大型發(fā)電機(jī)組過(guò)勵(lì)磁保護(hù)整定計(jì)算

范宇豪

(湖北西塞山發(fā)電有限公司，湖北 黃石 435000)

0 引言

大型發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)的整定計(jì)算并不復(fù)雜，但必須與電氣設(shè)備的性能、參數(shù)配合，結(jié)合電力系統(tǒng)歷年典型事故的教訓(xùn)，才能選擇最佳整定值。本文擬針對(duì)300MW及以上的大型發(fā)電機(jī)組過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的整定計(jì)算進(jìn)行探討。

1 過(guò)勵(lì)磁保護(hù)原理

當(dāng)發(fā)電機(jī)或變壓器發(fā)生過(guò)勵(lì)磁故障時(shí)，會(huì)因過(guò)熱而使絕緣老化，降低設(shè)備的使用壽命。發(fā)電機(jī)和變壓器都由鐵芯繞組組成，設(shè)繞組外加電壓為U(V)、匝數(shù)為N、鐵芯截面積為S(m2)、磁通密度為B(T)、電壓頻率為 f，則有 U=4．44 fNBS。

因?yàn)镹，S均為固定值，故可寫成B=K(U/f)，式中K=1/(4．44NS)，對(duì)特定的發(fā)電機(jī)或變壓器來(lái)說(shuō)，K為固定值。電壓的升高和頻率的降低均可導(dǎo)致磁密增大。磁通密度B過(guò)分增大，使鐵芯飽和，勵(lì)磁電流急劇增加，造成過(guò)勵(lì)磁現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁故障。

過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)n=B/Bn=(U/Un)/(f/fn)=U*/f*。發(fā)電機(jī)、變壓器在同一過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)n下允許持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，與額定磁通密度Bn、飽和磁通密度Bs的大小以及磁化曲線的形狀有密切關(guān)系，Bn越接近Bs，磁化曲線飽和段的斜率越小，則在同一過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)n下的允許持續(xù)時(shí)間越短。過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的動(dòng)作特性，應(yīng)與被保護(hù)設(shè)備的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線相配合。

2 過(guò)勵(lì)磁保護(hù)整定計(jì)算

由于鐵芯飽和的非線性和各制造廠材料以及工藝上的差別，各發(fā)電機(jī)、變壓器的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線很不一致。變壓器過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線以及汽輪發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線均應(yīng)由制造廠家給出，當(dāng)它們組成發(fā)電機(jī)－變壓器組單元接線方式時(shí)，應(yīng)將它們的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線畫在同一個(gè)坐標(biāo)下進(jìn)行比較，以位于下方的曲線為整定依據(jù)。

2．1 發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁曲線配合

湖北西塞山發(fā)電有限公司#3機(jī)組為680MW機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN680－2－22，額定功率為680MW，額定電壓為22 kV，額定功率因數(shù)為0．9(滯后);主變壓器型號(hào)為SFP10－820000/220，額定容量為820 MV·A，高壓側(cè)額定電壓為230±2×2．5%kV，低壓側(cè)額定電壓為22 kV。其中發(fā)電機(jī)額定電壓和主變壓器低壓側(cè)額定電壓二者相等，可直接將發(fā)電機(jī)和主變壓器的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線畫在同一個(gè)坐標(biāo)下進(jìn)行比較，而無(wú)需換算。

發(fā)電機(jī)和變壓器的過(guò)勵(lì)磁損耗試驗(yàn)屬破壞性試驗(yàn)，制造廠家不可能對(duì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)和變壓器均提供非常符合過(guò)勵(lì)磁能力的曲線。如東方電機(jī)廠提供了QFSN680－2－22型發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)－時(shí)間曲線(如圖1所示)，但大于1．2倍過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)的曲線未繪出。

2．2 變壓器過(guò)勵(lì)磁能力配合

主變壓器和高壓廠用變壓器生產(chǎn)廠家沒(méi)有提供過(guò)勵(lì)磁能力曲線或過(guò)電壓能力曲線，只提供了額定頻率下的過(guò)勵(lì)磁能力表，見表1。

表1 額定頻率下的過(guò)勵(lì)磁能力

圖1 發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)-時(shí)間曲線

根據(jù)IEC 76－1—1993《電力變壓器國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)》第4．4項(xiàng)的規(guī)定，在Um規(guī)定值以內(nèi)，當(dāng)電壓與頻率之比超過(guò)5%的過(guò)勵(lì)磁時(shí)，變壓器應(yīng)能連續(xù)運(yùn)行無(wú)損壞。湖北西塞山發(fā)電有限公司#3主變壓器和高壓廠用變壓器的過(guò)激磁能力滿足IEC 76－1—1993的要求。

可將發(fā)電機(jī)和主變壓器、高壓廠用變壓器的過(guò)電壓/頻率運(yùn)行曲線和表格轉(zhuǎn)化后畫在同一個(gè)過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)表格里，比較過(guò)勵(lì)磁能力的強(qiáng)弱。主變壓器和高壓廠用變壓器過(guò)激磁能力相當(dāng)時(shí)，可統(tǒng)一用變壓器持續(xù)時(shí)間代替，見表2。

由表2可以看出，變壓器允許過(guò)勵(lì)磁能力遠(yuǎn)比發(fā)電機(jī)允許過(guò)勵(lì)磁能力強(qiáng)，所以發(fā)電機(jī)、變壓器過(guò)激磁保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)應(yīng)和發(fā)電機(jī)的允許過(guò)勵(lì)磁特性曲線配合。

2．3 勵(lì)磁系統(tǒng)U*－f*限制曲線配合

《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施之繼電保護(hù)專業(yè)重點(diǎn)實(shí)施要求》第5．14項(xiàng)規(guī)定:應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)允許過(guò)激磁的耐受能力進(jìn)行發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)的整定計(jì)算，其定值應(yīng)與勵(lì)磁系統(tǒng)U*－f*曲線配合，按發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器U*－f*限制元件的后備保護(hù)整定。根據(jù)5．14條的規(guī)定，在過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)－時(shí)間曲線(n－t曲線)平面坐標(biāo)上，整定的過(guò)勵(lì)磁反時(shí)限曲線應(yīng)位于發(fā)電機(jī)允許過(guò)勵(lì)磁特性曲線之下、勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)勵(lì)限制曲線之上。

湖北西塞山發(fā)電有限公司#3機(jī)組采用機(jī)端自并激靜止可控硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)，由東方電機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)為Q5S－O/U251－S6000。該勵(lì)磁系統(tǒng)整定的U*－f*曲線特性為直線，限制器參數(shù)為:參數(shù)1911表示U*－f*線的斜率，單位為%，設(shè)定為105;參數(shù)1912對(duì)應(yīng)于額定頻率下的電壓相對(duì)標(biāo)幺值，單位為%，它表示U*－f*曲線總是以1911設(shè)置的斜率交于該點(diǎn)，設(shè)定為105;參數(shù)1913表示絕對(duì)電壓限制值。以百分值表示，設(shè)定為110。根據(jù)以上參數(shù)可以繪出U*－f*曲線，如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)的U*－f*曲線

圖2的U*和f*分別表示電壓和頻率的相對(duì)標(biāo)幺值。從圖2可以看出，U*－f*曲線在過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)－時(shí)間曲線(n－t曲線)平面坐標(biāo)上應(yīng)為經(jīng)過(guò)(1．05，0．00)點(diǎn)且平行于時(shí)間軸 t軸的直線。發(fā)電機(jī)變壓器組整定過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)應(yīng)不低于1．05倍，否則，一旦過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)達(dá)到該動(dòng)作值的延時(shí)，即由發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)動(dòng)作出口，勵(lì)磁系統(tǒng)的U*－f*限制器不能起到在頻率較低時(shí)通過(guò)減磁來(lái)限制過(guò)勵(lì)磁的作用。

2．4 綜合考慮定值方案

湖北西塞山發(fā)電有限公司#3機(jī)組保護(hù)采用的是南京自動(dòng)化股份有限公司生產(chǎn)的DGT－801B型數(shù)字式保護(hù)裝置，根據(jù)變壓器制造廠家給出的過(guò)激磁能力表，保護(hù)裝置需要通過(guò)曲線擬合來(lái)近似得到完整的曲線。DGT－801B型數(shù)字式保護(hù)裝置采用反時(shí)限離線型作為勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，即用線性插值法來(lái)擬合并固定一點(diǎn)作為曲線定位，該點(diǎn)在DGT－801B說(shuō)明書中定為1．4倍、0．5 s。由于允許過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)反時(shí)限特性曲線均具有下凸的特點(diǎn)，在插值點(diǎn)上得到的允許時(shí)間將會(huì)略大于實(shí)際允許時(shí)間。過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)較大時(shí)，有一段反時(shí)限特性曲線曲率較大，為避免線性插值帶來(lái)較大誤差，需根據(jù)實(shí)際情況采用非線性擬合，如拋物線、平方曲線擬合、最小二乘法等。

表2 發(fā)電機(jī)、變壓器耐受過(guò)勵(lì)磁能力

過(guò)勵(lì)磁保護(hù)通常需要2個(gè)啟動(dòng)門坎值:達(dá)到較低門坎值時(shí)，提醒運(yùn)行人員或自動(dòng)調(diào)整發(fā)電機(jī)、變壓器工況，避免更嚴(yán)重的過(guò)勵(lì)磁;超過(guò)較高門坎值并達(dá)到了過(guò)勵(lì)磁特性曲線所允許的運(yùn)行時(shí)間后即動(dòng)作于跳閘。#3機(jī)組為680MW大型機(jī)組，為保證機(jī)組安全，過(guò)勵(lì)磁保護(hù)定時(shí)限出口作用于發(fā)信和減勵(lì)磁，反時(shí)限出口動(dòng)作關(guān)閉主汽門。

綜合圖1、圖2、表1、表2，同時(shí)按比發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁特性曲線降低10%～15%的原則整定，發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的反時(shí)限曲線可整定為表3所示的值。

表3 #3發(fā)電機(jī)變壓器組過(guò)勵(lì)磁保護(hù)整定

定時(shí)限的經(jīng)驗(yàn)值一般取為1．1倍過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)，延時(shí)5～9 s動(dòng)作?？紤]到發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)應(yīng)按發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器U*－f*限制元件的后備保護(hù)整定，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的限制過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)為1．05，為防止勵(lì)磁調(diào)節(jié)器失效時(shí)存在動(dòng)作死區(qū)，將發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的定時(shí)限定值設(shè)為1．06，延時(shí)100 s動(dòng)作。

3 結(jié)束語(yǔ)

過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的動(dòng)作特性，應(yīng)與被保護(hù)設(shè)備的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線相配合，過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線難以取得，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。同時(shí)，過(guò)勵(lì)磁保護(hù)還應(yīng)與勵(lì)磁系統(tǒng)的U*－f*曲線配合，避免V/Hz限制器不能發(fā)揮應(yīng)有的功能，保護(hù)動(dòng)作出口造成無(wú)謂的跳機(jī)。