與系統(tǒng)連接緊密的水輪發(fā)電機失磁保護動作判據(jù)選擇探討

張方慶,李 敏，張成峰

(湖南瀟湘水電站，湖南省永州市 425000)

0 前 言

湖南瀟湘水電站地處永州市中心，共設(shè)計4臺單機容量為13 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，發(fā)電機通過110 kV升壓變與5.2 km外的中心樞紐變電站并聯(lián)。發(fā)電機額定電壓為6 300 V，額定電流為1 324 A，同步電抗為1.029，暫態(tài)電抗為0.43，額定勵磁電壓為213 V，額定勵磁電流為686 A，采用可控硅自并勵勵磁方式。 為防止水輪發(fā)電機在失磁故障下運行，設(shè)計了一套失磁保護回路：利用異步邊界阻抗作為主判據(jù)延時出口使發(fā)電機與系統(tǒng)解列，機組按電氣事故停機程序停機。

發(fā)電機并網(wǎng)運行后，失磁保護在2周內(nèi)連續(xù)5次動作導致事故停機，對機組產(chǎn)生了嚴重的機械沖擊。事后對勵磁系統(tǒng)裝置進行全面檢查，無任何不正常現(xiàn)象，保護裝置進行校驗動作可靠，排除了裝置本身存在誤動的可能，確認是失磁保護因系統(tǒng)波動而引起誤動。在全面地分析了導致失磁保護誤動原因的基礎(chǔ)上，著重討論了利用異步阻抗圓作為主判據(jù)、勵磁電壓作輔助判據(jù)來反映與系統(tǒng)連接緊密的水輪發(fā)電機失磁保護的可靠性和靈敏性，通過試運行后取得較好的效果[1-7]。

1 異步阻抗圓作為主判據(jù)

異步邊界圓是目前使用較多的失磁保護主判據(jù)，它是根據(jù)發(fā)電機失磁后會最終進入異步運行，異步阻抗圓會落入阻抗平面的第三、四象限動作區(qū)而使阻抗繼電器動作。而發(fā)電機的機端阻抗為：

(1)

式中：Us為發(fā)電機電壓；Ps為發(fā)電機有功功率；Qs為發(fā)電機無功功率；Xs為系統(tǒng)阻抗；φ為發(fā)電功功率因數(shù)角。

2 勵磁電壓作為輔助判據(jù)

利用異步邊界圓作為與系統(tǒng)連接緊密的水輪發(fā)電機失磁保護動作主判據(jù)時，為防止保護誤動必須加以輔助判據(jù)。

發(fā)電機失磁后異步邊界阻抗圓完全落在阻抗平面的第三、四象限內(nèi)，有利于減少非失磁時的誤動作，且在電源兩則電動勢相等的系統(tǒng)振蕩時，失磁保護不會誤動。但是與發(fā)電機連接緊密的系統(tǒng)中對空載長距離線路充電，線路對地電容的影響導致機端測量阻抗呈容性，落在阻抗平面的第四象限，失磁繼電器很可能誤動。在PT回路斷線、系統(tǒng)出現(xiàn)相間、接地短路故障引起的振蕩以及系統(tǒng)中的發(fā)電機并列與解列都可能使保護誤動。特別是與系統(tǒng)連接阻抗X越小，阻抗動作區(qū)越大，誤動的幾率越大。瀟湘水電站原設(shè)計的失磁保護無輔助動作判據(jù)，共出現(xiàn)了5次誤動；其中2次因為系統(tǒng)倒閘操作(空投大型變壓器、空投長線路)而誤動；2次因為地網(wǎng)發(fā)電機組在晚上頂峰完后與系統(tǒng)解列時的誤動；1次因為地網(wǎng)短路故障而誤動。而失磁阻抗圓的整定計算為：

=3.94∠-90° (Ω)

(2)

=22.6∠-90° (Ω)

(3)

式中：Xd′為發(fā)電機暫態(tài)電抗；Uef為發(fā)電機額定電壓；Ief為發(fā)電機額定電壓；KLY為發(fā)電機PT變比(本式取6000/100 V)；KLH為發(fā)電機CT變比(本式取2000/5 A)；Xd為發(fā)電機同步電抗；Krel為可靠系數(shù)(本式取1.2)。

當時失磁保護阻抗整定值為ZA=4 Ω、ZB=23 Ω，其整定值計算從理論上講是正確的，不存在整定值取小的可能性。所以為防止失磁保護的誤動，必須加以輔助判據(jù)[10-14]。

3 方案選擇

(1) 針對為防止失磁保護誤動，我們討論了負序分量閉鎖、增加延時及減小動作區(qū)、倒閘操作閉鎖、電壓回路斷線閉鎖失磁保護的誤動作。

以上各種方案都不能保證各種非失磁工況下均能可靠閉鎖——負序分量閉鎖只能閉鎖外部短路引起的誤動，而倒閘操作閉鎖只能防止空投大型變壓器、空投長線路引起的誤動；斷線閉鎖只能防止PT回路斷線時引起的誤動；而無謂的延時保護出口時間或是減小保護動作區(qū)將使發(fā)電機失磁時，不能快速、準確地動作。如果要保證水輪發(fā)電機在各種非失磁工況下均能可靠閉鎖，必須將以上各閉鎖措施全部采用，這必將增加了保護的復雜性及增加相應的投資。

(2) 采用勵磁電壓的輔助(閉鎖)判據(jù)能夠保證與系統(tǒng)連接緊密的水輪發(fā)電機在各種非失磁工況下均能可靠閉鎖，并能滿足繼電保護靈敏性、可靠性、快速性、選擇性的要求。

根據(jù)電力系統(tǒng)對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，勵磁電壓、電流不但不減小反而要進行強行勵磁使保護裝置快速將故障從電力系統(tǒng)切除，而系統(tǒng)振蕩時也將增加勵磁來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上我們設(shè)計了失磁保護回路(如圖1)。

圖1 采用勵磁電壓輔助判據(jù)構(gòu)成的失磁保護回路圖

該保護回路是由異步邊界特性圓的阻抗繼電器構(gòu)成失磁的定子主判據(jù)，由勵磁電壓構(gòu)成失磁保護的轉(zhuǎn)子輔助判據(jù)。當發(fā)電機失磁時，機端測量阻抗進入阻抗繼電器整定的異步邊界圓內(nèi)，使繼電器動作，而轉(zhuǎn)子電壓因失磁故障下降使轉(zhuǎn)子低電壓繼電器返回，阻抗繼電器出口延時后與低電壓繼電器組成與的邏輯關(guān)系，當兩者滿足要求時，失磁保護動作出口使故障發(fā)電機與系統(tǒng)解列，同時PLC執(zhí)行事故停機程序。當系統(tǒng)出現(xiàn)波動時，即使阻抗繼電器誤動，也只是發(fā)中央信號，而不會使整套保護出口，因為此時的勵磁電壓不可能低于發(fā)電機的空載的勵磁電壓而使轉(zhuǎn)子低電壓繼電器返回。

經(jīng)過進一步討論分析，此種失磁保護方案還存在以下幾個凝問：

1) 系統(tǒng)波動時，發(fā)電機的勵磁電壓在某種情況下(如大量的容性負載)可能波動較嚴重，有可能使主判據(jù)和輔助判據(jù)同時滿足要求而誤動；

2) 發(fā)電機剛并入電網(wǎng)時，由于發(fā)電機帶有功、無功需要過程，開始勵磁電壓很低，如果調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速率較慢或人為原因使有功、無功增加較慢時使發(fā)電機處于低勵運行狀態(tài)有可能使主判據(jù)和輔助判據(jù)同時滿足要求而使失磁保護誤動作；

3) 發(fā)電機勵磁裝置在滅磁開關(guān)跳閘時，是采用消弧柵和對常數(shù)電阻放電相結(jié)合的方式滅磁，在滅磁開關(guān)跳閘導致失磁時，轉(zhuǎn)子繞組是一大電感線圈，滅磁過程中轉(zhuǎn)子電壓的暫態(tài)過程中會作周期不同的正負交變，或是可控硅交流側(cè)電源故障時，在轉(zhuǎn)子繞組中也會出現(xiàn)很大的暫態(tài)呈間斷波形的過電壓，加上轉(zhuǎn)子繞組的時間常數(shù)較大，這些將造成發(fā)電機真正失磁時，輔助判據(jù)的轉(zhuǎn)子低電壓繼電器出現(xiàn)來回抖動，使失磁保護拒動。

針對問題1),采取將定子主判據(jù)的失磁繼電器動作經(jīng)1.5 s延時(大于電力系統(tǒng)安全自動裝置動作時間)后,再與轉(zhuǎn)子輔助判據(jù)的低電壓繼電器組成“與”的邏輯關(guān)系使整組保護出口。在整定勵磁低電壓繼電器時，應采取的方法是：只要保證發(fā)電機在空載運行時，低電壓繼電器不返回即可。而該電站發(fā)電機空載勵磁電壓為76 V，所以低電壓繼電器動作值整定為80%Uf=60 V,這樣保證了失磁保護裝置在系統(tǒng)波動時不誤動造成事故停機。此外，為防止勵磁電壓因系統(tǒng)的無功波動而大幅度的波動，將調(diào)節(jié)器的調(diào)差系數(shù)由原來的第6檔調(diào)小至第3檔，減小勵磁調(diào)節(jié)器的靈敏性，當系統(tǒng)出現(xiàn)無功波動時根據(jù)發(fā)電機的容量來調(diào)節(jié)無功的輸出。

針對問題2)采取對機組的計算機監(jiān)控系統(tǒng)程序進行修改的措施，機組采用PLC控制時，當發(fā)電機并網(wǎng)后立即帶3 000 W的有功和1 000 Var的無功，保證發(fā)電機并網(wǎng)時不導致有功、無功的進相。

針對問題3)，一方面增加了利用滅磁開關(guān)常閉輔助觸頭延時出口使發(fā)電機解列、停機的回路，即并網(wǎng)后的發(fā)電機不管在什么情況下，只要滅磁開關(guān)跳閘不由定子主判據(jù)和轉(zhuǎn)子輔助判據(jù)來啟動保護回路，直接連跳發(fā)電機出口開關(guān)。這樣完全甩開了因滅磁開關(guān)跳閘時正負變化的轉(zhuǎn)子電壓導致發(fā)電機失磁故障時失磁保護的拒動，能夠保證保護正確、快速動作。另一方面在轉(zhuǎn)子低電壓繼電器動作返回不延時的基礎(chǔ)上，在其線圈中串接反相二極管 ，這樣可以防止勵磁系統(tǒng)交流故障或是可控硅故障出現(xiàn)失磁時，至少可以保證轉(zhuǎn)子反相暫態(tài)電壓使低電壓繼電器可靠返回，使失磁保護主、輔動作判據(jù)同時滿足要求而出口。

為了確認更改后的失磁保護能夠滿足繼電保護的要求，將并網(wǎng)的發(fā)電機進行了低勵失磁、交流故障失磁試驗，試驗結(jié)果證明保護裝置在失磁故障時能可靠動作。而通過1 a的運行實踐證明在系統(tǒng)出現(xiàn)波動時失磁保護能可靠閉鎖，保證了機組的安全、可靠運行。

4 結(jié) 語

(1) 與電力系統(tǒng)緊密的水輪發(fā)電機，采用異步阻抗圓的定子主判據(jù)和勵磁電壓的輔助判據(jù)相結(jié)合的方式，在設(shè)計合理的情況下，可以保證保護在因系統(tǒng)波動的非失磁故障情況下， 失磁保護不因誤動作而事故停機；而在失磁故障時保護能夠快速、可靠地反映故障并將失磁故障的發(fā)電機從電力系統(tǒng)中切除。該動作判據(jù)在整流型的保護裝置上有著結(jié)構(gòu)簡單、原理清析、動作可靠的優(yōu)點，能夠滿足繼電保護“四性”的要求。

(2) 利用定子主判據(jù)、轉(zhuǎn)子輔助判據(jù)構(gòu)成的失磁保護方案時，要特別對轉(zhuǎn)子勵磁電壓和電流在不同勵磁方式和不同故障類型時暫態(tài)特性了解清楚，要防止發(fā)電機失磁故障時保護的拒動，正確把握準確性和可靠性。

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