勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制整定方法

李　博， 紀(jì)代智， 馬　欣， 胡文波， 汪潤南

(1. 華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司， 安徽　巢湖　238015；

2.安徽華電蕪湖發(fā)電有限公司， 安徽　蕪湖　241002)

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勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制整定方法

李博1， 紀(jì)代智1， 馬欣2， 胡文波1， 汪潤南1

(1. 華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司， 安徽巢湖238015；

2.安徽華電蕪湖發(fā)電有限公司， 安徽蕪湖241002)

摘要：為提高大型發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，在對勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，必須綜合考慮與發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱、靜穩(wěn)極限及發(fā)變組失磁保護(hù)的配合關(guān)系。文章提出在工程實(shí)際中如何正確整定低勵(lì)限制曲線，并以某廠勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制曲線整定示例，以期為同行提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行；低勵(lì)限制；失磁保護(hù)；整定計(jì)算

0引言

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是電力系統(tǒng)重要的組成部分，其作用是維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在給定值、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、保護(hù)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著勵(lì)磁控制技術(shù)的發(fā)展，其整體性能有了很大的進(jìn)步，具有了多項(xiàng)限制功能，其中一項(xiàng)重要的限制功能是低勵(lì)磁限制功能[1]，但在實(shí)際運(yùn)行中多次出現(xiàn)因勵(lì)磁控制系統(tǒng)低勵(lì)限制整定不當(dāng)導(dǎo)致的機(jī)組運(yùn)行異常甚至停運(yùn)[2]。

以往一些文獻(xiàn)[3-6]對勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制整定的探討或籠統(tǒng)的概括，或局限于某一角度。文章通過相關(guān)的分析提出一整套低勵(lì)限制整定方法，并通過轉(zhuǎn)換得出靜穩(wěn)極限圓與失磁保護(hù)靜穩(wěn)阻抗圓是完全一致的，在低勵(lì)限制整定時(shí)只要考慮與靜穩(wěn)極限圓之間的配合關(guān)系，而不必再考慮與失磁保護(hù)阻抗圓的配合。

1發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制、發(fā)電機(jī)P-Q運(yùn)行曲線之間的關(guān)系

勵(lì)磁電流在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的一部分作用是建立磁場，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，從系統(tǒng)中吸收一部分無功功率，用于建立發(fā)電機(jī)磁場，這時(shí)發(fā)電機(jī)自身發(fā)出的勵(lì)磁電流就會(huì)減小，但勵(lì)磁電流不能無限制地降低，最低勵(lì)磁電流受發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱和靜穩(wěn)極限兩個(gè)因素的制約。

1.1發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)端部發(fā)熱

發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱是由于定子繞組端部漏磁場增大引起，漏磁場以同步轉(zhuǎn)速對定子旋轉(zhuǎn)，其中一部分經(jīng)定子繞組、定子鐵心、氣隙及轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)構(gòu)成磁路，勵(lì)磁繞組漏磁場也要經(jīng)護(hù)環(huán)閉合，當(dāng)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)由于勵(lì)磁電流減小，勵(lì)磁繞組端部漏磁場減弱，于是護(hù)環(huán)的飽和程度下降，減小了漏磁場的磁路磁阻，使定子端部漏磁場增大，鐵耗加大，致使定子端部鐵芯嚴(yán)重發(fā)熱。對大型發(fā)電機(jī)而言，端部發(fā)熱可以通過增加端部漏磁路的磁阻、端部構(gòu)件采用非磁性材料等措施很好地加以限制[7]。發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱很難理論計(jì)算，工程中是通過發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)進(jìn)行考評。

1.2進(jìn)相試驗(yàn)與發(fā)電機(jī)P-Q運(yùn)行曲線之間的關(guān)系

圖1　發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)、低勵(lì)限制、發(fā)電機(jī)P-Q運(yùn)行曲線之間的關(guān)系

在發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)機(jī)端電壓不再是額定值，發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行的飽和狀態(tài)與制造廠理論計(jì)算不一致，因此發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)曲線與發(fā)電機(jī)運(yùn)行P-Q曲線之間相差很大。發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線只考慮發(fā)電機(jī)自身的限制，但在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，卻是由多個(gè)參數(shù)限制，如發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的功角、廠用母線電壓等，實(shí)際并網(wǎng)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力通過發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)獲取。發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)監(jiān)視參數(shù)最高到達(dá)值與最高允許值之間還有相當(dāng)?shù)牟钪担趧?lì)磁低勵(lì)限制整定時(shí)可以與進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間留有適當(dāng)?shù)脑６?。發(fā)電機(jī)P-Q運(yùn)行曲線一般由發(fā)電機(jī)廠家技術(shù)說明書提供。低勵(lì)限制曲線應(yīng)在發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)曲線與發(fā)電機(jī)運(yùn)行P-Q曲線之間，三者之間的關(guān)系如圖1所示。

2低勵(lì)限制與靜穩(wěn)極限的關(guān)系

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行過程中功角變大，靜穩(wěn)裕度變小，在低勵(lì)限制整定過程中要考慮與發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)極限的配合。由發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的相量圖，當(dāng)δ=90°，可知靜態(tài)穩(wěn)定功率極限圓表達(dá)式為：

圖2　勵(lì)磁低勵(lì)限制與機(jī)端電壓下降至0.9倍額定時(shí)靜穩(wěn)極限圓的關(guān)系曲線

(1)

式(1)中：P——發(fā)電機(jī)額定視在功率下發(fā)電機(jī)有功功率標(biāo)幺值；Q——發(fā)電機(jī)額定視在功率下發(fā)電機(jī)無功功率標(biāo)幺值；U——發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓標(biāo)幺值；Xe——發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)聯(lián)系阻抗標(biāo)幺值；Xd——發(fā)電機(jī)同步電抗標(biāo)幺值。

靜態(tài)穩(wěn)定功率圓中發(fā)電機(jī)運(yùn)行在圓內(nèi)是穩(wěn)定的，圓外不穩(wěn)定?？紤]到機(jī)端電壓最低允許下降到額定的0.9倍，勵(lì)磁低勵(lì)限制與靜穩(wěn)極限圓也應(yīng)有10%～15%的裕度。它們之間的關(guān)系如圖2所示。

3低勵(lì)限制與發(fā)變組失磁保護(hù)的配合

3.1基本原則

GB/T 14284-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)化規(guī)程規(guī)定：“最低勵(lì)磁限制的動(dòng)作應(yīng)能先于失磁保護(hù)的動(dòng)作”?；谝陨蠎?yīng)在勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制整定時(shí)考慮與發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的配合關(guān)系。

3.2失磁保護(hù)阻抗圓轉(zhuǎn)化為功率圓

失磁保護(hù)的判據(jù)目前廣泛應(yīng)用的是阻抗判據(jù)，靜穩(wěn)阻抗圓或異步阻抗圓，如圖3所示。而低勵(lì)限制在功率坐標(biāo)內(nèi)，要使兩者有直觀的配合關(guān)系必須將其轉(zhuǎn)換在同一坐標(biāo)內(nèi)，這里將失磁阻抗坐標(biāo)映射至功率坐標(biāo)系中。

圖3　失磁保護(hù)靜穩(wěn)阻抗圓與異步阻抗圓

假設(shè)失磁保護(hù)阻抗圓的圓心為(0，X0),半徑為R0，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，其方程為：

(2)

(3)

式(3)實(shí)現(xiàn)了靜穩(wěn)阻抗圓到功率坐標(biāo)的映射，圓內(nèi)是動(dòng)作區(qū)，圓外是不動(dòng)作區(qū)。

對于隱極發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)圓，有X0=(Xd-Xe)/2，R0=(Xd+Xe)/2,帶入公式(3)化簡后可得：

(4)

式(4)中：Xe——以發(fā)電機(jī)電抗為基準(zhǔn)值的包括主變電抗在內(nèi)的系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值；Xd——以發(fā)電機(jī)電抗為基準(zhǔn)值的發(fā)電機(jī)直軸同步電抗標(biāo)幺值。

圖4　低勵(lì)限制曲線與靜穩(wěn)阻抗圓映射至功率坐標(biāo)下靜穩(wěn)功率圓的關(guān)系

對比式(4)和式(1)，兩者是完全一致的。所以當(dāng)?shù)蛣?lì)限制曲線與靜穩(wěn)極限圓之間有裕度時(shí)，不必再考慮與失磁保護(hù)靜穩(wěn)圓之間的配合關(guān)系。即從本質(zhì)上只要低勵(lì)限制在與靜穩(wěn)極限曲線配合時(shí)，與失磁保護(hù)靜穩(wěn)阻抗圓也同樣有配合關(guān)系。以往文獻(xiàn)都沒能明確這一點(diǎn)。

發(fā)電機(jī)出現(xiàn)低勵(lì)或者失磁時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)先穿過靜穩(wěn)圓，才到達(dá)異步圓，所以在考慮低勵(lì)限制與失磁保護(hù)的整定配合時(shí)，低勵(lì)限制的整定沒有必要考慮與異步圓的配合[8]。

發(fā)電機(jī)從失磁到失穩(wěn)到最后的失步，機(jī)端測量阻抗和功率都先進(jìn)入低勵(lì)限制區(qū)，然后過渡到失磁保護(hù)圓，低勵(lì)限制與失磁保護(hù)的配合關(guān)系就是要低勵(lì)限制要先于失磁保護(hù)動(dòng)作，低勵(lì)限制曲線要位于失磁保護(hù)靜穩(wěn)阻抗圓上方，如圖4所示。

現(xiàn)行的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)普遍采用阻抗判據(jù)，而勵(lì)磁限制普遍采用功率判據(jù)，整體感覺起來匹配較復(fù)雜，也較抽象，但實(shí)際上，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與低勵(lì)限制的動(dòng)作前提是相同的，均是發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)特性，且是唯一的，從本質(zhì)上兩者是一致的。

4低勵(lì)限制整定方法與步驟

1)計(jì)算出以發(fā)電機(jī)電抗為基準(zhǔn)值的包括主變電抗在內(nèi)的系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值及發(fā)電機(jī)直軸同步電抗標(biāo)幺值。

2)根據(jù)式(1)繪制出靜穩(wěn)圓，考慮發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的變化和工程現(xiàn)場實(shí)際，一般靜穩(wěn)圓應(yīng)留有10%左右的裕度，即繪制機(jī)端電壓下降至額定0.9倍時(shí)的靜穩(wěn)圓。

3)將發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)畫入步驟2得到的靜穩(wěn)極限圓所在的功率坐標(biāo)中，在進(jìn)相試驗(yàn)曲線與機(jī)端電壓下降至額定0.9倍時(shí)的靜穩(wěn)圓之間各50%處繪制曲線，即為低勵(lì)限制曲線。

5工程示例

將Xe=XT+XS=0.1442+0.0601=0.2043、Xd=2.2696帶入式(1)中得靜穩(wěn)極限圓為P2+(Q-2.22)2<(2.66)2，當(dāng)機(jī)端電壓U下降至額定0.9倍時(shí)的靜穩(wěn)圓時(shí)，可將式(1)化簡為：

P2+(Q-1.8)2<(2.16)2

(5)

發(fā)電機(jī)的進(jìn)相試驗(yàn)結(jié)果及進(jìn)相試驗(yàn)過程中各監(jiān)視參數(shù)最高到達(dá)值如表1和表2所示，從表2可以看到機(jī)組在進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)各監(jiān)視參數(shù)與允許值之間還有相當(dāng)?shù)脑６取?/p>

表1　發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)進(jìn)相深度標(biāo)幺值

表2進(jìn)相試驗(yàn)過程中各監(jiān)視參數(shù)最高到達(dá)值

監(jiān)視參數(shù)進(jìn)相時(shí)最高值允許值定子鐵心端部溫度(℃)72.8120定子線圈出水溫度(℃)67.5110功角(°)63.290機(jī)端電壓(kV)18.818廠用電壓(V)356342

進(jìn)一步計(jì)算出對應(yīng)進(jìn)相試驗(yàn)中有功功率值下靜穩(wěn)極限圓上的無功功率標(biāo)幺值，即將P=0.9、0.81、0.72、0.63、0.45帶入式(5)得到對應(yīng)的無功功率標(biāo)幺值如表3所示。

低勵(lì)限制曲線對應(yīng)有功功率下表1與表3無功功率之間值，低勵(lì)限制是取7點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)之間是直線，低勵(lì)限制可整定如表4所示。

表3　靜穩(wěn)極限圓對應(yīng)坐標(biāo)下的P-Q標(biāo)幺值

表4低勵(lì)限制整定標(biāo)幺值

PQ0.90-0.130.81-0.170.72-0.210.63-0.240.45-0.290.3-0.300-0.30

6結(jié)語

文章統(tǒng)籌考慮低勵(lì)限制與發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行P-Q曲線、靜穩(wěn)極限圓、失磁保護(hù)靜穩(wěn)阻抗圓的關(guān)系，并通過工程示例介紹具體方法，該方法簡單、嚴(yán)謹(jǐn)、有效。某廠2號機(jī)組根據(jù)以上原則進(jìn)行的低勵(lì)磁限制整定自投產(chǎn)以來，未發(fā)生低勵(lì)限制定值設(shè)置問題造成的機(jī)組異常。

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[責(zé)任編輯：王敏]

Method of Low Excitation Limit Setting of Excitation Regulator

LIBo1,JIDai-zhi1,MAXin2,HUWen-bo1,WANGRun-nan1

(1.HuanengChaohuPowerPlantCo.,Ltd.,Chaohu238015,China;2.AnhuiHuadianWuhuPowerGenerationCo.,Ltd.,Wuhu241002,China)

Abstract:In order to improve the operation reliability and stability in large generator, when setting the low excitation limit parameters of the excitation regulator, the cooperation relationship between the heating at the end of the generator, the static stability limit and the excitation loss protection of generator must be considered. In this paper, how to make the proper setting of the low excitation limit curve in engineering practice is put forward, taking the low excitation limit curve setting of a certain factory′s excitation regulator as an example, to hope to provide the reference for craft brother.

Key words:generator leading phase operation; low excitation limit; excitation loss protection; setting calculation

中圖分類號：TM621.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1672-9706(2016)01- 0041- 04

作者簡介：李博(1984-)，男，山東鄆城人，華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，工程師，從事電廠繼電保護(hù)工作。

收稿日期：2016- 01-10