大中型发电机转子过励限制与过负荷保护控制策略及配合研究

余 振，邵宜祥，黄 志，张 寅，王 啸



大中型发电机转子过励限制与过负荷保护控制策略及配合研究

余 振，邵宜祥，黄 志，张 寅，王 啸

（国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

近年来，伴随我国用电负荷不断增长，大中型电机在电网中所占比例越来越大。目前对于大中型电机转子过励限制和过负荷保护的研究一般局限于各自过流动作值的整定，而限制与保护定值的配合往往被忽略。同时对于电机运行过程中，转子绕组载流温升特性并未深入研究，给大中型电机的安全运行带来隐患。微机励磁系统一般配置顶值电流限制器，其控制策略及其与过励限制和过负荷保护的配合目前并无文献涉及。本文探讨了转子温升特性，在此基础上，提出励磁改进型转子过励限制、励磁顶值电流限制控制策略，并进行了仿真，对指导发电厂转子励磁与保护参数整定工作具有重要意义。

大中型发电机；转子温升特性；过励限制；顶值电流限制；过负荷保护

0 前言

为保障电机安全运行，防止电机转子因过流而过热烧损，微机励磁系统一般配置转子过励限制器和顶值电流限制器；同时，发变组保护配置过负荷保护跳闸功能。

受现场试验条件限制，励磁技术人员一般根据发变组保护转子过负荷曲线整定励磁转子过励限制曲线。目前已有不少文献论述两者之间的配合关系[1-3]，但普遍仅说明了转子过励限制动作曲线的整定，并未考虑到调整过程中转子温升特性及其与励磁顶值电流限制器的配合问题。故本文探讨了转子温升特性，在此基础上，提出励磁改进型转子过励限制和顶值电流限制控制策略，及其与过负荷保护的有效配合方式，并进行了仿真，对指导发电厂转子励磁与保护参数整定工作具有重要意义。

1 转子温升特性

电机部件内温度及其分布，除与其自身材料性质相关之外，主要依赖于热源和散热情况[4-5]。文献[5]研究表明，在保证电机良好散热条件下，热源对温度的影响集中反映在电损耗上，表述如式（1）所示：

当电机散热能力达到饱和后，转子温升与载流损耗关系见式（3）：

2 过励限制整定及其与保护配合

2.1 过励限制整定

转子过励限制动作曲线应与电机温升特性一致，满足式（4）的要求，故有：

一般有，汽轮发电机（隐极）的转子发热时间常数和水轮发电机（凸极）的转子发热时间常数分别为[6-7]：

图1给出了汽轮发电机和水轮发电机转子过励限制动作曲线。

图1 汽轮发电机与水轮发电机转子过励限制动作曲线

一般而言，同等过电流倍数条件下，水轮发电机的转子短时耐受过电流能力约为汽轮发电机的2倍。

2.2 过励限制与过负荷保护配合

电机转子过负荷保护与过励限制本质上均是考虑转子载流耐受能力，保护电机转子绕组避免长时过流运行，过热烧损，其整定原理一致，均应符合如公式（5）所描述的反时限特性[8-10]。

电机转子过负荷保护特性如下：

转子过励限制与过负荷保护的配合整定计算示例如下：

图2为典型汽轮发电机的转子过励限制与保护动作曲线整定示意图。如图所示，当电机转子绕组过载时，系统应满足励磁限制先动，保护后动的逻辑，动作时间应满足级差要求[11]。

图2 转子过励限制与保护动作曲线

3 过励限制控制策略

3.1 过励限制电流调节特性

转子过励限制是在励磁系统提供强励的同时，为防止电机转子绕组长时间过热造成磁极烧损而设计。图3给出了电机转子过励限制的控制策略流程图。

图3 转子过励限制控制策略

过励限制动作时，一般可认为系统受到大的扰动，等效为进行大电流阶跃试验。对励磁系统控制模型和调节参数提出了较高要求，励磁调节速度需足够快以防转子过负荷保护误动作，同时须避免转子载流下降太快引起系统振荡。

（1）IÎ[1.05p.u.，I]时，满足：

（2）IÎ[I，1.05p.u.]时，满足：

3.2 仿真验证

在全数字实时仿真技术（RTDS）平台上进行转子过励限制试验予以验证。

试验过程如下：

（1）电机负荷稳定，校核其电气参数，励磁电流为0.94p.u.，机端电压为1.0p.u.；

（2）根据实际情况临时设置过励限制器参数如下：Ilimhot=1.05p.u.，lim=30，I=0.9p.u.；

（3）进行20%机端电压上阶跃试验，观察转子电流变化情况。

图4 转子过励限制电流调节特性

仿真结果表明，系统在过励限制动作后，转子载流由初始值下降到1.05p.u.的动态调节时间小于0.5s，满足机组运行中，转子过励限制动作而转子过负荷保护拒误动的快速性要求，同时，增强了励磁系统稳定性。

4 顶值电流限制控制策略

4.1 顶值电流限制器电流调节特性

转子顶值电流限制器是为防止电机转子绕组过磁通引起磁极严重磁化损坏而设计。为了能将励磁电流快速而稳定地控制在要求范围之内，在设计顶值电流限制器功能时，采用如下策略：

图5 顶值电流限制控制策略

4.2 仿真验证

试验过程如下：

（1）电机负荷稳定，励磁电流为0.952p.u.，机端电压为1.0p.u.；

（2）根据实际情况临时设置励磁调节器参数如下：I=2.0p.u.，Ilim=1.86p.u.；

（3）进行20%机端电压上阶跃试验验证顶值电流限制动态特性。

图6 顶值电流限制器电流调节特性

5 过励限制与顶值电流限制配合

5.1 过励限制与顶值电流限制定值配合

转子过励限制与顶值电流限制都是以保护电机转子绕组为目的，但是两者的保护机理、动作特性和控制结果不同，这就要求两者配合运行，尤其是切换过程中转子电流不能出现大的扰动。

5.2 仿真验证

试验过程如下：

（1）电机负荷稳定，校核其电气参数，励磁电流为0.952p.u.，机端电压为1.0p.u.；

（2）根据实际情况临时设置过励限制器和顶值电流限制器参数如下：

Ilimhot=1.05p.u.，I=0.9p.u.，lim=30，I=2.0p.u.，Ilim=1.86p.u.；

（3）进行20%机端电压上阶跃试验，观察顶值电流限制与转子过励限制的配合情况。

图7 转子过励限制与顶值电流限制配合

仿真表明，过励限制动作后，转子载流从1.86p.u.下降到1.05p.u.的过渡时间约为0.4s，满足图2转子过励限制与过负荷保护时间差裕度的要求。同时，在整个调节过程中，顶值电流限制可靠动作，无电压闭环与电流闭环非正常往复互切现象。转子过励限制动作后，转子载流平稳快速调节，满足保护拒误动和避免系统振荡的双重要求。

6 结语

本文对电机转子温升特性进行了研究，在此基础上提出了转子过励限制和顶值电流限制控制策略，探讨了顶值电流限制与过励限制的定值配合方式，并进行仿真研究其暂态电流调节特性，验证了转子过励限制及顶值电流限制控制策略的正确性及有效性，对指导发电厂转子励磁与保护参数整定工作，增强电网电源稳定性具有重要意义。

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[7] GBT 7894-2009 水轮电机基本技术条件[S]. 北京: 中国标准出版社, 2010.

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Study of the Control Strategy of Rotor Over-excitation Limit and Over-current Protection Applied to Large and Medium Generator

YU Zhen, SHAO Yixiang, HUANG Zhi, ZHANG Yin, WANG Xiao

(NARI Technology Co., Ltd., Nanjing 211106, China)

Recently, with the increasing growth of electricity load, the proportion of large and medium generator in power system is growing in our country. The study of rotor over-excitation limit and over-current protection applied to large and medium generator is restricted to setting over-current-curve value. Yet, whether the value is reasonable or not, the rotor thermal properties in the adjusting process is seldom mentioned, bringing certain hidden risks to the large and medium generator. The excitation system is usually equipped with maximum current limit, while the control strategy and its coordination with over-excitation limit and over-current protection have not been researched. In this paper, the relationship between rotor power-loss and rotor thermal properties is discussed, and on this basis, the approved control strategy and effective cooperation of over-excitation limit, maximum current limit and over-current protection is proposed, which can be used to guiding parameter settings during actual production, improving reliability and safety of electrical systems.

large and medium generator; rotor thermal properties; over-excitation limit; maximum current limit; over-current protection

TM301.2

A

1000-3983(2018)01-0048-05

2017-08-10

余振（1983-），2015年6月毕业于河海大学电气工程专业，硕士学位，现从事发电机励磁相关技术的研究，高级工程师。