發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護定值整定探討

摘? 要：提出了一種準確配置轉(zhuǎn)子過負荷保護的方法，該方法考慮勵磁逆變過程中直流和交流之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，得出轉(zhuǎn)子過負荷保護定值整定方法，進而實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護的精確整定。仿真結(jié)果表明，該方法可以更加準確地反映發(fā)電機過負荷特性，給發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護的實際整定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子過負荷保護;交直流轉(zhuǎn)化;發(fā)電機過負荷特性

0? ? 引言

隨著新能源接入電網(wǎng)的容量不斷增大，其大規(guī)模遠距離輸送成為電網(wǎng)需要面對的問題。實踐中，為解決此問題，我國建造了大規(guī)模的直流輸電系統(tǒng)，然而，直流輸電系統(tǒng)中需要配置大量同步發(fā)電機電源，且對配套電源的過負荷特性提出了較高要求，準確合理配置轉(zhuǎn)子過負荷保護成為維護電網(wǎng)穩(wěn)定的保證。

目前，國內(nèi)專家對轉(zhuǎn)子過負荷保護已進行深入研究，并得到了大量的研究成果，文獻[1]研究了水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子過負荷保護配置，為同類型的保護整定提供了計算依據(jù)。文獻[2]研究了600 MW機組的轉(zhuǎn)子過負荷保護整定。文獻[3]研究了發(fā)電機保護與限制配合的問題。上述文獻針對轉(zhuǎn)子過負荷保護進行了深刻研究，為同步發(fā)電機保護的實際實現(xiàn)提供了許多運行經(jīng)驗，但這些文獻均未考慮從發(fā)電機直流側(cè)和交流側(cè)轉(zhuǎn)化關(guān)系去分析同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子過負荷保護配合問題。

在前人研究的基礎(chǔ)上，為解決轉(zhuǎn)子過負荷保護的準確配置問題，使同步發(fā)電機運行在安全范圍，本文推導了勵磁交流電流和直流電流的模型，通過仿真分析給出了強勵時交流電流和直流電流關(guān)系，然后進行仿真建模，對理論推導進行驗證，仿真結(jié)果表明該方法可以保證發(fā)電機過載時的安全。

1? ? 轉(zhuǎn)子過負荷保護

發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護的主要作用是在發(fā)電機過負荷時告警或切除發(fā)電機，但在系統(tǒng)電壓過低時，需要發(fā)電機在繞組熱容量允許的情況下發(fā)揮一定的過載能力，所以需要配置適當?shù)膮?shù)來協(xié)調(diào)過載和設(shè)備安全。轉(zhuǎn)子過負荷保護主要配置依據(jù)是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子過負荷容量，文獻[4]規(guī)定的隱極發(fā)電機的轉(zhuǎn)子過載能力為t=33.75/（If2-1），If為發(fā)電機勵磁電流，t為發(fā)電機允許過載時間。

轉(zhuǎn)子過負荷保護作用是保護發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組安全，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流為直流電流，而轉(zhuǎn)子過負荷保護屬于發(fā)變組保護范圍，一般采用勵磁變高壓側(cè)或低壓側(cè)電流。

交流側(cè)電流和直流側(cè)電流存在一定比例關(guān)系，目前一般采用觸發(fā)角等于0時的關(guān)系進行計算，轉(zhuǎn)化關(guān)系為Iac=0.816Id，該轉(zhuǎn)化關(guān)系為觸發(fā)角等于0時的交直流電流關(guān)系，而在正常運行時交直流電流關(guān)系大約為Iac=0.78Id，可以認為發(fā)電機在強勵期間交直流電流關(guān)系在上述兩種關(guān)系之間，即Iac=0.78～0.816Id。

常用的發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護表達式為：

式中：Ijz為基準電流;C為發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護熱容量系數(shù)，一般按照2倍基準勵磁電流時允許過載時間10 s整定。

經(jīng)過計算可知，在當前的保護配置方案下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護可能超過發(fā)電機轉(zhuǎn)子過載能力，并且規(guī)律為發(fā)電機強勵程度越高，超出熱容量系數(shù)的概率越小;而強勵程度較輕時，超出熱容量系數(shù)的概率較大。

2? ? 交直流電流關(guān)系

根據(jù)逆變器的規(guī)律，得出交直流電流表達式為：

其中：

式中：α為觸發(fā)角;γ為換相角。

觸發(fā)角α的表達式如下：

式中：U2為勵磁變低壓側(cè)交流電壓有效值;Ufd為勵磁電壓;Kc為換弧壓降系數(shù);Id為勵磁直流電流。

換相角γ的表達式如下：

由式（4）和式（5）可以計算出勵磁換相角γ和觸發(fā)角α，得出換相角γ和觸發(fā)角α后，可以得出交直流電流之間關(guān)系。

發(fā)電機發(fā)生強勵后，勵磁電壓和勵磁電流都會快速放大，觸發(fā)角電壓和電流也在實時變化，說明發(fā)電機在強勵時，兩者之間比例并不是恒定常數(shù)。故假設(shè)交直流電流是常數(shù)的話，會在不同故障時出現(xiàn)一定的誤差。當誤差過大時，會導致發(fā)電機過熱時間超長，發(fā)電機設(shè)備出現(xiàn)損壞;當誤差較小時，發(fā)電機則過勵時間不夠，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護首先要考慮轉(zhuǎn)子過負荷的能力，保護配置不僅要考慮發(fā)電機主體設(shè)備安全，而且需要考慮充分發(fā)揮發(fā)電機的過載能力，在系統(tǒng)故障時，電壓會出現(xiàn)下降，勵磁需要適當過載，用于支撐系統(tǒng)電壓。但在超出發(fā)電機過載能力后，需要限制勵磁電流在合理水平。如果勵磁電流限制失敗，需要發(fā)電機過負荷保護迅速動作，這樣才能實現(xiàn)電網(wǎng)電壓支撐和設(shè)備安全之間的合理權(quán)衡。

所以，發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護不僅要考慮轉(zhuǎn)子本體安全，還需要進一步與勵磁設(shè)備的過勵限制環(huán)節(jié)相配合，但勵磁規(guī)范中對過勵限制的性能提出了明確要求，即在發(fā)電機2倍額定電流水平下，過載時間不少于10 s。根據(jù)該持續(xù)時間可以計算出過勵限制對應的熱容量系數(shù)為30，而發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷最大熱容量對應最大過載時間為11.25 s。兩者之間的最大極差為1.25 s，這樣的極差對于實際極差是偏小的，但兩者都表現(xiàn)出不可協(xié)調(diào)性。一方面是電網(wǎng)設(shè)備安全，超出11.25 s后會造成發(fā)電設(shè)備過載，增加發(fā)電機損壞的可能性;而過勵限制的10 s是用于保證故障時發(fā)電設(shè)備的電壓支撐能力，少于10 s電網(wǎng)電壓可能會過早崩潰。

綜上所述，基于目前各種條件的限制，發(fā)電機的電網(wǎng)支撐能力和安全之間存在不可調(diào)和的矛盾，即勵磁限制和發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護之間極差過小，該問題的解決思路主要有兩個方向：一是適當降低對勵磁限制過勵時間的要求，可以適當縮短過勵限制的過載時間，保證過勵限制和轉(zhuǎn)子過負荷保護之間的極差保持在1.5～2 s?？s短過勵限制的時間，對電網(wǎng)安全會產(chǎn)生不利影響，需要進行大量和充分的計算驗證，如果經(jīng)驗證計算后，縮短過勵限制后仍然可以滿足電網(wǎng)安全要求，可以采用縮短過勵限制的方案。二是通過改造現(xiàn)有發(fā)電機設(shè)備，提供發(fā)電機轉(zhuǎn)子過載能力，將現(xiàn)有的發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷能力提高到11.5～12 s，即熱容量系數(shù)提高到34.5～36，就可以滿足安全極差的要求，但需要進一步評估改造發(fā)電機設(shè)備的成本以及改造對發(fā)電機參數(shù)的影響，是否需要重新進行發(fā)電機參數(shù)計算，是否需要進行全套的涉網(wǎng)試驗，如果改造成本在發(fā)電廠承受范圍內(nèi)，說明該方案也是一種可行辦法。但最后采取哪種方案，需要多種主體綜合權(quán)衡后才能決定。

3? ? 結(jié)論

本文重新研究了發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護，考慮了勵磁交直流側(cè)關(guān)系，與以往相比，本文的創(chuàng)新主要有以下方面：

（1）依據(jù)現(xiàn)有整定方案，發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷特性可能超出轉(zhuǎn)子過負荷允許范圍。

（2）發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護盡量選取直流量作為保護判別量，這樣可以保證發(fā)電機轉(zhuǎn)子安全和動作的準確性。

[參考文獻]

[1] 馬靜，黃小冬，何澤勝.水輪發(fā)電機過負荷保護整定計算分析[J].水電廠自動化，2016，37（2）：15-17.

[2] 俞美忠，竺士章.600 MW發(fā)電機組轉(zhuǎn)子過負荷能力與相關(guān)保護的配合分析[J].浙江電力，2008（1）：42-44.

[3] 丁燁楠，孫育哲.保護與勵磁對發(fā)電電動機運行的限制[J].水電站機電技術(shù)，2019，42（11）：10-11.

[4] 隱極同步發(fā)電機技術(shù)要求：GB/T 7064—2008[S].

收稿日期：2020-04-01

作者簡介：王鵬（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。