盧嘉華，陳新琪，王珍女，吳跨宇，楊濤

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.浙江省浙能技術(shù)研究院，杭州311121；2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200063）

勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)工況下發(fā)電機(jī)保護(hù)邏輯優(yōu)化

盧嘉華1，陳新琪2，王珍女3，吳跨宇1，楊濤1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.浙江省浙能技術(shù)研究院，杭州311121；2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200063）

分析了現(xiàn)有發(fā)變組保護(hù)在勵(lì)磁系統(tǒng)負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)典型事故時(shí)的動(dòng)作行為，提出了保護(hù)邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。該方案充分利用現(xiàn)有保護(hù)裝置與勵(lì)磁系統(tǒng)之間的故障信息，優(yōu)化設(shè)計(jì)了誤強(qiáng)勵(lì)相關(guān)判據(jù)，并調(diào)整了現(xiàn)有保護(hù)動(dòng)作行為。采用該方案可避免發(fā)電機(jī)在負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)下先行解列而引發(fā)電壓飛升現(xiàn)象，有效緩解誤強(qiáng)勵(lì)等嚴(yán)重事故的危害程度，降低了大容量發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)特別是磁場(chǎng)斷路器在負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)等極端工況下的滅磁風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究表明，采用靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的大容量機(jī)組繼電保護(hù)裝置如能在機(jī)組發(fā)生負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)事故時(shí)先行滅磁，可以有效降低對(duì)磁場(chǎng)斷路器的弧壓要求，提高事故滅磁的可能性。

誤強(qiáng)勵(lì)；磁場(chǎng)斷路器；發(fā)變組保護(hù)；邏輯優(yōu)化；動(dòng)作行為

0 引言

近年來(lái)，隨著制造業(yè)技術(shù)水平的不斷提高和電網(wǎng)的日益發(fā)展壯大，大型發(fā)電機(jī)組所占比重越來(lái)越高，機(jī)組容量的增大使得部分關(guān)鍵一次設(shè)備的過載能力及安全裕度有所下降。例如目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)的要求是：汽輪機(jī)一般為1.8倍、水輪發(fā)電機(jī)組一般為2.0倍，且靜止勵(lì)磁系統(tǒng)需按照80%機(jī)端電壓核算[1，2]。上述要求給大容量靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定難度，尤其是在勵(lì)磁系統(tǒng)因內(nèi)部調(diào)節(jié)器故障出現(xiàn)誤強(qiáng)勵(lì)且基本控制功能失去的嚴(yán)重工況下，理論上的最大強(qiáng)勵(lì)電流將達(dá)到3～5倍額定勵(lì)磁電流，對(duì)應(yīng)的空載機(jī)端電壓達(dá)到1.4～1.5倍，大大超過了機(jī)組的設(shè)計(jì)允許運(yùn)行范圍[3-5]。因此如何提高各類事故下緊急滅磁的可靠性已經(jīng)成為近年來(lái)業(yè)界關(guān)注較多的熱點(diǎn)問題[6-11]。其中，文獻(xiàn)[6]希望通過降低過電壓保護(hù)定值實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[7-9]希望通過改變滅磁方式實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[10]則希望通過增加保護(hù)判據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。上述研究成果在提高事故滅磁可靠性的同時(shí)也存在一定的局限性：降低保護(hù)定值在某些情況下限制了發(fā)電機(jī)的短時(shí)過載能力；改變滅磁方式需要對(duì)現(xiàn)有勵(lì)磁系統(tǒng)一次回路作較大改動(dòng)，且采用交流側(cè)滅磁時(shí)的速度較慢；合理控制勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁動(dòng)作行為，則需要?jiǎng)?lì)磁調(diào)節(jié)器在機(jī)組解列后能夠正常運(yùn)行，不適用于勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部嚴(yán)重故障情況下的事故滅磁。

從理論上講，勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)自身處于嚴(yán)重失控的正反饋狀態(tài)，必須依靠勵(lì)磁控制裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)的故障檢測(cè)功能將其迅速甄別出來(lái)并加以抑制，否則會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子過流和定子過壓，直至相關(guān)電氣量過流或過壓（過激磁）保護(hù)動(dòng)作，因此在勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)控制邏輯中合理設(shè)定誤強(qiáng)勵(lì)識(shí)別判據(jù)十分重要。此外，在并網(wǎng)條件下，由于發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘目前大多通過發(fā)變組保護(hù)裝置的非電量保護(hù)統(tǒng)一出口，因此負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)的嚴(yán)重程度不僅與勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部故障檢測(cè)能力有關(guān)，而且與勵(lì)磁故障跳閘信號(hào)發(fā)出后發(fā)變組保護(hù)裝置的控制邏輯和動(dòng)作行為有關(guān)。

1 案例分析

1.1 事故概況

以下為國(guó)內(nèi)某電廠600 MW火電機(jī)組在并網(wǎng)帶70%負(fù)荷工況下的一次勵(lì)磁系統(tǒng)事故記錄：在并網(wǎng)工況下，機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）試驗(yàn)過程中控制軟件受干擾后程序混亂，勵(lì)磁系統(tǒng)失控引起誤強(qiáng)勵(lì)，勵(lì)磁電流達(dá)到并短時(shí)超過3倍額定轉(zhuǎn)子電流，之后在保護(hù)動(dòng)作停機(jī)過程中磁場(chǎng)斷路器未能有效分?jǐn)?、滅磁失敗造成事故擴(kuò)大。該起事故造成全套勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)備損壞并危及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員及發(fā)變組等重要一次設(shè)備的安全。

按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)能夠在最嚴(yán)重工況下情況（負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)+跳出口斷路器）下實(shí)現(xiàn)可靠滅磁，但這一要求在機(jī)組容量不斷增大的背景下給靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁裝置提出了更高要求，特別是磁場(chǎng)斷路器的開斷能力需經(jīng)受巨大考驗(yàn)。

圖1為該機(jī)組負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)最后時(shí)刻保護(hù)動(dòng)作時(shí)的故障錄波數(shù)據(jù)。在這次負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)事故中，勵(lì)磁系統(tǒng)故障聯(lián)跳信號(hào)（非電量保護(hù)）首先發(fā)信，發(fā)變組保護(hù)未經(jīng)延時(shí)立即作用于解列滅磁，后在滅磁過程中因滅磁開關(guān)不能及時(shí)熄弧造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大，引發(fā)勵(lì)磁變壓器（以下簡(jiǎn)稱勵(lì)磁變）過流保護(hù)動(dòng)作。

圖1 某電廠600 MW火電機(jī)組負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)故障錄波

1.2 事故原因分析

由圖1可知：由于之前誤強(qiáng)勵(lì)工況已持續(xù)一段時(shí)間，在自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)整流橋失控所引起的電壓正反饋?zhàn)饔孟拢Ｗo(hù)動(dòng)作時(shí)機(jī)端電壓已達(dá)到1.238 pu，勵(lì)磁電流上升至3.13 pu，因此根據(jù)碳化硅伏安特性曲線推算，滅磁電阻接入所需殘壓相比設(shè)計(jì)值（在2.0 pu額定勵(lì)磁電流工況下獲得）至少提高100 V以上。而且在保護(hù)動(dòng)作跳發(fā)電機(jī)出口斷路器的瞬間，機(jī)端電壓較解列前又升高約0.2 pu，達(dá)到1.51 pu，導(dǎo)致勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓同步上升，在晶閘管全開放工況時(shí)其輸出最大理論峰值電壓達(dá)到額定勵(lì)磁電壓的4.7倍左右。此時(shí)的勵(lì)磁電壓已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的最嚴(yán)重工況（文獻(xiàn)[12]中第6.8.4條對(duì)滅磁系統(tǒng)電壓能力的要求：在最嚴(yán)重的狀態(tài)下滅磁時(shí)，任何情況下滅磁時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓不應(yīng)超過轉(zhuǎn)子出廠工頻耐壓試驗(yàn)電壓幅值的60%，應(yīng)低于轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)動(dòng)作電壓）。

由于事故滅磁時(shí)磁場(chǎng)斷路器能夠正常熄弧的前提條件是分?jǐn)鄷r(shí)刻的開關(guān)弧壓必須大于整流橋輸出電壓與滅磁電阻殘壓之和[13，14]。

式中：UMK為磁場(chǎng)斷路器開斷弧壓，是滅磁系統(tǒng)的重要參數(shù)，與斷路器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與制造工藝有關(guān)；ULP為整流裝置輸出電壓，強(qiáng)勵(lì)時(shí)主要受陽(yáng)極電壓影響；UR為滅磁電阻殘壓，幅值等于滅磁電阻伏安特性曲線上與分?jǐn)鄷r(shí)刻的勵(lì)磁電流相對(duì)應(yīng)的電壓值。

此次事故中勵(lì)磁調(diào)節(jié)器失去電壓調(diào)節(jié)能力，滅磁時(shí)出現(xiàn)了高電壓、大電流同時(shí)存在的極端工況，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)斷路器的弧壓無(wú)法建立，并因滅磁失敗引發(fā)勵(lì)磁變低壓側(cè)短路事故。

此外，通過DCS（分散控制系統(tǒng)）數(shù)據(jù)記錄分析整個(gè)事故發(fā)展過程可以發(fā)現(xiàn)，勵(lì)磁電流從事件初期的2 774 A發(fā)展到13 000 A共持續(xù)了約4.2 s，直至勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出故障跳閘信號(hào)啟動(dòng)發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作出口，誤強(qiáng)勵(lì)期間未有任何發(fā)變組保護(hù)發(fā)信。上述情況表明，如果沒有該故障跳閘信號(hào)發(fā)出，僅依靠發(fā)變組內(nèi)部的過負(fù)荷類保護(hù)，則理論上整個(gè)誤強(qiáng)勵(lì)事件持續(xù)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，后果將更為嚴(yán)重。

因此滅磁過程中磁場(chǎng)斷路器未能有效分?jǐn)嗟脑虺伺c其設(shè)計(jì)弧壓開斷能力不足有關(guān)，也緣于勵(lì)磁內(nèi)部故障檢測(cè)功能不夠完善、故障信號(hào)發(fā)送不及時(shí)，并且機(jī)組與系統(tǒng)解列導(dǎo)致的機(jī)端電壓持續(xù)升高更進(jìn)一步增加了磁場(chǎng)斷路器動(dòng)作失敗的幾率。

2 現(xiàn)行發(fā)電機(jī)保護(hù)行為分析

誤強(qiáng)勵(lì)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁能力提出了非常高的要求，如不能可靠滅磁將會(huì)引發(fā)更為嚴(yán)重的連鎖事故。由于磁場(chǎng)斷路器選型范圍極為有限，因此采用靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的大容量發(fā)電機(jī)組有必要從提高滅磁可靠性的角度對(duì)當(dāng)前發(fā)變組保護(hù)的動(dòng)作行為進(jìn)行優(yōu)化，避免在勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)事故跳閘時(shí)機(jī)組工況進(jìn)一步惡化。

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作行為具體如表1所示[15]。其中，程序跳閘主要用于原動(dòng)機(jī)故障和定子繞組過負(fù)荷保護(hù)反時(shí)限部分等非短路性故障。程序跳閘動(dòng)作時(shí)首先關(guān)閉主汽門或?qū)~，隨后通過程控逆功率保護(hù)動(dòng)作于解列滅磁，這種跳閘方式優(yōu)先保證了機(jī)組不會(huì)因主汽門關(guān)閉不嚴(yán)發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子飛車等災(zāi)難性事故。勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁在上述保護(hù)動(dòng)作行為中未單獨(dú)設(shè)立相應(yīng)的程序控制方式，而是與解列設(shè)計(jì)在一起，即斷開發(fā)電機(jī)斷路器和滅磁一并執(zhí)行，基本上是同時(shí)出口。

目前，出現(xiàn)負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)故障時(shí)的發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作行為一般設(shè)計(jì)為解列滅磁或停機(jī)[16]（后者在解列滅磁時(shí)還同時(shí)執(zhí)行關(guān)主汽門、廠用電快切、啟動(dòng)失靈等其他動(dòng)作）。但在勵(lì)磁系統(tǒng)失控并且處于強(qiáng)勵(lì)工況下解列，將引發(fā)解列后的機(jī)端電壓飛升和過激磁現(xiàn)象，對(duì)一次設(shè)備的安全不利。為此，可在勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)不動(dòng)作于解列滅磁或停機(jī)，而采用新的程序跳閘方式，該程序跳閘方式可以在并網(wǎng)工況下先行滅磁（即將機(jī)組解列時(shí)間延后，此時(shí)機(jī)端電壓受系統(tǒng)電網(wǎng)牽制），切斷故障源頭；待滅磁效果顯現(xiàn)、勵(lì)磁電流及機(jī)端電壓下降到安全允許范圍內(nèi)之后再進(jìn)行解列操作。理論上新的程序跳閘方式可以有效降低對(duì)磁場(chǎng)斷路器的弧壓要求，提高事故滅磁可靠性，這對(duì)采用靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的大型發(fā)電機(jī)組尤為重要。

表1 主要發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作行為類型

3 保護(hù)邏輯優(yōu)化方案

保護(hù)邏輯優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)思路是在負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)工況下若發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)未發(fā)生短路故障，則應(yīng)充分利用機(jī)組的短時(shí)過負(fù)荷能力和并網(wǎng)潮流輸送能力，在勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘時(shí)采用新的程跳邏輯：先行滅磁，以降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和機(jī)端電壓水平，改變?cè)薪饬袦绱磐瑫r(shí)進(jìn)行的保護(hù)動(dòng)作行為，避免在誤強(qiáng)勵(lì)情況下先行解列所造成的機(jī)組工況加劇惡化。新增的程跳誤強(qiáng)勵(lì)保護(hù)邏輯如圖2所示，具體實(shí)施方案如下：

（1）在現(xiàn)有發(fā)變組保護(hù)邏輯中增加誤強(qiáng)勵(lì)啟動(dòng)判據(jù)，據(jù)此可判斷機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)是否處于電壓超高的異常工況且此時(shí)發(fā)電機(jī)未發(fā)生其他短路性故障。

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)狀態(tài)下誤強(qiáng)勵(lì)判據(jù)的具體邏輯描述為：判據(jù)a，未存在任何發(fā)變組短路故障保護(hù)啟動(dòng)發(fā)信；判據(jù)b，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓超過正常運(yùn)行范圍（大于1.05 pu，具體定值可與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部V/Hz限制啟動(dòng)定值保持一致），且零序及負(fù)序電壓無(wú)異常；判據(jù)c，勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘信號(hào)發(fā)信。

上述判據(jù)實(shí)際上是一個(gè)由開關(guān)量與模擬量組成的混合型邏輯判據(jù)。開關(guān)量判據(jù)由勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘信號(hào)和發(fā)變組保護(hù)內(nèi)部電氣量保護(hù)信號(hào)組成，表明當(dāng)前確存在無(wú)法挽回的勵(lì)磁故障且并未發(fā)生任何發(fā)變組內(nèi)部短路性故障；模擬量判據(jù)主要辨別機(jī)端電壓水平是否超出非正常運(yùn)行范圍。

（2）根據(jù)保護(hù)跳閘陣列設(shè)計(jì)新的程跳誤強(qiáng)勵(lì)保護(hù)動(dòng)作行為。

若3個(gè)判據(jù)同時(shí)滿足，則現(xiàn)有保護(hù)動(dòng)作行為由解列滅磁（或全停）改為先滅磁，在機(jī)端電壓恢復(fù)至安全范圍內(nèi)（小于1.10 pu）或在磁場(chǎng)斷路器分位位置信號(hào)動(dòng)作后延時(shí)解列；若判據(jù)a、判據(jù)b兩個(gè)判據(jù)中任一不具備，則當(dāng)判據(jù)c出現(xiàn)時(shí)維持原有解列滅磁（或全停）動(dòng)作行為不變。

（3）在硬件上對(duì)二次回路進(jìn)行改造。

在實(shí)施優(yōu)化方案時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器至勵(lì)磁系統(tǒng)及調(diào)速系統(tǒng)的并網(wǎng)信號(hào)均需經(jīng)發(fā)變組保護(hù)裝置內(nèi)部繼電器重動(dòng)，在誤強(qiáng)勵(lì)保護(hù)邏輯啟動(dòng)后需將并網(wǎng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)斷開（此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)及調(diào)速系統(tǒng)均會(huì)認(rèn)為機(jī)組已脫網(wǎng)），以確保誤強(qiáng)勵(lì)指令出口時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)均可以自行執(zhí)行相應(yīng)的滅磁及甩負(fù)荷邏輯。

4 仿真計(jì)算校核

為驗(yàn)證上述優(yōu)化方案效果，采用PSASP電力系統(tǒng)綜合穩(wěn)定仿真計(jì)算軟件用戶自定義模型進(jìn)行理論分析。一次接線采用單機(jī)無(wú)窮大方式（系統(tǒng)容量為10 GW），發(fā)電機(jī)變壓器組采用GE 9F型390 MW機(jī)組參數(shù)，AVR（電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)器）模型采用GE EX2100勵(lì)磁模型。仿真內(nèi)容為在機(jī)組帶額定負(fù)荷下第1 s發(fā)生誤強(qiáng)勵(lì)，0.7 s后達(dá)到發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)動(dòng)作值（1.3 pu），之后延時(shí)0.3 s同時(shí)進(jìn)行滅磁和關(guān)主汽門操作；發(fā)電機(jī)解列時(shí)延則是通過改變發(fā)電機(jī)出口斷路器分?jǐn)嗯c滅磁之間的時(shí)間間隔來(lái)調(diào)整。

圖3為通過PSASP軟件獲得的仿真計(jì)算結(jié)果。曲線1為誤強(qiáng)勵(lì)工況下解列滅磁在同一時(shí)刻進(jìn)行的定子電壓數(shù)據(jù)。因發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷，解列后電壓瞬時(shí)升高0.121 pu，與前文所述案例基本一致；曲線2為解列時(shí)間延時(shí)0.5 s所獲電壓數(shù)據(jù)，因滅磁及關(guān)主汽門時(shí)間相對(duì)提前，機(jī)端電壓?jiǎn)握{(diào)下降，解列時(shí)較峰值電壓有明顯下降，最大降幅接近50%；曲線3的解列時(shí)間較滅磁時(shí)間提前0.05 s，該方案模擬了現(xiàn)場(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)外部跳閘繼電器重動(dòng)及磁場(chǎng)斷路器存在一定動(dòng)作時(shí)延的情況，因此解列后受甩負(fù)荷和勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)雙重影響定子電壓繼續(xù)上升0.2 pu后才掉頭向下，這種情況對(duì)發(fā)電機(jī)最為不利；曲線4所獲機(jī)端電壓數(shù)據(jù)表明，在將解列時(shí)間延時(shí)縮短至0.1 s后，定子電壓在整個(gè)滅磁期間雖有反復(fù)，但均未超出滅磁初期的電壓值，因此該動(dòng)作方案既滿足了保護(hù)動(dòng)作初期對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為的選擇性要求，又滿足了對(duì)整個(gè)程控保護(hù)動(dòng)作過程的快速性要求，總體上相對(duì)最優(yōu)。

圖2 程跳誤強(qiáng)勵(lì)保護(hù)邏輯

圖3 負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)工況不同解列時(shí)延與電壓上升幅值比較

不同解列時(shí)延在滅磁期間的機(jī)端電壓變化情況如表2所示。

表2 不同解列時(shí)延發(fā)電機(jī)定子電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

相關(guān)仿真數(shù)據(jù)的分析表明：發(fā)電機(jī)解列與滅磁動(dòng)作時(shí)序如能合理配合，對(duì)于負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)工況下保護(hù)動(dòng)作時(shí)的發(fā)電機(jī)定子電壓飛升現(xiàn)象會(huì)有一定的抑制作用；反之，則將可能在解列后引起電壓持續(xù)攀升，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行工況的進(jìn)一步惡化，從而導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠滅磁。初步推算，在極端情況下保護(hù)動(dòng)作時(shí)如能改為在滅磁時(shí)延時(shí)0.1 s進(jìn)行解列操作，其作用等效于在空載誤強(qiáng)勵(lì)過程中將過電壓保護(hù)定值由1.3 s改為1.17 s，可以有效提高事故滅磁的可靠性（具體計(jì)算略）。

此外，還利用國(guó)產(chǎn)DDRTS數(shù)模仿真裝置及EXC9000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)上述計(jì)算進(jìn)行了數(shù)模仿真驗(yàn)證工作，也得到了類似結(jié)論。

5 優(yōu)化方案的特點(diǎn)及控制難點(diǎn)

大型靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)在負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)工況下可靠性下降，易發(fā)生磁場(chǎng)斷路器分?jǐn)嗍『蜏绱烹娮锜o(wú)法有效接入現(xiàn)象，此時(shí)如發(fā)生轉(zhuǎn)子開路并引發(fā)轉(zhuǎn)子側(cè)過電壓事故，將嚴(yán)重影響機(jī)組和人身安全。據(jù)某大型水電機(jī)組相關(guān)資料顯示，過電壓幅度最高可達(dá)幾萬(wàn)伏左右。

新的負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)保護(hù)動(dòng)作邏輯優(yōu)化方案具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）誤強(qiáng)勵(lì)判據(jù)由開關(guān)量與模擬量判據(jù)組成，且通過現(xiàn)有勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘信號(hào)作為總的信號(hào)入口，能夠有效辨識(shí)誤強(qiáng)勵(lì)工況，因此啟動(dòng)邏輯嚴(yán)密，發(fā)生誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)極小。

（2）先行滅磁后設(shè)計(jì)有機(jī)端電壓回落至安全范圍內(nèi)及磁場(chǎng)斷路器分位信號(hào)雙重判據(jù)延時(shí)啟動(dòng)解列，整個(gè)保護(hù)動(dòng)作過程出現(xiàn)程序異常中斷的概率較低。

（3）勵(lì)磁系統(tǒng)及調(diào)速器并網(wǎng)信號(hào)經(jīng)發(fā)變組保護(hù)重動(dòng)并在程跳誤強(qiáng)勵(lì)邏輯啟動(dòng)后自動(dòng)復(fù)歸，因此勵(lì)磁系統(tǒng)封脈沖滅磁及DEH（數(shù)字電液控制系統(tǒng)）調(diào)門預(yù)調(diào)等安全控制輔助功能不受并網(wǎng)信號(hào)影響。

（4）現(xiàn)有發(fā)變組保護(hù)中任一短路性保護(hù)發(fā)信事件均會(huì)閉鎖或終止該邏輯，新增邏輯對(duì)現(xiàn)有發(fā)變組保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)基本無(wú)影響。

上述發(fā)變組保護(hù)邏輯優(yōu)化方案理論上可有效避免機(jī)組工況由負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)直接演變?yōu)榭蛰d誤強(qiáng)勵(lì)，降低大型發(fā)電機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重勵(lì)磁失控故障時(shí)的滅磁難度和過電壓危害程度。不過需要指出的是，在并網(wǎng)條件下先行滅磁也存在以下控制難點(diǎn)：

（1）滅磁能容量有所增加。根據(jù)閉合回路磁鏈?zhǔn)睾愣?，由于定子電流未同時(shí)切斷，轉(zhuǎn)子電流在滅磁前期不會(huì)突然衰減，因此先行滅磁成功后如定子電流下降較慢，在滅磁電阻上消耗的能容量可能會(huì)較原設(shè)計(jì)值有所增加。

為此，在程跳誤強(qiáng)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作行為設(shè)計(jì)時(shí)甩負(fù)荷指令應(yīng)與滅磁指令同時(shí)出口，以便快速降低定子電流，以保證滅磁電阻吸收的能容量增加幅度基本可控。另外，事先制定相關(guān)運(yùn)行操作事故預(yù)案，一旦出現(xiàn)磁場(chǎng)斷路器動(dòng)作后位置信號(hào)無(wú)法及時(shí)發(fā)信等極端情況，可以及時(shí)進(jìn)行人工解列操作。在制定優(yōu)化方案時(shí)最好對(duì)現(xiàn)有滅磁系統(tǒng)能容量設(shè)計(jì)計(jì)算書重新進(jìn)行校核，當(dāng)滅磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)能容量不足時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加滅磁電阻配置數(shù)量。

（2）對(duì)廠用母線電壓的影響。發(fā)電機(jī)出口斷路器延時(shí)解列后，當(dāng)發(fā)生滅磁失敗及電壓下降緩慢等極端情況時(shí)，需要依靠發(fā)變組過激磁、發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)及程跳逆功率保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)解列。在此期間，由于誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)機(jī)端電壓超過正常范圍，廠用母線電壓始終處于偏高狀態(tài)，對(duì)廠用負(fù)荷的運(yùn)行安全不利。

為此，在進(jìn)行程跳誤強(qiáng)勵(lì)保護(hù)邏輯優(yōu)化時(shí)應(yīng)根據(jù)廠用重要負(fù)荷特別是變頻器的安全電壓運(yùn)行區(qū)間合理整定廠用電快切啟動(dòng)時(shí)延，并能與誤強(qiáng)勵(lì)邏輯中的設(shè)計(jì)解列時(shí)延相配合,一旦未及時(shí)解列則應(yīng)迅速啟動(dòng)廠用電快切（理論上快切指令最好能與滅磁指令同時(shí)出口），確保廠用負(fù)荷安全。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)已有事故案例的分析表明，并網(wǎng)條件下現(xiàn)有發(fā)變組保護(hù)與相關(guān)控制系統(tǒng)之間的配合方面存在進(jìn)一步優(yōu)化、協(xié)調(diào)的必要性和可能性。保護(hù)裝置如能充分利用相關(guān)信息準(zhǔn)確識(shí)別系統(tǒng)的非正常運(yùn)行狀態(tài)并在快速切除失控設(shè)備時(shí)選擇有針對(duì)性的動(dòng)作方式和動(dòng)作時(shí)序，可及時(shí)有效抑制并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部失控故障的事態(tài)發(fā)展，能夠在一定程度上彌補(bǔ)部分關(guān)鍵控制系統(tǒng)一次設(shè)備硬件制造工藝及性能指標(biāo)方面的“先天不足”，規(guī)避故障停機(jī)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

勵(lì)磁系統(tǒng)負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)工況下的發(fā)變組保護(hù)邏輯優(yōu)化方案在充分利用勵(lì)磁系統(tǒng)現(xiàn)有故障檢測(cè)與保護(hù)裝置之間信息交互功能的基礎(chǔ)上，提出了新的誤強(qiáng)勵(lì)判據(jù)和程跳誤強(qiáng)勵(lì)保護(hù)動(dòng)作行為，如能據(jù)此對(duì)現(xiàn)有發(fā)變組保護(hù)邏輯加以優(yōu)化，則可在負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)工況下更好地滿足繼電保護(hù)設(shè)計(jì)原則中關(guān)于可靠性、選擇性、靈敏性和快速性等動(dòng)作性能要求，延緩了現(xiàn)有發(fā)變組保護(hù)同時(shí)作用于解列滅磁造成電壓飛升現(xiàn)象，有效提高了大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)特別是靜止勵(lì)磁系統(tǒng)在負(fù)載誤強(qiáng)勵(lì)工況下可靠滅磁的安全裕度，降低誤強(qiáng)勵(lì)事故的危害程度。

[1]GB/T 7409.3-2007同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求[S].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

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（本文編輯：方明霞）

Protection Logic Optimization of Generator in Faulty Forced Excitation of Excitation System

LU Jiahua1，CHEN Xinqi2，WANG Zhennyu3，WU Kuayu1，YANG Tao1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Zhejiang Energy Group R&D Co.，Ltd.，Hangzhou 311121，China；3.East China Electric Power Design Institute Co.，Ltd.of China Power Engineering Consulting Group，Shanghai 200063，China）

This paper analyzes action behavior of the generator-transformer unit in the faulty forced excitation accident of excitation system and proposes an optimized logic design scheme.The scheme fully uses the fault information of the existing protection device and excitation system to optimally design the criterion of faulty forced excitation and adjust the existing protection action.The scheme can avoid voltage surge due to generator splitting in faulty forced excitation conditions to effectively mitigate severe accidents such as faulty forced excitation and reduce the deexcitation risk of large generator excitation system in faulty forced excitation conditions.The relevant research shows that deexcitation conducted by relay protection device of large generator with static excitation system in the case of faulty forced excitation conditions can reduce the arc voltage requirement on field breakers and increase the reliability of accident deexcitation.

faulty forced excitation；field breaker；generator-transformer protection；logic optimization；action behavior

10.19585/j.zjdl.201708004

1007-1881（2017）08-0018-06

TM621.7+1

B

2016-06-26

盧嘉華（1973），男，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁專業(yè)工作。