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自并勵勵磁空載過電壓保護研究

文檔作者：向秋芳1 劉喜泉2 封孝松2 陳俊3 文檔來源： 1.海南核電有限公司 2. 溪洛渡水力發電廠 3.南京南瑞繼保電氣有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年05月30日
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上一篇： 350MW﹢汽輪發電機組保安電源調試實踐

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收稿日期：2015-04-24
作者簡介：向秋芳（1982-），女，工程師，從事電廠電儀設備采購管
理工作。
自并勵勵磁空載過電壓保護研究
向秋芳1，劉喜泉2，封孝松2，陳俊3
（1.海南核電有限公司，海南昌江572733；2. 溪洛渡水力發電廠，云南永善657300；
3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211100）
摘要：自并勵勵磁系統誤強勵使發電機電壓和轉子電流形成正反饋關系，當發電機過電壓保護按照1.3 g、0.3 s~
0.5 s 設定時，實際發電機跳閘時，定子電壓和轉子電流已上升至更高值，此時，跳閘滅磁時常出現滅磁失敗甚至燒毀
磁場斷路器。為此，本文提出在大型發電機繼電保護中增設發電機空載過電壓保護，可有效防止因勵磁系統誤強勵
導致勵磁、發電機等設備損壞。
關鍵詞：自并勵勵磁；誤強勵；空載過電壓保護
中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5387（2015）06-0011-04
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.004
第38 卷第6 期水電站機電技術Vol.38 No.6
2015 年06 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station Jun.2015
0 引言
隨著自并勵勵磁系統的廣泛應用，一種被稱為
“勵磁空載誤強勵”的故障類型越來越受到關注:勵
磁系統在發電機空載運行時失控，晶閘管控制角變
為最小，勵磁整流柜輸出最大電壓，發電機轉子電壓
誤強勵，轉子電流和發電機電壓持續上升，最終，引
起發電機定子過電壓或者過勵磁保護動作。
自并勵勵磁系統空載誤強勵失控，發電機定子
電壓和轉子電流成正反饋狀態，電壓上升引起電流
上升，電流上升又使得電壓上升。當發電機定子電壓
上升到空載特性飽和區域時，轉子電流和轉子磁能
大幅增加，此時，發電機過電壓或過勵磁保護動作跳
閘，滅磁開關將面臨著分斷轉子最大電流和滅磁電
阻吸收轉子最大磁能最危險工況。盡管滅磁設計考
慮了這種最危險工況，但是，大型發電機組的滅磁參
數太大，設備的安全冗余度往往不高，稍有差錯便會
滅磁失敗，造成磁場斷路器和滅磁電阻燒毀的嚴重
事故。
為了防止勵磁空載誤強勵及其滅磁失敗后果，
大型發電機勵磁系統采取一些容錯技術[1]，如封脈
沖的交流滅磁技術應用[2 ]，工程應用中加大滅磁電
阻容量，提高磁場斷路器弧壓，大型水電機組勵磁系
統甚至采用交流和直流雙磁場斷路器冗余滅磁方案[3]
等。盡管這些技術措施減少了勵磁空載誤強勵的發
生，但是無法徹底杜絕。于是，各種減少勵磁空載誤
強勵滅磁失敗的技術措施開始提出，比如利用“截
流”后的誤強勵轉子電流提前啟動繼電保護[4]、增設
專用過勵磁保護（V/Hz 或過電壓）[5]、降低發電機過
電壓保護啟動值和延時時間以及增設專用于防止空
載誤強勵的過電壓保護[6]）等。這些措施可歸納為一
點，即增設發電機空載過電壓保護。
1 自并勵勵磁空載過電壓特點與保護現狀
自并勵勵磁系統，是指晶閘管整流器的交流輸
入電源來自發電機本身。同步發電機定子電壓g 經
勵磁變壓器降壓為2，勵磁調節器在AVR（定子電
壓閉環）控制方式下，輸出控制角，使晶閘管整流
器將2 變為可調直流電源z，經磁場斷路器接入發
電機轉子回路，形成轉子電流f，其原理接線如圖1
所示。
圖1 自并勵勵磁系統原理圖
11
圖3 氧化性滅磁電阻滅磁主回路
圖2 某大型發電機空載特性曲線
表1 某大型發電機空載特性主要數據
表2 某600 MW 汽輪發電機空載誤強勵仿真數據
表中： gset：發電機過壓保護設定值； Dset：過壓保護動作延時
設定值；fmax：過壓保護實際跳閘勵磁電流值； gmax：過壓保護
實際機端電壓； ：滅磁能量Drel：過壓保護跳閘實際延時。
U g /pu 1 1.2 1.3 1.36 1.4
I f /pu 0.47 0.94 1.41 1.88 2.07
I f /A 1 789 3 578 5 367 7 156 7 872
Ugset
/pu
TDset
/s
Ifmax
/A
Ugmax
/pu
E
/MJ
T Drel
/s
1.3 0.5 6706 1.45 2.33 5.13
1.3 0.3 5582 1.39 1.87 4.81
1.2 0.5 5414 1.39 1.81 4.76
1.2 0.3 4236 1.33 1.37 4.39
自并勵勵磁系統正常運行時，不斷改變的晶閘
管控制角調節f 進而控制g，使整個控制系統
呈現負反饋的穩定狀態。自并勵失控故障時，如測控
回路故障、PID 計算出錯、同步電壓及觸發脈沖紊亂
等，f 隨g 改變而改變，使整個控制系統呈現正反
饋失穩狀態。若g 增大，f 也增大， g 更加增大，造
成勵磁誤強勵，直至發電機過壓保護動作解列，跳閘
滅磁。
自并勵勵磁系統誤強勵形成正反饋，很快使發
電機空載特性曲線進入飽和區域，此時，發電機電壓
g 上升慢，但空載轉子電流f0 上升很快。例如某
700 MW 大型水輪發電機空載特性曲線如圖2 所
示，其空載特性主要數據如表1 所示。
對于大型水輪機自并勵空載誤強勵過電壓來
說，盡管發電機過電壓保護整定值為1.3 倍，0.3 s。
但當發電機電壓上升到1.3 倍準備跳閘時，需繼電
保護延時0.3 s，再加上磁場斷路器動作時間0.1 s 左
右，在實際跳閘時，發電機電壓已經增到了1.4 倍，
勵磁電流則超過其額定值2 倍。某600 MW 汽輪發
電機組自并勵空載誤強勵滅磁仿真數據[6]如表2所
示，盡管發電機過電壓保護設定為1.3 倍0.5 s 動
作，但是發電機過電壓保護動作時，其實際電壓達到
了1.45 倍，轉子電流達到了6 706 A、轉子磁能2.33 MJ、
滅磁時間（ g → 0.2 gn）5.13 s，接近滅磁設備的極限
能力。
可見，自并勵勵磁空載誤強勵轉子電流增加過
快，滅磁裝置負擔大，時常發生滅磁失敗并燒毀滅磁
開關的嚴重設備事故。在現行繼電保護規程[7]及應用
中，如果不考慮勵磁空載誤強勵過電壓因素，現有整
定值是合理的，但對于自并勵勵磁引起空載誤強勵
產生定子過電壓考慮不足。
2 自并勵空載誤強勵滅磁失敗原因
自并勵勵磁系統跳閘滅磁，首先利用跨接器或
開關或二極管將滅磁電阻并入轉子兩端，然后跳開
磁場斷路器，利用磁場斷路器分斷瞬間產生的電弧
電壓，迫使轉子電流向滅磁電阻放電，最終由滅磁電
阻來消耗轉子磁能即滅磁。這種迫使轉子電流由磁
場斷路器轉向滅磁電阻的過程稱為“換流”，這種滅
磁方式稱為“放電滅磁”，此時，磁場斷路器僅是一個
分斷設備，而不是一個耗能設備，故不能稱為傳統意
義上的滅磁開關。如果磁場斷路器換流不成功，就會
在滅磁過程既要分斷轉子電流，又要消耗轉子磁能，
肯定會燒毀。
采用氧化性非線性電阻的典型放電滅磁主回路
如圖3 所示。正常運行時，磁場斷路器FCB 閉合，整
流器SCR 輸出電壓z 勵磁發電機轉子L.R。由于二
極管V 的隔離作用，氧化性滅磁電阻f 沒有電流流過。
當放電滅磁時，跳開FCB 必定會產生電弧，這
是由于轉子回路L.R 電感作用。又由于f 的非線性
特性，只有當外加電壓大于m 時才會有電流，即m
相當于f 的一個門檻電壓。由此可見，只有FCB 的
分斷電弧電壓k 與整流器輸出電壓z 代數和大于
m，f 才會流入f，滅磁換流才會成功，即放電滅磁
12 水 電 站 機 電 技 術 第38卷
淵下轉第32 頁冤
換流公式（1）為：
k- z≥ m （1）
自并勵誤強勵滅磁失敗大部分原因是不滿足放
電滅磁換流公式。下面以某個自并勵勵磁系統為例
進行說明，假設k 為=2 800 V， m=1 500 V，100 % g0
下的z=1 000 V；140 % g0 時z=1 400 V 。當勵磁誤
強勵造成不同的空載過電壓倍數時，滅磁換流結果
如表3 所示。其結果表明，在磁場斷路器弧壓和滅磁
電壓固定不變的情況下，勵磁誤強勵產生過電壓倍
數的大小，決定了放電滅磁換流成功與否。也就是說
勵磁誤強勵滅磁換流不成功是因為發電機空載過電
壓倍數太高。降低發電機空載過電壓倍數，也就防止
了勵磁誤強勵滅磁失敗，從而保護了勵磁設備安全。
事實上，除了氧化性電阻滅磁電壓固定不變外，
碳化硅和線性電阻的滅磁電壓是變化的，磁場斷路
器弧壓也是變化的。為此，勵磁標準規定放電滅磁換
流公式[7]：
kmax≥ zmax+ mmax
式中： kmax 指磁場斷路器的最大弧壓， mmax 指滅
磁電阻兩端最大的電壓， zmax 指晶閘管整流器輸出
最大電壓。
3 發電機空載過電壓保護實現與應用
當自并勵勵磁系統空載誤強勵，發電機電壓和
轉子電流成正反饋狀態，并很快進入發電機空載特
性飽和區。此時，發電機定子過電壓保護延時動作，
發電機定子電壓已升至1.4～1.5 倍額定值，轉子電
流將增至2 倍額定值以上，這樣不但增加了磁場斷
路器不合理負擔，而且也影響到發電機本體安全。事
實表明，由于在發電機極度過電壓事故條件下, 本應
立即切除故障滅磁, 卻因過電壓保護動作延時, 從而
有可能導致事故進一步擴大化。
如果通過降低發電機過電壓整定值來達到在發
電機空載過電壓時快速跳閘滅磁，考慮到大型發電
機端電壓和電力系統的影響，其整定值下降空間并
不大，通過長期運行經驗表明，現發電機過電壓整定
值是合適和安全的。鑒于此，為保證發電機空載過電
壓時能快速跳閘滅磁，對發電機空載過電壓保護提
出兩種優化方法。
方法一：發電機過電壓保護的電壓設一段動作
值（同原來不變），動作延時設二段（增加短延時段），
通過發電機出口斷路器位置判據控制，動作邏輯如
圖4 所示。考慮到過電壓保護的可靠性，建議空載過
電壓動作延時整定為0.1～0.15 s。
方法二：發電機過電壓保護的電壓和動作延時
均設二段，通過發電機并網信號位置判據控制，動作
邏輯如圖5 所示。考慮勵磁技術規程規定：發電機零
起升壓的超調量不能大于10 %，發電機甩額定無功
負荷時機端電壓應不大于甩前電壓的1.15 倍等諸
多因素，建議空載過電壓保護動作整定值取1.2 倍
額定值，延時0.2 s，待滿足條件時，發電機勵磁逆變
或跳閘，而在發電機負載狀態時，閉鎖該功能。且該
方法已在溪洛渡電站成功應用，并取得了良好運行
效果。
4 結語
大型水輪發電機過電壓保護，整定值為1.3 g、
表3 勵磁誤強勵時滅磁換流情況
Uk/V 2 800 2 800 2 800 2 800
Um/V 1 500 1 500 1 500 1 500
Ug0/% 100 120 130 140
Uz/V 1 000 1 200 1 300 1 400
Uk≥Um+Uz 滿足 滿足 臨界 不滿足
滅磁情況 成功 成功 臨界 失敗
圖4 發電機過電壓保護動作邏輯圖（方法一）
圖5 發電機過電壓保護動作邏輯圖（方案二）
第6 期 向秋芳，等：自并勵勵磁空載過電壓保護研究 13
0.3 s 時，作用于跳閘滅磁，如果不考慮勵磁空載誤
強勵因素，現有整定值是合理的，但動作延時有降低
的空間。
為了解決空載誤強勵下滅磁困難等難題，借助
發電機并網信號位置（輔助接點）判據實現發電機空
載過電壓保護在技術上是可行的，且已在溪洛渡電
站成功應用，也是最經濟的技術措施。
參考資料：
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[8]DL/T 294.1-2011 發電機滅磁及轉子過電壓保護裝置技術
條件[S].
淵上接第13 頁冤
軛的距離較近，判斷累積的雜質輕微放電是起因，多
處拉桿尾端與磁軛的距離過近放電拉弧是主要原因。
該型發電機相鄰磁極由極間支撐分開，支撐件
通過鴿尾形固定塊和兩根金屬螺桿固定磁極軟連接
接頭，鴿尾形固定塊與阻尼環軟連接間安裝拉桿，分
析發現這種結構存在固有缺陷，即拉桿在固定塊的
絕緣墊塊處屬凹陷死角，易積累鐵屑粉塵等雜質，造
成絕緣降低，且拉桿尾端與磁軛距離較近，安裝后無
法觀測間距。由此，三峽電站放大了這些部件的安裝
間距、清掃了凹陷死角，避免了類似故障再次發生。
（2）發現某機型轉子阻尼繞組軟連接結構缺陷
三峽電站某機型機組多次出現轉子一點接地動
作，檢查時均發現轉子磁極間有不明來源金屬絲，后
拆開機組上下擋風板檢查，發現磁極阻尼繞組軟連
接存在大范圍斷股及撕裂現象，而部分未損傷軟連
接片也有很嚴重的變形現象。
該型機組磁極阻尼環間有軟連接結構，軟連接
由鍍銀銅絲軟辮子多層疊加而成，端部通過銅板壓
接。檢查發現銅辮子結構松散，無安裝余量，連接銅
板有向磁極中部拉伸現象。軟連接損傷和連接銅板
的變形，說明阻尼環軟連接處受到了強大的電動力
作用，該力首先將軟連接向磁極中心拉，軟連接無法
變形后再作用于連接銅板，最后導致軟連接磨損甚
至斷裂，產生大量銅絲及粉末，形成橋接，造成發電
機短路、接地。有鑒于此，三峽電站對阻尼繞組軟連
接進行了改造，取消銅辮子式連接，更換成銅片式軟
連接并保留足夠安裝余量。
（3）改進某機型發電機推導軸承油霧吸收技術
三峽電站某機型機組轉子接地保護動作頻率比
其他機型高，打開發電機蓋板檢查發電機內部，發現
該型機組轉子內部積累油污較多，油污沾染大量灰
塵、金屬屑等，導致接地頻發，而油污來源于機組的
推導油槽產生的油霧。分析該機型推導油霧吸收結
構有固有缺陷，導致油霧過多、吸收效率低下，污染
發電機。為徹底解決該問題，三峽電站拆除原有的推
導油霧吸收裝置，包括油霧吸收裝置本體及管路、回
油箱及其相關管路等，更換了一整套復合油檔及油
霧凈化機，改善發電機的潔凈度。
3 結束語
在當今電力行業的發展趨勢下，特大容量機組
已在中國普遍投用，轉子接地保護對機組的安全穩
定運行有著重要的作用，三峽電站擁有32 臺700 MW
巨型水輪發電機組，在轉子接地保護的運用方面積
累了豐富的經驗，對行業內同仁有著較大的借鑒意
義。
參考文獻：
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機變壓器成套保護裝置技術使用說明書[Z].
[6]許繼WFB-823A 微機發電機轉子接地保護裝置技術及使
用說明書[Z].

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