jī)不受損壞，勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)置了如下限制器：勵(lì)磁電流限制器，定子電流限制器，功角（低勵(lì)）限制器，U/f限制器。帶限制功能的發(fā)電機(jī)功率圓如圖2所示。

圖1

圖2

2 過勵(lì)限制器簡(jiǎn)介

過勵(lì)限制即轉(zhuǎn)子過電流限制（Over Excitation Limiter-OEL）有兩個(gè)方面的功能：一是要保證勵(lì)磁繞組不致過熱，二是要充分利用勵(lì)磁繞組短時(shí)過載的能力，盡可能地在系統(tǒng)需要的時(shí)候提供無功功率，支持系統(tǒng)電壓恢復(fù)。所以，過勵(lì)限制器分為帶延時(shí)和無延時(shí)兩種。帶延時(shí)過勵(lì)限制器具有反延時(shí)特性，來保證勵(lì)磁繞組在允許的溫度下可靠運(yùn)行。

2.1 無延時(shí)勵(lì)磁電流限制器

無延時(shí)勵(lì)磁電流限制器含有最大值和最小值兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器。根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率圓，最小值限制將勵(lì)磁電流限制在最小的允許值內(nèi)，最大限制將控制最大頂值電流。這兩個(gè)限制器可分別進(jìn)行投切。

其中：IPIW 勵(lì)磁電流實(shí)際值

IPMIN 最小勵(lì)磁電流限制

IPMAX 最大勵(lì)磁電流限制

IPSoll 電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)

IPSWG 自動(dòng)模式下的勵(lì)磁電流總的設(shè)定值

最小勵(lì)磁電流限制器的PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：

圖3

其中：FRMin（s） 最小勵(lì)磁電流限制器的傳函

KPMin比例放大倍數(shù)

TIMin積分時(shí)間

最大勵(lì)磁電流限制器的PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：

其中：FRMaxU（s） 最大勵(lì)磁電流限制器的傳函

KPMaxU比例放大倍數(shù)

TIMaxU積分時(shí)間

限制器的輸出信號(hào)通過控制勵(lì)磁電流疊加在電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)中。因此，限制器可直接影響勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器。當(dāng)勵(lì)磁電流的實(shí)際值低于最小限制值IPMIN時(shí)，限制器被啟動(dòng)，最小勵(lì)磁電流限制器將增加勵(lì)磁電流。當(dāng)勵(lì)磁電流的實(shí)際值高于最大限制值IPMAX時(shí)，限制器被啟動(dòng)，最大勵(lì)磁電流限制器將降低勵(lì)磁電流。

2.2 帶延時(shí)的最大勵(lì)磁電流限制器

此限制器具有電流特性的延時(shí)（反時(shí)限特性），來保證勵(lì)磁電流在允許溫度下運(yùn)行。

其中：IPIW 勵(lì)磁電流實(shí)際值

IPIMAXV 勵(lì)磁電流最大值

IPZONE 死區(qū)

limiter2 限制器的輸出信號(hào)

UGSW 發(fā)電機(jī)電壓設(shè)定值

UGSWS 發(fā)電機(jī)電壓總的設(shè)定值

勵(lì)磁電流的實(shí)際值IPIW通過延時(shí)單元送至一個(gè)比較器進(jìn)行比較。如果延時(shí)后的勵(lì)磁電流實(shí)際值比最大允許值IPMAXV大時(shí)，比較器就啟動(dòng)，同時(shí)限制積分器開始負(fù)方向積分。積分器的值輸出將降低定子電壓的設(shè)定值。當(dāng)勵(lì)磁電流降至最大允許值IPMAXV之下時(shí)，限制積分器就被解除，輸出信號(hào)將維持不變。當(dāng)勵(lì)磁電流值降至IPMAXV-IPZONE時(shí)，限制積分器的控制輸出信號(hào)向零復(fù)歸，即將限制的作用降低。

延時(shí)單元的傳遞函數(shù)為：

圖4

可以用下面的公式來計(jì)算比較器的響應(yīng)時(shí)間tan：

其中：TVIPB延時(shí)時(shí)間

IP1過流前的運(yùn)行電流IP2過電流

IPMAXV比較器的門檻限制

由傳遞函數(shù)可知：帶延時(shí)的最大勵(lì)磁電流限制器，其動(dòng)作時(shí)間與過載前的運(yùn)行勵(lì)磁電流有關(guān)系，即過載的運(yùn)行勵(lì)磁電流越小，其允許的過載時(shí)間越長。

3 過勵(lì)限制，過勵(lì)保護(hù)，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷能力配合關(guān)系

由于某電站是抽水蓄能型機(jī)組，按照一般運(yùn)行規(guī)律，不論發(fā)電還是抽水工況下，一般均運(yùn)行于額定有功功率點(diǎn)。因此，在機(jī)組正常帶負(fù)荷運(yùn)行過程中，勵(lì)磁電流通常不小于80%Ifn，即過勵(lì)發(fā)生前，通常勵(lì)磁電流不會(huì)小于80%Ifn。以下過勵(lì)限制曲線以80%Ifn作為過電流發(fā)生前的初始勵(lì)磁電流值。

（1）根據(jù)GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》中7.1.2的規(guī)定，水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)能承受2倍額定勵(lì)磁電流，持續(xù)時(shí)間空氣冷卻的水輪發(fā)電機(jī)不少于50s。

用下面解析式表達(dá)：

DL/T 583—2006《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》中4.2.2的規(guī)定：勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)一般為1.5～2.0倍，勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)小于2時(shí)，勵(lì)磁頂值電流倍數(shù)與勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)相同。勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)超過2時(shí)，勵(lì)磁頂值電流倍數(shù)仍取2。

（2）勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)51ET-B定值為0.16A，3s，對(duì)應(yīng)額定勵(lì)磁電流為1.177倍，3s。

（3）當(dāng)前勵(lì)磁電流限制器定值：

勵(lì)磁電流限制器V1821最大勵(lì)磁電流限制整定值（瞬時(shí)）1.6 p.u.值V1842最大勵(lì)磁電流限制整定值（定時(shí)）1.0698 p.u.值V1952最大勵(lì)磁電流限制器延遲時(shí)間0.5 51.2s

（4）根據(jù)以上計(jì)算公式及定值，可得過勵(lì)限制，過勵(lì)保護(hù)，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷能力配合關(guān)系計(jì)算數(shù)據(jù)，見表1。

表1 保護(hù)定時(shí)限、勵(lì)磁限制器動(dòng)作數(shù)據(jù)表

（5）根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)作圖如圖5所示。

圖5

4 存在的問題及改進(jìn)方案

4.1 存在的問題

根據(jù)圖5，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前存在以下問題：

（1）勵(lì)磁定時(shí)限限制器定值為1.6，不能滿足GB/T 7409的要求（勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電流倍數(shù)取2.0）。

（2）在初始勵(lì)磁電流為80%Ifn的條件下，勵(lì)磁反時(shí)限定值不能滿足GB/T 7409.3標(biāo)準(zhǔn)要求的2.0倍強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流，允許持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于10s。

（3）勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)51ET-B（定時(shí)限）定值，0.16A，3s對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流為1.177p.u.，3s。不能滿足GB/T 7409.3標(biāo)準(zhǔn)要求的2.0倍強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流，允許持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于10s。

（4）當(dāng)勵(lì)磁電流長期過負(fù)荷運(yùn)行在1.07～1.177倍，且限制失敗時(shí)，由于沒有相應(yīng)的過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，因此有可能發(fā)生機(jī)組轉(zhuǎn)子過負(fù)荷損壞的情況。

4.2 改進(jìn)方案

（1）經(jīng)勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)據(jù)復(fù)核計(jì)算后，將無延時(shí)最大勵(lì)磁電流限制器定值V1842由1.6修改為2.0。將最大勵(lì)磁電流限制器延遲時(shí)間常量V1952修改，使其滿足GB/T 7409.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2倍10s強(qiáng)勵(lì)要求。

（2）修改后的定值為：

（3）提高勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)51ET-B（定時(shí)限）定值，該定值不能限制GB/T 7409.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2倍10s強(qiáng)勵(lì)要求。比如修改后的定值對(duì)應(yīng)額定勵(lì)磁電流2.0倍11s動(dòng)作。

（4）升級(jí)繼電保護(hù)裝置，在目前僅有定時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)的基礎(chǔ)上，增加反時(shí)限過勵(lì)保護(hù)功能。用于對(duì)轉(zhuǎn)子電流在1.07～2倍之間且勵(lì)磁電流反時(shí)限失敗時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)提供保護(hù)。

原理如下：

式中：J（t）——繞組流過電流時(shí)間t后繞組的溫升；

tE——繞組的溫升時(shí)間常數(shù)；

I——流過繞組的電流；

I0——繞組的額定電流；

Jlimit——繞組的最大溫升。

定值如下：

（5）根據(jù)修改后的定值，配合關(guān)系計(jì)算見表2～表3。

表2 保護(hù)定時(shí)限、勵(lì)磁限制器動(dòng)作數(shù)據(jù)表

表3 保護(hù)反時(shí)限動(dòng)作數(shù)據(jù)表

圖6

（6）根據(jù)數(shù)據(jù)作圖如圖6所示。

由圖6可見，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷能力，保護(hù)反時(shí)限，保護(hù)定時(shí)限（2Ifn，11s），過勵(lì)限制OEL配合關(guān)系較好，且滿足GB/T 7409.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2倍強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流10s的要求。充分發(fā)揮了發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)異常過程中的無功、電壓支撐能力。

陳 剛（1975—）男，大學(xué)本科，電氣工程師，高級(jí)運(yùn)維專職，從事勵(lì)磁系統(tǒng)檢修維護(hù)工作。

A Brief Analysis of the Over Excitation Limiter of ANDRITZ THYNE6 Excitation System and Cooperation with Over Excitation Protection

CHEN Gang
（East China Tianhuangping Pumped-Storage Power CO.，Ltd.，Anji 313302，China）

This paper describes excitation system regulator（GMR3）and generator protection device （DRS-COMPACT）of a pumped storage power station. By calculating operate value and operate time，we can analyse the cooperation of over excitation limiter and over excitation protection，and then put forward the adjustment of the setting value.

excitation system；over excitation Limiter；rotor over current protection；characteristic curv；setting adjustment