自并勵發(fā)電機(jī)后備保護(hù)改進(jìn)方案

劉振武，魏建忠，高仕斌

（1.華電集團(tuán)白音華金山發(fā)電有限公司，西烏珠穆沁旗026200；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

在發(fā)電機(jī)的各種勵磁方式中，自并勵方式的電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，采用大容量的可控硅整流元件向勵磁繞組提供勵磁電流，由于整流元件采用了微機(jī)控制技術(shù)，電壓響應(yīng)速度快、滅磁或減勵磁快速，無旋轉(zhuǎn)部分，同時勵磁調(diào)節(jié)器具有系統(tǒng)穩(wěn)定器，可進(jìn)行自并勵勵磁和附加勵磁控制，很大程度上改善了電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能，如文獻(xiàn)[1]中指出勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)越小越有利于系統(tǒng)維持穩(wěn)定，加之其接線簡單，可靠性高，造價低等優(yōu)點。國外，某些公司甚至把這種方式列為大型機(jī)組的定型勵磁方式，美國、加拿大新建電站幾乎一律采用自并勵勵磁系統(tǒng)。國內(nèi)，近年來進(jìn)口的大中型機(jī)組大都裝備的是自并勵勵磁系統(tǒng)，對于600 MW 以上汽輪發(fā)電機(jī)組，自并勵勵磁已基本成為定型方式，部分電廠也完成了常規(guī)勵磁向自并勵勵磁系統(tǒng)的改造[2-4]。

600 MW 發(fā)電機(jī)作為火力發(fā)電廠的三大主機(jī)之一，它的安全穩(wěn)定運行對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定起到了決定性作用。原國家電力公司2000年9月28日頒布實施的《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》及2002年原國家電力公司以國電調(diào)[2002]138 號文印發(fā)的《“防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求”繼電保護(hù)實施細(xì)則》均對大型發(fā)電機(jī)組保護(hù)配置提出了要求，指出“確保大型發(fā)電機(jī)、變壓器的安全運行，重視大型發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)的配置和整定計算……”。但自并勵發(fā)電機(jī)，當(dāng)外部發(fā)生對稱或不對稱短路時，由于勵磁系統(tǒng)其特殊性，可能會導(dǎo)致勵磁電流和短路電流隨時間增長而衰減，過流保護(hù)不反應(yīng)故障而拒動，必須增設(shè)發(fā)電機(jī)和相鄰設(shè)備的后備保護(hù)，此保護(hù)是電力設(shè)備繼電保護(hù)的最后一道防線，其地位十分重要，討論此后備保護(hù)具有積極意義。

1 自并勵勵磁系統(tǒng)工作特性

自并勵勵磁系統(tǒng)具有高起始響應(yīng)特性，使用的發(fā)電機(jī)對系統(tǒng)負(fù)荷波動和故障響應(yīng)加快。文獻(xiàn)[5]以上海石洞口二廠600 MW 機(jī)組為例，詳細(xì)分析了自并勵勵磁系統(tǒng)在系統(tǒng)短路故障后的動態(tài)行為。圖1 所示為其工作外部特性曲線，正常運行時處于bc 段，負(fù)荷變化時，微機(jī)勵磁控制器可以自動調(diào)節(jié)勵磁電流而使機(jī)端電壓保持在Ufe附近，當(dāng)發(fā)生線路遠(yuǎn)端短路或同期并列使得機(jī)端電壓下降較多時，進(jìn)行強(qiáng)勵，工作在ab 段，強(qiáng)勵電流約為額定勵磁電流的2.0～2.5 倍。而發(fā)生線路近端短路或機(jī)端短路時，電壓下降過低，勵磁工作區(qū)進(jìn)入oa 段，該段特點是Uf越小，勵磁電流IL越小，IL進(jìn)一步降低導(dǎo)致Uf進(jìn)一步降低，最終使勵磁電流和短路電流一直衰減以至于為零，此時，如果保護(hù)配置不當(dāng)就可能導(dǎo)致保護(hù)拒動。

圖1 自并勵勵磁系統(tǒng)工作外部特性Fig.1 External features of self-shunt excitation system

2 自并勵發(fā)電機(jī)外部短路故障分析

2.1 短路電流計算

為使保護(hù)配置合理有效，首先需分析系統(tǒng)不同位置、不同故障類型下的短路電流分布及大小隨時間變化趨勢。文獻(xiàn)[6，7]分別介紹了基于空間矢量法數(shù)學(xué)模型的發(fā)電機(jī)三相短路暫態(tài)過程的計算方法和基于電源支路電流法的短路電流計算方法。

本文以600 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組為例，現(xiàn)選取發(fā)電機(jī)機(jī)端A 點、高廠變高壓側(cè)母線B 點、出線25 km 處C 點為分析對象，已知參數(shù)為：額定電壓Un為20 kV，額定容量Sn為667 MVA，功率因數(shù)cos ψ=0.9，Xd=2.27，瞬變電抗Xd′=0.267 1，超瞬態(tài)電抗Xd″=0.238，負(fù)序電抗Xf2=0.201 1，空載勵磁電壓（整流后）Ufd0為153 V，額定勵磁電壓（整流后）Ufdn為428 V，強(qiáng)勵時勵磁電壓為1 156 V，瞬態(tài)時間常數(shù)T′d0為8.724 s，超瞬態(tài)時間常數(shù)T″d0為0.045 s，勵磁變壓器額定電壓20/0.89 kV，主變高低壓側(cè)額定變比500/20 kV，主廠變電抗Xt為0.13，單回路出線25 km 處的線路電抗Xl=0.023 5，以上各電抗值均以667 MVA 為基準(zhǔn)容量下的標(biāo)幺值。

依據(jù)文獻(xiàn)[8]所推導(dǎo)的方法進(jìn)行計算，求解三相短路和兩相短路時的故障電流方程。其步驟如下。

（1）由于空載電控角和強(qiáng)勵電控角均未直接給出，故需根據(jù)三相全控整流直流電壓平均值方程反求空載電控角和強(qiáng)勵電控角。

設(shè)勵磁變壓器低壓側(cè)線電壓為Up-p，則可列三相全控整流直流電壓平均值方程為

式中，α 為三相全控整流控制角。

由式（1）可反求空載勵磁電控角α0和強(qiáng)勵勵磁電控角αk分別為

式中：Ufd0為空載時三相全控整流直流電壓平均值；Up-p為勵磁變壓器低壓側(cè)線電壓；Ufdk為強(qiáng)勵磁時三相全控整流直流電壓平均值；Up-p，k為強(qiáng)勵磁時勵磁變壓器低壓側(cè)線電壓。

（2）設(shè)短路點處的計算外接電抗為Xs，則臨界外接電抗為Xs，cr。

臨界外接電抗值為

式中，Cα=cos αk/cos α0

當(dāng)短路故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)機(jī)端時外接電抗等于零，即Xs=0。

（3）根據(jù)已求得的Xs、Xd、Xd′、Xd″，求短路電流超瞬態(tài)分量和瞬態(tài)分量：

1）三相短路故障時的超瞬態(tài)電流分量為

兩相短路故障時的超瞬態(tài)電流分量為

式中：x2Σ= 1/（xf2+ xs2），xf2為發(fā)電機(jī)負(fù)序電抗、xs2為外接負(fù)序電抗。

2）三相短路故障時瞬態(tài)電流分量為

兩相短路故障下瞬態(tài)電流分量為

（4）根據(jù)已知的T″d.0、T′d0、X″d、X′d、Xs，可求定子縱軸超瞬態(tài)時間常數(shù)T″d及自并勵系統(tǒng)勵磁回路的等效時間常數(shù)Td，k。

1）則定子縱軸在三相短路故障下的超瞬態(tài)時間常數(shù)為

于是我們得到：拋物線y=ax2+bx+c上有一點C(m，n)，直線l與拋物線交于A，B兩點，當(dāng)∠ACB=90°時，直線l經(jīng)過一定點

超瞬態(tài)時間常數(shù)在兩相短路故障下可計為

2）勵磁回路在三相短路故障下的等效時間常數(shù)為

勵磁回路在兩相短路故障下的等效時間常數(shù)為

則由以上推導(dǎo)可列出發(fā)生經(jīng)外接電抗短路時的短路電流方程為

三相短路時：

兩相短路時：

2.2 短路電流特性分析

對于15 MVA 容量以下的小機(jī)組，一般發(fā)電機(jī)的xd=2.0 左右，Cα一般取值為6～8，xs在A 點短路時取值為0，B 點時取值為變壓器短路阻抗，一般取值為0.10～0.15，所以對于小容量的并勵發(fā)電機(jī)在A點、B點及線路上的一定范圍內(nèi)仍滿足即同樣會出現(xiàn)三相短路電流衰減至零的現(xiàn)象。

將本實例參數(shù)帶入計算可知，在A、B、C 三點處三相短路時外接電抗均小于臨界電抗，故短路電流將衰減。

代入實際參數(shù)后，列出自并勵發(fā)電機(jī)系統(tǒng)各處短路電流方程為

由式（15）～式（20）可解出故障發(fā)生后不同短路故障下不同位置的短路電流。

由式（15）～式（20）繪制不同位置不同類型短路電流變化曲線如圖2 和圖3 所示。

圖2 不同位置發(fā)生三相短路時短路電流曲線Fig.2 Three-phase short-circuit curves in different locations

圖3 不同位置發(fā)生兩相短路時短路電流曲線Fig.3 Two-phase short-circuit curves in different locations

3 后備保護(hù)方案

3.1 現(xiàn)有保護(hù)問題分析

文獻(xiàn)[9]指出，大型發(fā)電機(jī)宜采用電流、電壓保護(hù)作為后備保護(hù)。從近年現(xiàn)場的情況來看，發(fā)電機(jī)阻抗保護(hù)已基本不用，而過流保護(hù)因其結(jié)構(gòu)簡單可靠，仍普遍配置，但不少在使用中拒動誤動的情況時有發(fā)生。如文獻(xiàn)[10]介紹了一次發(fā)電機(jī)記憶過流保護(hù)誤動跳母聯(lián)的案例，文獻(xiàn)[11]中提到2006年某電廠發(fā)電機(jī)后備保護(hù)拒動的案例。

傳統(tǒng)的低壓過流保護(hù)邏輯如圖4 所示。由文獻(xiàn)[12]可知，線路保護(hù)切除故障后，機(jī)端電壓恢復(fù)約為故障切除時間的二分之一，約為（1.0～1.5）s，低壓過流保護(hù)作為后備保護(hù)，需要與線路保護(hù)和發(fā)電機(jī)主保護(hù)配合，同時為躲過系統(tǒng)振蕩過程需要有一定延時，一般根據(jù)保護(hù)裝置廠家推薦，延時定值整定為（3～4）s。

圖4 傳統(tǒng)低壓過流保護(hù)方案Fig.4 Traditional low-voltage and over-current protection scheme

分析圖2、圖3 曲線及圖4 可知，在外接短路電抗小于臨界點抗的范圍內(nèi)，三相短路電流均為衰減，3 s 時均已衰減至額定電流以下，傳統(tǒng)過流保護(hù)的過流元件會在延時時段內(nèi)返回而導(dǎo)致保護(hù)拒動，故需重新配置。

再次分析圖2、圖3 曲線可知，在主變高壓母線和線路上發(fā)生兩相短路時短路電流均為上升，不會使過流保護(hù)返回，而兩相短路故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)機(jī)端時故障電流衰減極慢，3 s 時短路電流為額定電流的1.7 倍，過流保護(hù)亦可正確反應(yīng)故障。

當(dāng)C 點發(fā)生三相短路時，傳變到機(jī)端電壓標(biāo)幺值最高，Urmax= （xt+xl）/（xd″+xt+xl）=0.392，靈敏系數(shù)Ksen，U=0.6/0.392=1.53，仍滿足1.3 靈敏度要求。

一般地，為躲過系統(tǒng)振蕩過程并與相鄰保護(hù)配合，須設(shè)置（3～4）s 的延時，而這段延時內(nèi)如果主保護(hù)未動作，故障電流已衰減至后備保護(hù)的返回值以下，此時應(yīng)動作的后備保護(hù)會拒動。由上述分析可得，要保證三相短路時后備保護(hù)不因短路電流衰減而拒動，只需加設(shè)低壓記憶過流保護(hù)或低壓保持過流保護(hù)即可，而無需裝設(shè)復(fù)合電壓（負(fù)序電壓與低壓的組合）記憶過流保護(hù)。既節(jié)省投資又能簡化接線，提高保護(hù)的可靠性。

3.2 改進(jìn)方案

方案1 采用帶出口解鎖的低壓記憶電流保護(hù)，保護(hù)邏輯如圖5 所示。工作原理為：當(dāng)正常時電壓元件U 測得電壓大于整定值，輸出為1，低電平使能的傳輸門閉鎖，當(dāng)短路故障時電壓元件U測得電壓小于整定值，輸出為0，使低電平使能的傳輸門工作，同時過流元件啟動，與門輸出1 傳至或門OR1 輸出為1，啟動延時繼電器T1 的同時經(jīng)記憶回路傳回OR1，這樣即使在短路電流衰減使過流元件返回的情況下OR1 仍能輸出為1，使保護(hù)出口不拒動。

同時，加設(shè)延時繼電器T2，使保護(hù)出口后經(jīng)t2延時后使OR2 輸出為1，確保裝置自鎖解除。

圖5 帶出口解鎖的低壓記憶過流保護(hù)方案Fig.5 Scheme of low-voltage and memorized over-current protection with unlocked trip

方案2 采用帶低壓保持回路的過流保護(hù)，保護(hù)邏輯如圖6 所示，當(dāng)過流元件檢測到過流并啟動時，與門輸出為1，經(jīng)或門輸出1 并啟動延時繼電器，當(dāng)?shù)蛪涸雍?，與低壓元件相連的與門輸出也為1，此后，即使短路電流衰減致使過流元件返回，或門仍能輸出1，延時t1 后出口，保護(hù)不會拒動。

圖6 低壓保持過流保護(hù)方案Fig.6 Over-current protection scheme with maintained low-voltage

方案3 除電流保護(hù)外也可以采用阻抗保護(hù)，文獻(xiàn)[13]的分析也表明阻抗保護(hù)可作為發(fā)電機(jī)三相引線及相鄰線路和母線的后備保護(hù)。但由計算或圖2 可知，由于3 s 時短路電流已衰減至額定電流的20%，所以在A 點裝設(shè)I 段低阻抗繼電器做后備保護(hù)時，為躲過系統(tǒng)振蕩過程并與相鄰元件的后備保護(hù)配合，一般均有較長延時，如延時t=3 s。這種情況下，為保證可靠動作，裝置的精工電流應(yīng)小于額定電流的20%。

4 結(jié)論

（1）大型自并勵發(fā)電機(jī)在經(jīng)外部電抗短路時，故障電流變化趨勢與外接電抗相關(guān)，存在臨界電抗；三相短路和兩相短路故障電流變化趨勢不同，會影響傳統(tǒng)的低壓過流保護(hù)的正確動作。

（2）為保證自并勵發(fā)電機(jī)后備保護(hù)可靠動作，只需裝設(shè)低壓記憶過流保護(hù)或低壓保持過流保護(hù)即可保證靈敏動作，無需裝設(shè)復(fù)壓（負(fù)序電壓和低壓組合）記憶過流保護(hù)；如采用阻抗保護(hù)，則精工電流需要小于額定電流的20%。

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