发电机的励磁限制与保护的配合整定

发电机的励磁限制与保护的配合整定

§1发电机运行功率圆与限制

发电机运行功率圆又称“安全运行极限”或“P、Q图”，下面图1为ABB励磁厂家说明书的发电机功功率图，经常用到的三个限制：

1）转子发热限制；

2）定子发热限制；

3）低励限制。

图1 ABB励磁说明书中的发电机功功率图

实际发电机的运行功率极限图下图所示：

图2 某600MW 汽轮机组功率图

§转子发热限制

§同步发电机的相量图

同步发电机的电动势相量图如图3所示

图3 同步发电机的电动势相量图

I U E q

jIx q

δ

φ

对△oab 的每条边分别乘以U ／X q ，得功率三角形△OAB ，并以O 点为原点，引入直角坐标系，如图3所示。从图上可看出有以下关系成立：

图4 功率三角形

1) φ— OA 与纵轴的夹角即为功率因数角；

2）δ— 发电机功角； 3) 直角坐标系的第一象限是发电机的迟相(过励)运行区，第二象限是发电机的进相(欠励)运行区。

4) 发电机机端电压U 保持不变，X d 为发电机同步电抗为常数， BA 的长度正比于发电机电势，也正比于励磁电流I fn 。以B 点为圆心，以BA 为半径作圆弧，此圆弧即为转子发热极限曲线。对应图1中的“最大励磁电流限制器”。

运行分析：

汽轮发电机额定运行时，定子电流I 与励磁电流均为额定值，一般其额定功率因数cos φ为0．85—。此时，当欲调整发电机的运行参数，降低其功率因数(φ角增大)时，增发无功，励磁电流I 会增加，发电机的运行受到转子发热极限的限制。为了使转子不过热，则需降低定子电流，使发电机沿曲线AD 运行，定子绕组未得到充分利用。反之，欲提高其功率因数( 角减小)时，定子电流会超过额定值，发电机的运行受到定子发热极限的限制，即图1中的“欠励、过励侧定子电流限制器”，又称“定子发热限制”。

I

B

§ABB励磁系统最大励磁电流限制器原理

限制器有两个限制值：一个是强励顶值电流限制值，另一个是连续运行允许的过热限制值。与过热限制值关联的两个控制参数分别是转子等效加热时间和转子等效冷却时间。

限制器的参数和功能框图见图5。

图5 ABB励磁系统限制器的参数和功能框图

同步发电机正常运行过程中（无限制器动作），最大励磁电流限制器的限制值是强励顶值电流限制值Imax，即AVR 可以在必要时提供强励顶值电流。在系统故障需要强行励磁来排除故障时，如果励磁电流的实际值超出过热限制值，调节器就会起动一个剩余功率积分器，将电流偏差值Δi2（其中Δi=Ifield-Itherm）对时间积分，其结果正比于励磁绕组的加热能量。如果励磁电流持续高于过热限制值，那么积分器的输出∫Δi2dt=ΔE 将会增加。当积分器的输出值超过ΔEmax 时，最大励磁电流限制器的限制值将从Imax 降低到Itherm。上述工作由过热检测器完成。当励磁电流降到正常值Itherm 以下后，剩余功率积分器启动反向冷却积分，按冷却时间常数Tcooling 降低其输出。

§定子发热限制

§定子发热限制原理

UI即视在功率，其在纵轴上的投影即为发电机的有功功率P，在横轴上的投影即为发电机的无功功率Q；发电机维持为机端电压U不变，图3中的OA的长度也就正比于定子电流I，当发电机在额定工作状态时，以O点为圆心，以OA为半径作圆弧（实际上进行了修正）即图1中的“欠励、过励侧定子电流限制器”，此圆弧即为定子发热极限曲线。

运行分析：

第一象限的运行情况，为了使定子不过热，则需降低转子电流，使发电机沿曲线FCA 运行，转子绕组未得到充分利用。若只考虑发电机绕组发热的限制，发电机可沿曲线OA 为半径的圆弧运行，达到cosφ=1点，即与P轴相交点，此时发电机输出的有功功率会达到额定有功功率的1．176(1／0．85)倍。由于受到发电机的原动机(汽轮机)最大安全输出功率的限制，发电机实际只能沿直线修正后的圆弧运行，也就是说与与P轴相交点为

P max/U,一般小于P n/cosφn/U n。

第二象限的的运行情况。汽轮发电机在第二象限的运行状态是进相运行状态，从理论上讲发电机是可以进相运行的。但在实践中，由于励磁电流的降低，可能会导致发电机失去静稳，发电机端部发热增加，厂用电下降等，也就进入了图1中的“无功限制（P、Q限制）”，又称低励限制。

§ABB励磁系统定子电流限制器原理

该限制器用于防止发电机定子绕组过热，在过励和欠励侧均有效。其工作原理与最大励磁电流限制器的工作原理相似。主要差别在于定子电流限制器没有一个确切的最大定子电流限制值，当时间趋于零时，限制值理论上可趋于无限大（Imax=）。通过适当的参数整定，可以得到接近于定子绕组最大允许热能ΔEmax 的反时限特性。

图6 ABB 励磁系统定子电流限制器

定子电流限制器分欠励侧和过励测两部分，其限制量均为定子电流的平均值。当发电机过励时，欠励侧定子电流限制器截止，反之亦然。通过检测负载的功率因数，可保证定子电流限制器双方向（过励和欠励）动作的正确性。显然，定子电流限制器不能影响发电机的有功电流分量。如果发电机的有功电流分量高于定子电流限制器的限制值，为避免误动作，限制器会自动将发电机无功功率调整到零。

§ 低励限制

§1.3.1 汽轮发电机静稳功率圆图

以隐极发电机为例进行分析，其简化等值电路图为下图4：

图5 隐极发电机简化等值电路

根据图4，根据同步发电机电势向量图进行推导，得出发电机静稳极限方程：

22222112112⎥

⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+d s d s x x U x x U Q P （1）