基于導(dǎo)納特性的水輪發(fā)電機失磁保護新判據(jù)

沈全榮，陳佳勝，陳 俊，郭自剛，王 光

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

發(fā)電機失磁是常見的故障形式，特別是大型機組，勵磁系統(tǒng)的環(huán)節(jié)較多，增大了發(fā)生失磁的概率。歷年全國電力系統(tǒng)主設(shè)備故障調(diào)查統(tǒng)計顯示，發(fā)電機故障中，失磁故障所占的比重相當大。

發(fā)電機失磁后將過渡到異步運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，定子電流增大，定子電壓下降，有功功率下降，無功功率反向并增大，電力系統(tǒng)的電壓下降。這些量的變化在一定條件下將破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，威脅發(fā)電機本身的安全。

近年來，大型水電機組的建設(shè)比較迅速，對于失磁保護也提出了更高的要求。對于水輪發(fā)電機等凸極發(fā)電機，通過幾何作圖法獲得的特性為一水滴狀曲線。已有的失磁保護限于裝置硬件計算處理能力，無法按照其實際特性來構(gòu)成判據(jù)；常規(guī)失磁保護定子判據(jù)多采用蘋果圓阻抗特性、靜態(tài)穩(wěn)定阻抗圓加電抗線特性、兩段式導(dǎo)納線判據(jù)［1-3］等近似擬合的方案來實現(xiàn)，并不能完全真實地反映凸極機失磁時的靜態(tài)穩(wěn)定邊界，某些工況下存在不正確動作的情況。

本文根據(jù)凸極發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定導(dǎo)納邊界特征，提出了基于靜態(tài)穩(wěn)定導(dǎo)納邊界的凸極發(fā)電機失磁保護定子判據(jù)，并可與其他判據(jù)配合以實現(xiàn)完善的失磁保護。

1 凸極發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定導(dǎo)納特性推導(dǎo)

水輪發(fā)電機、抽水蓄能機組等凸極發(fā)電機由于直軸同步電抗和交軸同步電抗不相等，其靜態(tài)穩(wěn)定邊界與隱極發(fā)電機有很大差別。

對于凸極發(fā)電機而言，在穩(wěn)態(tài)情況下，無窮大電源母線處通過的有功和無功功率［4-5］分別為：

其中，Ps、Qs分別為發(fā)電機向系統(tǒng)輸送的有功功率、無功功率；δ為發(fā)電機功角；Eq為發(fā)電機電勢；Us為系統(tǒng)側(cè)電壓；Xd、Xq分別為發(fā)電機直軸同步電抗、交軸同步電抗；xs為系統(tǒng)聯(lián)系電抗。

母線處的靜態(tài)穩(wěn)定導(dǎo)納邊界為：

其中對于給定的 P、Q，a 均對應(yīng)于一ss個確定的靜態(tài)穩(wěn)定極限角δj。

已知母線處測量導(dǎo)納Ys，則可以求出機端測量阻抗為：

“立即搬”即堅持“避字當先”，按照“應(yīng)搬必搬”要求，對危害程度高、治理難度大的地質(zhì)災(zāi)害隱患點危險區(qū)群眾實施避讓搬遷。同時，結(jié)合新型城鎮(zhèn)化、美麗鄉(xiāng)村等建設(shè)需求，加快安置項目落地，打造農(nóng)民安居樂業(yè)新家園。

由機端測量阻抗可以求出機端導(dǎo)納Y：

根據(jù)上述公式可得凸極發(fā)電機的失磁故障靜態(tài)穩(wěn)定導(dǎo)納特性曲線如圖1所示，圖中陰影部分為動作區(qū)。

圖1 凸極發(fā)電機失磁故障靜態(tài)穩(wěn)定導(dǎo)納特性Fig.1 Admittance characteristic of static stability limit of salient pole generator with LOE fault

2 凸極發(fā)電機失磁保護導(dǎo)納判據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀

凸極發(fā)電機失磁保護導(dǎo)納判據(jù)見圖2。從目前的文獻①西門子股份有限公司.多功能發(fā)電機保護7UM62用戶手冊（V4.6）.2005.，［6］可見，現(xiàn)有的失磁保護導(dǎo)納判據(jù)多采用圖2中點劃線所示的兩段式導(dǎo)納特性。

圖2 凸極發(fā)電機失磁保護導(dǎo)納判據(jù)Fig.2 Admittance criterion of LOE protection for salient pole generator

圖2中，導(dǎo)納線1按照靜態(tài)穩(wěn)定極限乘以系數(shù)1.05考慮，傾角 α1在 60°～80°之間取值；導(dǎo)納線 2按照90%的1／Xd考慮，傾角 α2取90°。很明顯，圖2中導(dǎo)納線1、2（圖2中點劃線）交叉形成的導(dǎo)納動作特性不能與凸極發(fā)電機的實際靜態(tài)穩(wěn)定邊界特性（圖2中虛線）很好地吻合，缺少了圖2中的區(qū)域A，多了區(qū)域B，人為改變了失磁保護的動作區(qū)域。因此，現(xiàn)有的導(dǎo)納判據(jù)不能很好地反映凸極發(fā)電機組的失磁故障。

為了真實反映水電機組等凸極發(fā)電機的失磁故障，采用凸極發(fā)電機的實際導(dǎo)納靜態(tài)穩(wěn)定邊界來實現(xiàn)失磁保護。這樣既防止了失磁保護在輕載、進相等運行工況下的誤動，也不會出現(xiàn)用導(dǎo)納線1、2組合判據(jù)來擬合靜態(tài)穩(wěn)定邊界時，因整定不合理可能導(dǎo)致的失磁保護不正確動作。

3 凸極發(fā)電機失磁保護導(dǎo)納原理新判據(jù)及其實現(xiàn)

3.1 定值整定計算

只需輸入發(fā)電機原始參數(shù)，保護裝置程序內(nèi)部自動進行保護定值的計算。

輸入發(fā)電機直軸同步電抗Xd、發(fā)電機交軸同步電抗Xq、發(fā)電機組系統(tǒng)聯(lián)系阻抗xs，通過計算可以得到 xd∑、xq∑、a。根據(jù)上文的計算公式，可以計算出動作特性曲線如圖1所示，曲線外側(cè)為導(dǎo)納特性動作區(qū)。

3.2 新判據(jù)

為了防止失磁保護在其他正常工況下的誤動，可在導(dǎo)納判據(jù)的基礎(chǔ)上增加無功反向判據(jù)B＞0。

其中，α為導(dǎo)納線的角度定值，一般根據(jù)勵磁調(diào)節(jié)器的低勵極限角度或同步發(fā)電機穩(wěn)定特性傾角選取，在 60°～80°之間；1 ／Xzd（即圖 3 中的 Yzd）為導(dǎo)納定值，一般按照1／Xd來考慮。

圖3 凸極發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定邊界導(dǎo)納判據(jù)Fig.3 Admittance criterion of static stability limit for salient pole generator

將凸極發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定邊界導(dǎo)納動作判據(jù)反演至阻抗平面，可得到圖4，圖中，陰影部分為動作區(qū)。

由圖4可清楚地看出發(fā)生發(fā)電機失磁故障時機端測量阻抗的軌跡，增加電抗線判據(jù)可有效躲過進相運行等工況。

3.3 新判據(jù)的實現(xiàn)

根據(jù)發(fā)電機機端正序電壓、正序電流計算導(dǎo)納：

圖4 凸極發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定邊界導(dǎo)納判據(jù)在阻抗平面的反演Fig.4 Admittance criterion of static stability limit for salient pole generator，projected on impedance plane

其中，IT、UT分別為機端電流和電壓的正序分量。

由 Gop、Bop可求出：

其中，IT、UT分別 IT、UT的模值；UC和 US分別為機端正序電壓的實部和虛部；IC和IS分別為機端正序電流的實部和虛部。

由tanφop或φop比對定值數(shù)據(jù)，得到對應(yīng)角度下的定值如果則判為進入水輪發(fā)電機失磁保護靜態(tài)穩(wěn)定邊界導(dǎo)納動作區(qū)。

與無功反向判據(jù)或?qū)Ъ{線判據(jù)式（10）結(jié)合，可判別是否進入動作區(qū)。

4 動模試驗和現(xiàn)場驗證

為驗證本文所提的失磁保護導(dǎo)納新判據(jù)，在南瑞繼保動模實驗室進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，本文所提判據(jù)在部分失磁、完全失磁及開路失磁故障情況下均能靈敏動作，在機端兩相短路故障、升壓變高壓側(cè)單相接地及兩相短路故障、系統(tǒng)振蕩等情況下均可靠不動作。

某水電站機組輕載時，發(fā)生完全失磁故障時的保護動作錄波數(shù)據(jù)也驗證了本判據(jù)的有效性，其動作邊界及導(dǎo)納軌跡如圖5所示。定值設(shè)置情況為：Xd＝ 0.95 p.u.，Xq＝ 0.67 p.u.，xs＝ 0.2 p.u.，X′d=0.3 p.u.，阻抗角為 75°，Yzd＝0.947 p.u.。

圖5中曲線2為水輪機靜態(tài)穩(wěn)定極限導(dǎo)納特性圓；曲線1為失磁過程導(dǎo)納軌跡，沿a b c d（其中a點為0 s時刻，b點為0.943 s時刻，c點為1.248 s時刻，d點為4.516 s時刻）的順序逐漸進入到導(dǎo)納線外甚至是水輪機靜態(tài)穩(wěn)定極限圓外，落入動作區(qū)。

圖5 發(fā)生失磁故障的水電機組的靜態(tài)穩(wěn)定極限導(dǎo)納軌跡Fig.5 Admittance trajectory of static stability limit of salient pole generator with LOE fault

5 結(jié)語

a.凸極發(fā)電機失磁保護新判據(jù)直接采用水滴狀曲線靜態(tài)穩(wěn)定邊界導(dǎo)納特性，可以準確判別凸極發(fā)電機的失磁故障，防止了導(dǎo)納線、蘋果圓阻抗判據(jù)等與靜態(tài)穩(wěn)定邊界不匹配導(dǎo)致的不正確動作。

b.凸極發(fā)電機失磁保護新判據(jù)整定方便，只需輸入Xd、Xq、xs等參數(shù)，保護裝置自動計算出靜態(tài)穩(wěn)定邊界水滴狀曲線，實現(xiàn)失磁保護導(dǎo)納新判據(jù)。

c.凸極發(fā)電機失磁保護導(dǎo)納新判據(jù)與無功反向、電抗線等判據(jù)組合，可進一步提高其可靠性。

d.凸極發(fā)電機失磁保護導(dǎo)納新判據(jù)在各種失磁故障情況下均能靈敏可靠動作，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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