發(fā)電機失磁保護定值與欠勵限制參數(shù)的校核方法

李 楠，馮 偉，王秀霞

(1.華電電力科學(xué)研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179;2.國網(wǎng)公司東北分部調(diào)度中心，遼寧 沈陽 110180;3.國網(wǎng)新源水電豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132108)

1 隱極發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器限制功能的整定原則

發(fā)電機運行容量圖表達了發(fā)電機在端電壓和冷卻介質(zhì)溫度為額定值條件下，其有功功率和無功功率的關(guān)系。圖1表明發(fā)電機在不同的功率因數(shù)運行工況下，保證發(fā)電機長期安全運行的范圍。

圖1 發(fā)電機運行容量圖

1.1 發(fā)電機滯相運行勵磁調(diào)節(jié)器主要限制功能

隱極發(fā)電機滯相運行并保持冷卻介質(zhì)溫度不變時，為了保證發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子繞組的溫升不超過允許值而造成過熱，其定子、轉(zhuǎn)子電流不得超過額定值。在發(fā)電機滯相區(qū)運行時，勵磁調(diào)節(jié)器限制器其主要限制包括轉(zhuǎn)子電流限制、定子電流限制、原動機出力限制。

1.2 發(fā)電機進相運行勵磁調(diào)節(jié)器主要限制功能

有功功率恒定發(fā)電機轉(zhuǎn)入進相運行時，此時發(fā)電機處于低勵磁狀態(tài)，內(nèi)電勢降低，電磁轉(zhuǎn)矩減小，功角增大，發(fā)電機靜穩(wěn)定裕度減小,易失去靜穩(wěn)定。同時，發(fā)電機定子端部漏磁也趨于嚴重，損耗增加。進相運行容量由定子鐵芯端部過熱、靜態(tài)穩(wěn)定極限或動態(tài)穩(wěn)定極限三者中的最小限制確定。在發(fā)電機進相區(qū)運行時，勵磁調(diào)節(jié)器限制器其主要限制曲線包括靜穩(wěn)容量限制曲線、欠勵限制曲線、最小勵磁電流限制曲線[1]。

2 勵磁調(diào)節(jié)器限制參數(shù)整定原則

根據(jù)勵磁系統(tǒng)相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準，要求勵磁調(diào)節(jié)器限制器應(yīng)在發(fā)變組保護動作前起到限制作用。勵磁調(diào)節(jié)器主要利用附加功能環(huán)節(jié)，將發(fā)電機的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)子電流等運行參數(shù)控制在允許范圍內(nèi)，設(shè)定有過勵限制器、欠勵限制器、V/Hz限制器、定子電流限制器、最小電流限制器等[2]。

對于過勵限制、V/Hz限制、定子電流限制等應(yīng)分別與發(fā)變組勵磁回路過負荷保護、發(fā)電機過激磁保護、定子回路過負荷保護相配合，其參數(shù)值不應(yīng)大于相對應(yīng)的保護，防止由于保護先動作，導(dǎo)致機組的停機事故，限制器則起不到應(yīng)有的限制作用。但上述勵磁限制參數(shù)與發(fā)變組保護定值校核計算較為簡單，為相同單位下數(shù)值的比較。由于發(fā)電機失磁保護定值采用RX坐標(biāo)系，欠勵限制參數(shù)采用PQ坐標(biāo)系，兩者不在一個坐標(biāo)系下核算較為復(fù)雜，因此本文主要針對發(fā)電機失磁保護與欠勵限制參數(shù)校核進行詳細的推導(dǎo)分析。

2.1 欠勵限制的整定原則

發(fā)電機失磁保護是指為防止發(fā)電機的勵磁突然全部消失或部分消失，使發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子過熱而損壞的保護功能。失磁保護是根據(jù)發(fā)電機在不同的運行狀態(tài)和不同的系統(tǒng)故障時，其機端的測量阻抗是不同的。因此失磁保護是利用發(fā)電機定子參數(shù)的變化，如機端測量阻抗由第一象限進入第四象限和無功功率改變方向、機端電壓下降、功角δ增大、勵磁電壓降低等[3]。

欠勵限制器是勵磁調(diào)節(jié)器中一種電壓調(diào)節(jié)器的附加功能環(huán)節(jié)，在勵磁系統(tǒng)輸出電流減少時，防止發(fā)電機超越靜態(tài)穩(wěn)定極限或超越由定子端部鐵芯發(fā)熱所要求的發(fā)電及容量。欠勵限制動作曲線是按發(fā)電機不同有功功率靜穩(wěn)定極限及發(fā)電機端部發(fā)熱條件確定的[4]。

因此當(dāng)發(fā)電機運行至進相區(qū)內(nèi)時，應(yīng)保證發(fā)電機勵磁欠勵限制器應(yīng)在發(fā)變組失磁保護動作前起到限制作用。勵磁欠勵限制器定值參數(shù)可根據(jù)進相運行深度或靜穩(wěn)極限進行整定。當(dāng)依據(jù)靜穩(wěn)極限值整定時，按靜穩(wěn)定極限值留10%左右儲備系數(shù)整定，但不能超過制造廠提供的P-Q運行曲線[5]。本文不推薦按靜穩(wěn)極限值進行整定欠勵限制器定值，因為如果欠勵限制器定值超過進相試驗深度進行整定，當(dāng)系統(tǒng)進相運行時，如果發(fā)電機電壓及母線電壓過低，限制器不動作，起不到相應(yīng)的限制作用。

依據(jù)阻抗原理的失磁保護和勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制存在一定的匹配關(guān)系，只有兩者定值匹配正確，才能防止失磁保護誤動作。但是阻抗型失磁保護是在發(fā)電機機端的RX測量阻抗圓平面上計算的，而勵磁調(diào)節(jié)器的欠勵限制PQ整定曲線是根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定極限圓并結(jié)合系統(tǒng)無功儲備整定的，二者分別屬于不同的坐標(biāo)系，無法直觀地校核它們之間的配合關(guān)系，為此，必須將欠勵限制PQ整定曲線轉(zhuǎn)化為低勵限制阻抗圓。

2.2 RX坐標(biāo)系與PQ坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換

將發(fā)電機失磁保護動作方程為RX坐標(biāo)平面映射至PQ平面，設(shè)失磁保護阻抗圓的圓心坐標(biāo)為(0，X0)，半徑為R0，發(fā)電機有功功率為P，發(fā)電機無功功率為Q，發(fā)電機機端電壓為U，發(fā)電機定子電流為I，發(fā)電機功率因數(shù)角為φ，失磁保護圓內(nèi)為動作區(qū)域，其方程為

(1)

(2)

(3)

分子分母同乘以I4，整理得：

(4)

(5)

(6)

將P=UIcosφ，Q=UIsinφ代入式(6)中,得：

(7)

(8)

2.3 發(fā)變組失磁保護定值坐標(biāo)平面轉(zhuǎn)換

根據(jù)DL/T684—2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》關(guān)于發(fā)電機失磁保護整定要求，定子側(cè)阻抗判據(jù)可分為異步邊界阻抗圓和靜穩(wěn)極限阻抗圓，阻抗平面如圖2所示。異步邊界阻抗圓動作判據(jù)主要用于與系統(tǒng)聯(lián)系緊密的發(fā)電機失磁故障檢測，它能反映失磁發(fā)電機機端的最終阻抗，但動作可能較晚。

圖2 發(fā)電機失磁阻抗動作特性

2.3.1 靜穩(wěn)邊界圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(9)

整理得：

(10)

式中:Xe為發(fā)電機與系統(tǒng)的聯(lián)系電抗；Xd為發(fā)電機同步電抗(不飽和值)。

圖3 發(fā)電機失磁PQ特性圖

2.3.2 異步邊界圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(11)

整理得：

(12)

3 算例分析

針對上述論證，通過國內(nèi)配置較為普遍的發(fā)變組保護及勵磁設(shè)備算例進行計算對比分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。根據(jù)國內(nèi)某電廠300 MW機組發(fā)變組保護失磁保護定值與勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制參數(shù)進行核算。發(fā)變組保護為國電南自生產(chǎn)的DGT801A保護裝置，勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)備為南瑞科技生產(chǎn)的NES5100勵磁系統(tǒng)設(shè)備。發(fā)電機失磁保護定值單如表1所示，勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制參數(shù)如表2所示，進相試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 發(fā)電機失磁保護定值參數(shù)

表2 NES5100勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制五點擬合參數(shù)

表3 進相試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1中參數(shù)可知，發(fā)電機同步電抗為2.2，發(fā)電機暫態(tài)電抗值為0.37，發(fā)電機機端電壓20 kV，計算可知異步邊界圓在PQ坐標(biāo)系的圓心為(0，-1 170 Mvar)，與Q軸的交點為(0，181 Mvar)，通過與欠勵限制擬合曲線滿足勵磁調(diào)節(jié)器限制功能要求。通過比較進相試驗3點試驗數(shù)據(jù)，有功功率200 MW、250.7 MW、298.7 MW相對應(yīng)的欠勵限制無功功率分別為-35 Mvar、-26.2 Mvar、-15.3Mvar，均小于進相試驗深度，如圖4所示，滿足規(guī)程要求。

圖4 發(fā)電機失磁與勵磁參數(shù)限制校核圖

通過上述算例分析，可以看出通過異步邊界原理計算的失磁保護定值與勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制參數(shù)配合符合定值計算要求。且從數(shù)據(jù)上分析，其失磁保護定值折算到PQ坐標(biāo)平面上，與欠勵限制參數(shù)有較大的裕度。因此可以推斷，如果發(fā)電機失磁保護定值依據(jù)異步邊界圓原理計算時，且勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制參數(shù)依據(jù)進相試驗數(shù)據(jù)整定時，可以不必進行發(fā)變組保護定值與欠勵限制參數(shù)的校驗。

4 結(jié)束語

由上述分析可知，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器定值的整定不僅要依據(jù)發(fā)電機一次系統(tǒng)的運行方式及主要參數(shù)，還要根據(jù)發(fā)變組保護定值統(tǒng)籌考慮。建議火力發(fā)電廠技術(shù)人員應(yīng)依據(jù)DL/T684—2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》及上述勵磁調(diào)節(jié)器定值整定方法對發(fā)變組保護定值與勵磁調(diào)節(jié)器定值進行重新校核，以防止由于兩者定值之間不配合導(dǎo)致的機組不能穩(wěn)定運行。依據(jù)異步邊界圓原理進行整定的失磁保護定值可不必與欠勵限制定值進行校核，但依據(jù)靜穩(wěn)邊界圓原理整定的失磁保護定值建議按本文計算方法進行校核計算。

[1] 高培鑫，翟大海，齊鋒光，等.1 000 MW發(fā)電機保護定值與勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)的匹配研究[J].華東電力，2013，41(1)：224-227.

[2] 孫孜平，高春如，沈 儉，等.自動勵磁調(diào)節(jié)器整定計算的探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(3)：68-71.

[3] 黃 龍，方昌勇，胡凱波.勵磁調(diào)節(jié)器過勵限制與發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組過負荷保護的整定配合分析[J].浙江電力，2012，34(7)：21-23.

[4] 王慧敏.發(fā)變組保護與勵磁調(diào)節(jié)器的配合整定[J].電工技術(shù),2014，35(6)：23-25.

[5] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2009.