2013第十四届全国保护和控制学术研讨会
发电机静止励磁系统故障快速保护研究
娄玲娇1，尹项根1，王育学2，鲁功强2
（1. 华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北省武汉市 430074； 2. 华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室，湖北省武汉市 430074）
摘要：励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其安全对发电机的正常运行至关重要。本文结合对某大型电厂机组励磁系统事故案例的分析，指出目前发电机保护配置方案无法对发电机静止励磁系统整流主回路故障进行快速保护。为此，本文提出一种发电机静止励磁系统的快速保护方案，并在仿真分析的基础上给出了该保护的整定方法和安装位置。该保护方案能够快速反应励磁系统故障，避免造成励磁系统的损坏，且实施简单，易于推广应用。
关键词：发电机; 静止励磁系统; 励磁变过流; 快速保护; 整流回路
0 引言
发电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其主要任务是根据发电机运行状态，向发电机的励磁绕组提供一个可调节的直流励磁电流，以满足发电机各种运行方式的需要。静止自并励励磁方式具有接线简单、主机轴系短、造价低、运行维护方便、反应速度快等特点，在大型发电机组中被广泛采用。励磁系统一旦发生故障，如果不能及时切除，则不仅会导致励磁系统烧毁，而且会对电网产生恶劣影响。
从设备组成来看，静止励磁系统包括励磁变压器、励磁装置和发电机励磁绕组3部分。而文献[1]-[2]表明励磁系统的故障除了励磁变的短路故障以及励磁绕组的接地及过负荷故障之外，励磁装置的也有多种类型的故障形式，既包括因过电压或电压（流）上升率过大而引起的整流器件损坏，也包括因器件失效、主回路断臂、滑环短路、触发脉冲丢失而引起的整流主回路异常运行。
长期以来，励磁系统的保护研究主要集中在励磁变压器和励磁绕组两个环节，对于可能出现的整流主回路故障缺乏快速有效的保护措施[3]-[7]。缺乏快速保护措施的整流主回路发生故障时，可能因故障切除不及时，造成事故的扩大。而大型机组滑环极易因长期工作受到污
1
染，如果污染清除不及时，滑环短路故障时有发生。近年来，国内连续发生了几起因滑环短路导致整流回路较长时间持续较大电流而引发励磁功率柜烧毁的事故，事故损失严重，对机组和电网的运行安全造成巨大的影响。因此，需引起重视并采取必要的措施，对此类故障进行快速保护。
本文在分析发电机静止励磁系统的组成及其保护配置的基础上，结合国内某大型水电厂一起机组励磁系统滑环短路事故案例，指出目前发电机保护配置方案无法对发电机静止励磁系统故障进行快速保护。为此，文中提出一种发电机静止励磁系统的快速保护方案，并通过仿真分析研究了该保护方案的整定方法及安装位置。该方案基于过流保护原理，简单易行，在现有硬件条件下无需增加额外成本，易于推广应用。
1 静止励磁系统的组成及其保护配置
发电机静止励磁系统主要由励磁变、可控硅整流桥、自动励磁调节器、励磁绕组及各设备间连接装置等组成。系统接线图如图1所示。图中：KZ 为可控硅整流装置；LB 为机端励磁变压器；FLQ 为发电机励磁绕组；H 为滑环；TA 为电流互感；TV 为电压互感器。
发电机静止励磁系统故障快速保护研究 娄玲娇 等
图1 发电机静止励磁系统接线图 Fig.1 Schematic diagram of generator static
excitation system
目前，发电机励磁系统的保护主要有励磁变差动保护，励磁变过流保护、励磁绕组过负荷保护、转子接地保护等。
励磁变差动保护是励磁变的主保护，只能反应励磁变本身及其引线的相间故障，而无法反应整流主回路的故障。
励磁变过流保护作为励磁变的后备保护，一般装设在励磁变高压侧，配备两段过流段：I 段为速断段，为保证选择性其定值按保护范围不伸出变压器低压侧的原则整定；II 段为带延时段，为保证灵敏度，其定值只需躲过发电机最大强励电流，因此同时也可兼顾整流主回路的故障，但其延时必须躲过强励暂态过程，一般取0.5~1.0s。
励磁绕组过负荷保护反应励磁绕组的平均发热状况，一般采用反时限动作判据，根据发电机转子承受过负荷的能力曲线进行整定。由于一般装设在励磁变高压侧或低压侧，因此可反应整流主回路的故障，其延时一般较长。
转子接地保护保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降，通过测量转子的对地电阻值判断转子的接地情况，对整流主回路短路故障无法起到保护作用。
根据以上分析，在目前发电机保护配置下，励磁主回路一旦发生故障只能由励磁变过流保护II 段或励磁绕组过负荷保护切除，而这两个保护动作时间均比较长，可能造成励磁设备烧毁，从而扩大事故后果。
2 发电机励磁系统事故案例分析
2012年7月3日，国内某大型水电厂一台机组励磁系统发生滑环短路，因故障切除不及时造成可控硅被烧坏，滑环室元件损坏。事故
机组的励磁变高压侧电流录波图如图2所示。
图2 事故机组励磁变高压侧电流录波图 Fig.2 Recorded diagram of the currents in the high voltage side of excitation transformer for faulty
generator-transformer unit
1) 事故机组基本参数 该机组基本参数如下：
发电机：额定电压为20kV ，额定容量为777.8MV A ，励磁变高压侧变比300/1，励磁变低压侧变比5000/1；
励磁变：额定容量8.775MV A ，变比20kV/1245V，短路阻抗U k =8%；
转子绕组：电阻0.103Ω，电感1.2H ，额定励磁电流4158A ，额定励磁电压475.9V 。
以发电机额定容量及额定电压为基准，励磁变压器电抗标幺值为，
2X ∗
=8%×20Tn
3×2.925×777.8
202
=7.091 (1)
励磁变高压侧额定电流：
=I Tn . h
0.633A (2) 额定励磁电流变换至交流侧的有效值
=I fa . n 0.816=I fd . n 3393A (3)
上式中，S Tn 为励磁变额定容量，U Tn.h 、I Tn.h 、
n TA.h 分别为励磁变高压侧额定电压、额定电流、电流互感的变比，I fd.n 为发电机额定励磁电流，I fa.n 为额定励磁电流变换至交流侧的有效值。
2）事故机组励磁系统保护配置及定值 事故机组励磁系统配置励磁变差动保护、励磁变过流保护、转子一点接地保护和励磁绕组过负荷保护。其中励磁变过流保护配置两段，整定方案如下。
励磁变过流I 段：
为速断保护，故按躲过励磁变低压侧三相
2
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短路电流整定。考虑1.25倍可靠系数，动作电流为， I 1
op . I =1.25×
7.091
×22453/400/1=9.90A (4)延时为0.00s 。
励磁变过流II 段：
按躲过强励整定（强励顶值电流为8690A ），
I 1.21.245
op . II =0.95×0.816×8690×20
/400=1.39A
(5)延时整定为0.50s 。
该机组励磁变过流保护的整定值清单如表
1所示。
表1 事故机组配置的励磁变过流保护整定值清单 Table 1 Setting value lists of over current protection for excitation transformer of the faulty
generator-transformer unit 整定项 过流I 段 过流I 段 过流II 段 过流II 段 定值 延时 定值 延时 整定值
9.90A
0.00s
1.39A
0.50s
3) 事故原因分析
从故障录波图2可知，滑环短路后，励磁变高压侧电流二次值达到6.7A ，故障0.5s 后励磁变过流保护动作。根据该厂的保护配置和整定情况，其中过流保护I 段整定为9.9A ，II 整定为1.39A ，所以故障只能由过流II 段切除，但由于0.5s 延时较长，最终因大电流长时间持续造成滑环室损坏，造成损失。从上面的定值分析可知，过流I 段动作定值为9.9/0.633=15.6I Tn.h (I Tn.h 为励磁变高压侧额定电流) ，II 段动作定值为1.39/0.633=2.2I Tn.h ，两段动作定值差别为15.6I Tn /2.2I Tn.h =7.09倍。因此高压侧电流在2.2~15.6ITn 范围内的故障都由励磁变过流II 段延时切除，极易导致故障发展为严重故障。
3 发电机励磁系统快速保护方案
上述事故分析表明现有的静止励磁系统保护配置方案存在缺陷，励磁装置整流主回路缺
3
少快速的保护措施，而当前大型机组滑环极易因长期工作受到污染，如果污染清除不及时，滑环短路故障时有发生，因此发电机励磁系统保护需加以改进和完善。
如果将励磁变过流II 段的延时定值减小，励磁装置的损失可能会有所降低或避免，但由于励磁变过流II 段为保证灵敏度按照躲过强励电流整定，整定值较小，必须加较长延时以防止暂态过程等引起的误动，目前整定的0.5s 延时已经无法减小。为解决上述问题，可在原有两段励磁变过流保护的基础上增设一段过流保护（过流III 段），采用合适的电流定值及延时，实现励磁系统的快速保护。
下文将对所增设的过流保护的整定值级安装位置加以说明。
1）安装位置
增设此段保护主要是为了快速反映励磁主回路故障，若装设在励磁变高压侧，还需考虑磁变压器励磁涌流等因素可能引起的误动；而装设在励磁变低压侧，则无需考虑励磁变本身的影响，有利于提高保护速度。因此在条件许可的情况下建议装设在励磁变低压侧。
由于励磁变一般配备有励磁变差动保护，则励磁变高低压侧均装设有CT ，所以具备从低压侧CT 引出电流至保护装置的条件，该方案具有可行性。
2）电流定值
过流保护III 段应能够反应励磁主回路故障，为确定III 段电流定值，需分析滑环短路时交流侧故障电流大小。由于涉及交直流变换，理论计算困难，故在PSCAD 仿真软件中搭建发电机励磁系统模型，参数依据上述事故机组
[8]-[11]
。
在仿真模型中，可通过调节相控角α调节励磁系统的运行状态。当α=70.5o 时，发电机励磁系统运行于额定状态，此时，励磁电流I fd =4116A，励磁电压U fd =413V，励磁变低压侧电流I tl =3201A。设定50s （50s 后励磁系统处于稳定运行状态）励磁系统发生滑环短路，短路时励磁电流、励磁电压以及励磁变低压侧电流波形如图3所示。
发电机静止励磁系统故障快速保护研究 娄玲娇 等
流
电磁励时间/s
（a ）励磁电流
压
电磁励时间/s
（b ）励磁电压
流
电侧压低变磁励时间/s
（c ）励磁变低压侧电流
图3 滑环短路时励磁电流、励磁电压以及励磁变低压
侧电流波形
Fig.3 Waveforms of the excitation current, excitation voltage and currents in the low voltage side of the excitation transformer when slip ring is shorted
从图3可知，三相整流系统直流侧发生短路故障时，励磁电压及励磁电流均降低，励磁变低压侧电流增大。
通过调节相控角分析系统不同工况下励磁变低压侧电流的变化情况，当相控角取不同值时，发生滑环短路励磁变低压侧电流大小如表2所示（其中励磁变低压侧电流以I fa.n 为基准标幺化）。表中α=48.1o 对应滑环短路前发电机处于2倍强励状态，α=70.5o 对应滑环短路前发电机处于额定运行状态，α=79o 对应滑环短路前发电机励磁电流为额定空载电流。
表2 不同相控角时滑环短路励磁变低压侧电流 Table 2 Currents in the low voltage side of the excitation transformer with different firing angles
when slip ring is shorted 相控角α(o ) 48.1 60 70.5 79 励磁变低压
侧电流（kA ） 23.83 17.77 14.15 7.22 励磁变低压侧电流（p.u. ）
7.0
5.2
4.2
2.1
由以上仿真结果可知，滑环短路前相控角越大（即励磁电流越小），短路后励磁变低压侧
电流越小，额定运行状态下短路电流为3.6倍额定励磁电流。由于仿真中对实际系统做了简化近似，所以得出的短路电流值不一定能反映真实值，但对短路电流与相控角的相对关系可以较为真实的反映。根据录波图，滑环短路后
励磁变低压侧电流为6.4A(二次值) ，即11.3I fa.n 。由于事故电厂滑环短路前发电机处于额定运行状态，即相控角为70.5o 。则根据表2中关系推导出，空载励磁电流下滑环短路时励磁变低压侧电流标幺值为5.65，这也是滑环短路时励磁
变低压侧最小短路电流。
为尽量反映滑环短路故障，同时避免定值太低保护误动，新增的III 段保护定值取5倍额定励磁电流。
3）时间定值
增设此段保护的目的是防止保护动作太慢烧坏励磁设备，因此延时应尽可能小。但同时也需考虑因电流定值较小引起的误动，且需与励磁系统各个器件本身控制措施相配合，综合考虑时间定值取0.2s 。
4 结论
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，本文在对目前发电机励磁系统保护配置分析的基础上，指出现有保护配置方案无法对发电机静止励磁系统故障进行快速保护，并在仿真分析的基础上提出一种发电机静止励磁系统的快速保护方案，得出主要结论如下：
1）在目前发电机保护配置下，励磁主回路一旦发生故障只能由励磁变过流保护II 段经较
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长时间切除，可能造成励磁设备烧毁，从而扩大事故范围；
2）在现有两段励磁变过流保护的基础上增设一段过流保护，采用合适的电流定值及延时，可实现励磁系统故障的快速保护；
3）为快速反应励磁主回路故障，同时尽量降低误动风险，新增过流保护段可配备在励磁变低压侧，整定为5倍额定励磁电流，延时0.2s ；
4）该方案可在现有硬件条件下实施，无需增加额外成本，易于推广应用。
参考文献
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5
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作者简介
娄玲娇(1987—) ，女，硕士研究生，主要研究方向：电力系统继电保护与控制，发变组保护整定计算。E-mail ：[email protected]
尹项根(1954—) ，男，博士，教授，主要研究方向：电力系统继电保护，变电站自动化及安全稳定控制。E-mail ：[email protected]
王育学(1988—) ，男，博士研究生，研究方向：电力系统微机保护与控制、大型发电厂安全保护。E-mail ：[email protected]
发电机静止励磁系统故障快速保护研究 娄玲娇 等
Research on Fast Protection of the Failure of Generator Static Excitation System
LOU Lingjiao1, YIN Xianggen1, WANG Yuxue 2, LU Gongqiang2
(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong
University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;
2. Electric Power Security and High Efficiency Laboratory Huazhong University of
Science and Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract: Excitation system is an important component of synchronous generator and its security is essential for the normal operation of the generator. According to the analysis of excitation system accident cases occurred in a large power plant, this paper notes that the current protection schemes cannot react quickly for the main circuit fault of generator static excitation system. Therefore a fast protection scheme for generator static excitation system is put forward, and the protection setting methods and installation location are given on the basis of simulation. The protection scheme can quickly react the excitation system failure to avoid serious damage to the excitation system; also its principle is simple and can be easily applied.
Key words: generator; static excitation system; over-current of excitation transformer; fast protection; rectifier circuit
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2013第十四届全国保护和控制学术研讨会
发电机静止励磁系统故障快速保护研究
娄玲娇1，尹项根1，王育学2，鲁功强2
（1. 华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北省武汉市 430074； 2. 华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室，湖北省武汉市 430074）
摘要：励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其安全对发电机的正常运行至关重要。本文结合对某大型电厂机组励磁系统事故案例的分析，指出目前发电机保护配置方案无法对发电机静止励磁系统整流主回路故障进行快速保护。为此，本文提出一种发电机静止励磁系统的快速保护方案，并在仿真分析的基础上给出了该保护的整定方法和安装位置。该保护方案能够快速反应励磁系统故障，避免造成励磁系统的损坏，且实施简单，易于推广应用。
关键词：发电机; 静止励磁系统; 励磁变过流; 快速保护; 整流回路
0 引言
发电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其主要任务是根据发电机运行状态，向发电机的励磁绕组提供一个可调节的直流励磁电流，以满足发电机各种运行方式的需要。静止自并励励磁方式具有接线简单、主机轴系短、造价低、运行维护方便、反应速度快等特点，在大型发电机组中被广泛采用。励磁系统一旦发生故障，如果不能及时切除，则不仅会导致励磁系统烧毁，而且会对电网产生恶劣影响。
从设备组成来看，静止励磁系统包括励磁变压器、励磁装置和发电机励磁绕组3部分。而文献[1]-[2]表明励磁系统的故障除了励磁变的短路故障以及励磁绕组的接地及过负荷故障之外，励磁装置的也有多种类型的故障形式，既包括因过电压或电压（流）上升率过大而引起的整流器件损坏，也包括因器件失效、主回路断臂、滑环短路、触发脉冲丢失而引起的整流主回路异常运行。
长期以来，励磁系统的保护研究主要集中在励磁变压器和励磁绕组两个环节，对于可能出现的整流主回路故障缺乏快速有效的保护措施[3]-[7]。缺乏快速保护措施的整流主回路发生故障时，可能因故障切除不及时，造成事故的扩大。而大型机组滑环极易因长期工作受到污
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染，如果污染清除不及时，滑环短路故障时有发生。近年来，国内连续发生了几起因滑环短路导致整流回路较长时间持续较大电流而引发励磁功率柜烧毁的事故，事故损失严重，对机组和电网的运行安全造成巨大的影响。因此，需引起重视并采取必要的措施，对此类故障进行快速保护。
本文在分析发电机静止励磁系统的组成及其保护配置的基础上，结合国内某大型水电厂一起机组励磁系统滑环短路事故案例，指出目前发电机保护配置方案无法对发电机静止励磁系统故障进行快速保护。为此，文中提出一种发电机静止励磁系统的快速保护方案，并通过仿真分析研究了该保护方案的整定方法及安装位置。该方案基于过流保护原理，简单易行，在现有硬件条件下无需增加额外成本，易于推广应用。
1 静止励磁系统的组成及其保护配置
发电机静止励磁系统主要由励磁变、可控硅整流桥、自动励磁调节器、励磁绕组及各设备间连接装置等组成。系统接线图如图1所示。图中：KZ 为可控硅整流装置；LB 为机端励磁变压器；FLQ 为发电机励磁绕组；H 为滑环；TA 为电流互感；TV 为电压互感器。
发电机静止励磁系统故障快速保护研究 娄玲娇 等
图1 发电机静止励磁系统接线图 Fig.1 Schematic diagram of generator static
excitation system
目前，发电机励磁系统的保护主要有励磁变差动保护，励磁变过流保护、励磁绕组过负荷保护、转子接地保护等。
励磁变差动保护是励磁变的主保护，只能反应励磁变本身及其引线的相间故障，而无法反应整流主回路的故障。
励磁变过流保护作为励磁变的后备保护，一般装设在励磁变高压侧，配备两段过流段：I 段为速断段，为保证选择性其定值按保护范围不伸出变压器低压侧的原则整定；II 段为带延时段，为保证灵敏度，其定值只需躲过发电机最大强励电流，因此同时也可兼顾整流主回路的故障，但其延时必须躲过强励暂态过程，一般取0.5~1.0s。
励磁绕组过负荷保护反应励磁绕组的平均发热状况，一般采用反时限动作判据，根据发电机转子承受过负荷的能力曲线进行整定。由于一般装设在励磁变高压侧或低压侧，因此可反应整流主回路的故障，其延时一般较长。
转子接地保护保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降，通过测量转子的对地电阻值判断转子的接地情况，对整流主回路短路故障无法起到保护作用。
根据以上分析，在目前发电机保护配置下，励磁主回路一旦发生故障只能由励磁变过流保护II 段或励磁绕组过负荷保护切除，而这两个保护动作时间均比较长，可能造成励磁设备烧毁，从而扩大事故后果。
2 发电机励磁系统事故案例分析
2012年7月3日，国内某大型水电厂一台机组励磁系统发生滑环短路，因故障切除不及时造成可控硅被烧坏，滑环室元件损坏。事故
机组的励磁变高压侧电流录波图如图2所示。
图2 事故机组励磁变高压侧电流录波图 Fig.2 Recorded diagram of the currents in the high voltage side of excitation transformer for faulty
generator-transformer unit
1) 事故机组基本参数 该机组基本参数如下：
发电机：额定电压为20kV ，额定容量为777.8MV A ，励磁变高压侧变比300/1，励磁变低压侧变比5000/1；
励磁变：额定容量8.775MV A ，变比20kV/1245V，短路阻抗U k =8%；
转子绕组：电阻0.103Ω，电感1.2H ，额定励磁电流4158A ，额定励磁电压475.9V 。
以发电机额定容量及额定电压为基准，励磁变压器电抗标幺值为，
2X ∗
=8%×20Tn
3×2.925×777.8
202
=7.091 (1)
励磁变高压侧额定电流：
=I Tn . h
0.633A (2) 额定励磁电流变换至交流侧的有效值
=I fa . n 0.816=I fd . n 3393A (3)
上式中，S Tn 为励磁变额定容量，U Tn.h 、I Tn.h 、
n TA.h 分别为励磁变高压侧额定电压、额定电流、电流互感的变比，I fd.n 为发电机额定励磁电流，I fa.n 为额定励磁电流变换至交流侧的有效值。
2）事故机组励磁系统保护配置及定值 事故机组励磁系统配置励磁变差动保护、励磁变过流保护、转子一点接地保护和励磁绕组过负荷保护。其中励磁变过流保护配置两段，整定方案如下。
励磁变过流I 段：
为速断保护，故按躲过励磁变低压侧三相
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短路电流整定。考虑1.25倍可靠系数，动作电流为， I 1
op . I =1.25×
7.091
×22453/400/1=9.90A (4)延时为0.00s 。
励磁变过流II 段：
按躲过强励整定（强励顶值电流为8690A ），
I 1.21.245
op . II =0.95×0.816×8690×20
/400=1.39A
(5)延时整定为0.50s 。
该机组励磁变过流保护的整定值清单如表
1所示。
表1 事故机组配置的励磁变过流保护整定值清单 Table 1 Setting value lists of over current protection for excitation transformer of the faulty
generator-transformer unit 整定项 过流I 段 过流I 段 过流II 段 过流II 段 定值 延时 定值 延时 整定值
9.90A
0.00s
1.39A
0.50s
3) 事故原因分析
从故障录波图2可知，滑环短路后，励磁变高压侧电流二次值达到6.7A ，故障0.5s 后励磁变过流保护动作。根据该厂的保护配置和整定情况，其中过流保护I 段整定为9.9A ，II 整定为1.39A ，所以故障只能由过流II 段切除，但由于0.5s 延时较长，最终因大电流长时间持续造成滑环室损坏，造成损失。从上面的定值分析可知，过流I 段动作定值为9.9/0.633=15.6I Tn.h (I Tn.h 为励磁变高压侧额定电流) ，II 段动作定值为1.39/0.633=2.2I Tn.h ，两段动作定值差别为15.6I Tn /2.2I Tn.h =7.09倍。因此高压侧电流在2.2~15.6ITn 范围内的故障都由励磁变过流II 段延时切除，极易导致故障发展为严重故障。
3 发电机励磁系统快速保护方案
上述事故分析表明现有的静止励磁系统保护配置方案存在缺陷，励磁装置整流主回路缺
3
少快速的保护措施，而当前大型机组滑环极易因长期工作受到污染，如果污染清除不及时，滑环短路故障时有发生，因此发电机励磁系统保护需加以改进和完善。
如果将励磁变过流II 段的延时定值减小，励磁装置的损失可能会有所降低或避免，但由于励磁变过流II 段为保证灵敏度按照躲过强励电流整定，整定值较小，必须加较长延时以防止暂态过程等引起的误动，目前整定的0.5s 延时已经无法减小。为解决上述问题，可在原有两段励磁变过流保护的基础上增设一段过流保护（过流III 段），采用合适的电流定值及延时，实现励磁系统的快速保护。
下文将对所增设的过流保护的整定值级安装位置加以说明。
1）安装位置
增设此段保护主要是为了快速反映励磁主回路故障，若装设在励磁变高压侧，还需考虑磁变压器励磁涌流等因素可能引起的误动；而装设在励磁变低压侧，则无需考虑励磁变本身的影响，有利于提高保护速度。因此在条件许可的情况下建议装设在励磁变低压侧。
由于励磁变一般配备有励磁变差动保护，则励磁变高低压侧均装设有CT ，所以具备从低压侧CT 引出电流至保护装置的条件，该方案具有可行性。
2）电流定值
过流保护III 段应能够反应励磁主回路故障，为确定III 段电流定值，需分析滑环短路时交流侧故障电流大小。由于涉及交直流变换，理论计算困难，故在PSCAD 仿真软件中搭建发电机励磁系统模型，参数依据上述事故机组
[8]-[11]
。
在仿真模型中，可通过调节相控角α调节励磁系统的运行状态。当α=70.5o 时，发电机励磁系统运行于额定状态，此时，励磁电流I fd =4116A，励磁电压U fd =413V，励磁变低压侧电流I tl =3201A。设定50s （50s 后励磁系统处于稳定运行状态）励磁系统发生滑环短路，短路时励磁电流、励磁电压以及励磁变低压侧电流波形如图3所示。
发电机静止励磁系统故障快速保护研究 娄玲娇 等
流
电磁励时间/s
（a ）励磁电流
压
电磁励时间/s
（b ）励磁电压
流
电侧压低变磁励时间/s
（c ）励磁变低压侧电流
图3 滑环短路时励磁电流、励磁电压以及励磁变低压
侧电流波形
Fig.3 Waveforms of the excitation current, excitation voltage and currents in the low voltage side of the excitation transformer when slip ring is shorted
从图3可知，三相整流系统直流侧发生短路故障时，励磁电压及励磁电流均降低，励磁变低压侧电流增大。
通过调节相控角分析系统不同工况下励磁变低压侧电流的变化情况，当相控角取不同值时，发生滑环短路励磁变低压侧电流大小如表2所示（其中励磁变低压侧电流以I fa.n 为基准标幺化）。表中α=48.1o 对应滑环短路前发电机处于2倍强励状态，α=70.5o 对应滑环短路前发电机处于额定运行状态，α=79o 对应滑环短路前发电机励磁电流为额定空载电流。
表2 不同相控角时滑环短路励磁变低压侧电流 Table 2 Currents in the low voltage side of the excitation transformer with different firing angles
when slip ring is shorted 相控角α(o ) 48.1 60 70.5 79 励磁变低压
侧电流（kA ） 23.83 17.77 14.15 7.22 励磁变低压侧电流（p.u. ）
7.0
5.2
4.2
2.1
由以上仿真结果可知，滑环短路前相控角越大（即励磁电流越小），短路后励磁变低压侧
电流越小，额定运行状态下短路电流为3.6倍额定励磁电流。由于仿真中对实际系统做了简化近似，所以得出的短路电流值不一定能反映真实值，但对短路电流与相控角的相对关系可以较为真实的反映。根据录波图，滑环短路后
励磁变低压侧电流为6.4A(二次值) ，即11.3I fa.n 。由于事故电厂滑环短路前发电机处于额定运行状态，即相控角为70.5o 。则根据表2中关系推导出，空载励磁电流下滑环短路时励磁变低压侧电流标幺值为5.65，这也是滑环短路时励磁
变低压侧最小短路电流。
为尽量反映滑环短路故障，同时避免定值太低保护误动，新增的III 段保护定值取5倍额定励磁电流。
3）时间定值
增设此段保护的目的是防止保护动作太慢烧坏励磁设备，因此延时应尽可能小。但同时也需考虑因电流定值较小引起的误动，且需与励磁系统各个器件本身控制措施相配合，综合考虑时间定值取0.2s 。
4 结论
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，本文在对目前发电机励磁系统保护配置分析的基础上，指出现有保护配置方案无法对发电机静止励磁系统故障进行快速保护，并在仿真分析的基础上提出一种发电机静止励磁系统的快速保护方案，得出主要结论如下：
1）在目前发电机保护配置下，励磁主回路一旦发生故障只能由励磁变过流保护II 段经较
4
2013第十四届全国保护和控制学术研讨会
长时间切除，可能造成励磁设备烧毁，从而扩大事故范围；
2）在现有两段励磁变过流保护的基础上增设一段过流保护，采用合适的电流定值及延时，可实现励磁系统故障的快速保护；
3）为快速反应励磁主回路故障，同时尽量降低误动风险，新增过流保护段可配备在励磁变低压侧，整定为5倍额定励磁电流，延时0.2s ；
4）该方案可在现有硬件条件下实施，无需增加额外成本，易于推广应用。
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作者简介
娄玲娇(1987—) ，女，硕士研究生，主要研究方向：电力系统继电保护与控制，发变组保护整定计算。E-mail ：[email protected]
尹项根(1954—) ，男，博士，教授，主要研究方向：电力系统继电保护，变电站自动化及安全稳定控制。E-mail ：[email protected]
王育学(1988—) ，男，博士研究生，研究方向：电力系统微机保护与控制、大型发电厂安全保护。E-mail ：[email protected]
发电机静止励磁系统故障快速保护研究 娄玲娇 等
Research on Fast Protection of the Failure of Generator Static Excitation System
LOU Lingjiao1, YIN Xianggen1, WANG Yuxue 2, LU Gongqiang2
(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong
University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;
2. Electric Power Security and High Efficiency Laboratory Huazhong University of
Science and Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract: Excitation system is an important component of synchronous generator and its security is essential for the normal operation of the generator. According to the analysis of excitation system accident cases occurred in a large power plant, this paper notes that the current protection schemes cannot react quickly for the main circuit fault of generator static excitation system. Therefore a fast protection scheme for generator static excitation system is put forward, and the protection setting methods and installation location are given on the basis of simulation. The protection scheme can quickly react the excitation system failure to avoid serious damage to the excitation system; also its principle is simple and can be easily applied.
Key words: generator; static excitation system; over-current of excitation transformer; fast protection; rectifier circuit
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