發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制的配合計(jì)算

陳京靜

（馬鞍山當(dāng)涂發(fā)電有限公司，安徽 馬鞍山243100）

1 引言

馬鞍山當(dāng)涂發(fā)電有限公司的2臺(tái)660MW發(fā)電機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠制造，發(fā)電機(jī)－變壓器組繼電保護(hù)裝置采用美國(guó)GE公司的發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)裝置（G60），具有阻抗式失磁保護(hù)，能夠在發(fā)電機(jī)失磁后及時(shí)動(dòng)作保護(hù)發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)不受失步運(yùn)行的危害。勵(lì)磁系統(tǒng)采用南瑞集團(tuán)電氣控制分公司NES5100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，具有低勵(lì)磁限制功能，能夠使得發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)不超過靜穩(wěn)邊界范圍。

正常情況下勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作于自動(dòng)方式，當(dāng)檢測(cè)到勵(lì)磁電壓Uf、勵(lì)磁電流If、定子電流ID符合低勵(lì)限制的條件時(shí)，低勵(lì)限制器開始動(dòng)作，增大勵(lì)磁電流，如無法將發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)拉回正常點(diǎn)，機(jī)組的進(jìn)相深度越來越深，則發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此，低磁勵(lì)限制與失磁保護(hù)之間就存在配合問題。

同時(shí)，DL＿T583－2006《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》4.4.1（d）（欠勵(lì)磁限制要與失磁保護(hù)配合，欠勵(lì)磁限制動(dòng)作應(yīng)先于失磁保護(hù)），要求驗(yàn)證低勵(lì)磁限制與失磁保護(hù)的整定關(guān)系是否正確。

無論是低勵(lì)限制或者失磁保護(hù)，其動(dòng)作整定值均是以靜態(tài)穩(wěn)定極限功率圓為條件確定的。但是在實(shí)際校核中，發(fā)現(xiàn)低勵(lì)限制是在（P－Q）平面進(jìn)行計(jì)算的，而阻抗型失磁保護(hù)是在（R－X）阻抗圓平面進(jìn)行分析的。為了驗(yàn)證兩者間的參數(shù)配合，必須將兩者歸算到同一平面上。

2 研究背景

2.1 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)簡(jiǎn)介

G60發(fā)電機(jī)管理繼電器失磁保護(hù)采用雙下拋圓特性 （帶延時(shí)，防止系統(tǒng)震蕩誤動(dòng)），反映不同負(fù)荷失磁時(shí)機(jī)端測(cè)量阻抗，如圖1所示。

采用機(jī)端或500kV母線低電壓構(gòu)成失磁第二個(gè)動(dòng)作條件。失磁后經(jīng)延時(shí)t0＝0.5s動(dòng)作于減出力，失磁后經(jīng)延時(shí)t3＝1.5s、機(jī)端低電壓動(dòng)作延時(shí)t2＝1.5s、500kV低電壓延時(shí)t1＝1s動(dòng)作于程序跳閘。失磁保護(hù)經(jīng)發(fā)電機(jī)PT斷線閉鎖。

圖1 G60發(fā)電機(jī)管理繼電器失磁保護(hù)示意圖

2.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介

NES5100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件構(gòu)架如圖2所示。

圖2 NES5100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件構(gòu)架

NES5100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件功能如圖3所示。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁不足反映在各個(gè)電氣參量中，主要表現(xiàn)為：勵(lì)磁電流低、進(jìn)相深度大（負(fù)無功功率大）和定子電流增大，為保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，將反映低勵(lì)磁的主要電氣量Uf、If、IL送入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，進(jìn)行判斷與調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)低勵(lì)限制。

圖3 NES5100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件功能

3 發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制和失磁保護(hù)的配合

3.1 發(fā)電機(jī)低勵(lì)的處理方法

（1）勵(lì)磁調(diào)節(jié)。正常情況下勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作于自動(dòng)方式，當(dāng)發(fā)電機(jī)低勵(lì)時(shí)，從系統(tǒng)吸收無功，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)差、定子電流增大、定子電壓降低、有功輸出下降，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器檢測(cè)到電氣量的變化符合低勵(lì)限制的條件時(shí)，低勵(lì)限制器開始動(dòng)作，增大勵(lì)磁電流，如無法將發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)拉回正常點(diǎn)。

（2）降低負(fù)荷。發(fā)電機(jī)失磁后，將有功負(fù)荷迅速降至額定值的40%～50%，有可能在低滑差狀態(tài)下運(yùn)行一段短時(shí)間（幾十分鐘），如果廠用電電壓偏低，則將廠用電切換至備用電源，迅速查找失磁原因并解決，從而將發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)拉回同步狀態(tài)。

（3）停機(jī)。隨著機(jī)組的進(jìn)相深度越來越深，轉(zhuǎn)子的阻尼繞組、轉(zhuǎn)子表面、轉(zhuǎn)子繞組中差頻電流越來越大，引起轉(zhuǎn)子嚴(yán)重過熱現(xiàn)象，危及轉(zhuǎn)子安全，其次，同步發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行時(shí)，在定子繞組中出現(xiàn)的脈動(dòng)電流，產(chǎn)生交變的機(jī)械力矩，使機(jī)組發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的安全，甚至可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓崩潰而瓦解，此時(shí)必須動(dòng)作于停機(jī)。

3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制的原理

在電網(wǎng)處于負(fù)荷低谷期，常規(guī)感性無功補(bǔ)償設(shè)備投入量不足而出現(xiàn)電壓偏高，或者由于系統(tǒng)擾動(dòng)或故障導(dǎo)致電壓突然升高時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)響應(yīng)降低勵(lì)磁。而發(fā)電機(jī)在低勵(lì)狀態(tài)下工作可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子端部鐵芯由于漏磁的增大發(fā)熱量會(huì)顯著增加，如果進(jìn)相較深，勵(lì)磁電流過小，可能達(dá)到靜穩(wěn)極限，增大了失磁保護(hù)誤動(dòng)的可能性，因此發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置低勵(lì)限制來保障機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的限制曲線，判斷實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)離低勵(lì)限制曲線的遠(yuǎn)近，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)越過低勵(lì)限制曲線，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器即自動(dòng)增加無功功率，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)回到安全運(yùn)行區(qū)域［2］。

3.3 失磁保護(hù)的原理

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路短路、勵(lì)磁機(jī)故障、滅磁開關(guān)誤跳閘或人為誤操作等原因都會(huì)造成發(fā)電機(jī)失磁故障，從而引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流及氣隙磁通按指數(shù)衰減，發(fā)電機(jī)電勢(shì)Ed也按指數(shù)減少，功角特性曲線逐漸降低，為了滿足發(fā)電機(jī)輸入——輸出功率平衡，發(fā)電機(jī)功角δ必須增大，當(dāng)功角增大至90°之后，功角的增大反而使得電磁功率減小，造成轉(zhuǎn)子加速運(yùn)行，很快功角達(dá)到180°，繼而轉(zhuǎn)入失步運(yùn)行，對(duì)電力系統(tǒng)、相鄰機(jī)組、失磁機(jī)組本身及廠用電系統(tǒng)均可能造成危害［3，4］。

《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中要求，600MW發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的整定應(yīng)由阻抗元件、母線低電壓元件、機(jī)端低電壓元件和閉鎖元件組成，當(dāng)阻抗元件及低電壓元件同時(shí)動(dòng)作，且閉鎖元件開放時(shí)，即判斷為發(fā)電機(jī)失磁。發(fā)電機(jī)失磁時(shí)機(jī)端低電壓元件必定動(dòng)作，經(jīng)延時(shí)t2作用于切換廠用電；若母線低電壓元件也動(dòng)作，則經(jīng)延時(shí)t1作用于切除發(fā)電機(jī)。其中，阻抗元件的整定一般按靜穩(wěn)邊界圓或異步邊界圓整定，如圖4所示。

圖4 阻抗元件特性示意

可以看出靜穩(wěn)邊界圓通過阻抗復(fù)平面上的（0，jXc）及 （0，－jXd）兩 點(diǎn)，其 圓 心 坐 標(biāo) 為 （0，－j，半徑為；異步邊界圓通過阻抗復(fù)平面上的（0，－jXd）及（0，－jXd＇）兩點(diǎn)，其圓心坐標(biāo)為，半徑為。其中，X為系統(tǒng)等c值阻抗（含主變電抗），Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗，Xd＇為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗，圓內(nèi)為阻抗元件的動(dòng)作區(qū)。當(dāng)機(jī)組與系統(tǒng)聯(lián)系緊密時(shí)，宜采用異步邊界圓整定，不緊密是采用靜穩(wěn)邊界圓整定。

3.4 將失磁保護(hù)曲線映射至P－Q平面

通過以上綜述，我們可以統(tǒng)一阻抗型失磁保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)圓方程為：

其中，X0為失磁保護(hù)阻抗圓的圓心；R0為失磁保護(hù)阻抗圓的半徑。

將R＝（Ucosφ）／I，X＝（Usinφ）／I帶入式（1）并化簡(jiǎn)得：

將sinφ＝Q／（UI），I2＝（P2＋Q2）／U2帶入式（2）得：

化簡(jiǎn)后得：

4 低磁勵(lì)限制與失磁保護(hù)的配合實(shí)例

本文以馬鞍山當(dāng)涂發(fā)電有限公司660MW機(jī)組發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制與失磁保護(hù)的整定值為例。

4.1 理論計(jì)算

發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定容量Sg：733.33MVA；額定功率Pg：660MW；機(jī)端電壓 Un：20kV；TA變比nTA：25000／5；TV變比nTV：20／0.1。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制曲線數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 低勵(lì)限制曲線數(shù)據(jù)

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作特性由兩個(gè)下偏圓組成，反映不同負(fù)荷失磁時(shí)機(jī)端測(cè)量阻抗；機(jī)端或500kV母線低電壓構(gòu)成失磁第二個(gè)動(dòng)作條件。失磁后經(jīng)延時(shí)t0動(dòng)作于減出力，失磁后經(jīng)延時(shí)t3、機(jī)端低電壓動(dòng)作延時(shí)t2、500kV低電壓延時(shí)t1動(dòng)作于程序跳閘。失磁保護(hù)經(jīng)發(fā)電機(jī)PT斷線閉鎖。阻抗圓曲線如圖5所示，其中，X1為阻抗元件1的圓心，R1為阻抗元件1的半徑，X2為阻抗元件2的圓心，R2為阻抗元件2的半徑，Zb為發(fā)電機(jī)的基準(zhǔn)阻抗，Xd＇為發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗，Xd為發(fā)電機(jī)的同步電抗。

圖5 失磁保護(hù)動(dòng)作特性示意

計(jì)算得異步圓1與Q軸交點(diǎn)為－250.5Mvar。異步圓2：

計(jì)算得異步圓2與Q軸交點(diǎn)為－577.02Mvar。

4.2 校核結(jié)論

將各曲線按相同比例畫在同一平面上，如圖6所示，由圖可知，在機(jī)端電壓最低允許值為0.95Un的情況下，所有失磁保護(hù)阻抗圓完全處在低勵(lì)限制線的下方，且有一定的裕度，低勵(lì)磁限制與失磁保護(hù)可以配合，整定關(guān)系滿足相關(guān)要求。

圖6 低勵(lì)限制曲線與失磁保護(hù)配合整定示意

5 結(jié)語

本文以勵(lì)磁系統(tǒng)的低勵(lì)限制與發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的原理為出發(fā)點(diǎn)，分析了這兩者之間協(xié)調(diào)配合的必要性，并提出將發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制曲線都?xì)w算到（P－Q）平面上進(jìn)行比較的方法。

阻抗圓1反映發(fā)電機(jī)負(fù)荷高于30%時(shí)的失磁情況，圓心1：X1＝－8.82Ω，半徑1：R1＝6.82；阻抗圓2反映發(fā)電機(jī)任何負(fù)荷時(shí)的失磁情況，圓心2：X2＝－19.03Ω，半徑2：R2＝17.02Ω。

取機(jī)端電壓為0.95Un，阻抗一次值＝阻抗二次值×nTA／nTV，將失磁保護(hù)阻抗圓按式（4）映射到P－Q平面，則有：

［1］劉偉良，荀吉輝，薛 瑋.發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與低勵(lì)限制的整定配合［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008（18）：77～80.

［2］滕逸鵬，席 斌，孫 偉，等.發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制與失磁保護(hù)定值整定配合研究［C］／／中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).全國(guó)第1屆電廠電氣企業(yè)技術(shù)交流研討會(huì)論文集［J］.北京：中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，2008.

［3］中國(guó)華電集團(tuán)公司電氣及熱控技術(shù)研究中心.電力主設(shè)備繼電保護(hù)的理論實(shí)踐及運(yùn)行案例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

［4］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［5］王 青，劉肇旭，孫華東，等.發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制功能的設(shè)置原則［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011（39）：1～6.

［6］DL＿T583－2006《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》.