二灘水電站低勵限制與失磁保護配合關(guān)系研究

季 杰，黃建瓊

（錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000）

0 引 言

二灘水電站是川渝電網(wǎng)的骨干電源網(wǎng)點，自1998年投運以來其發(fā)變組保護系統(tǒng)已經(jīng)運行12年，達到了繼電保護裝置使用壽命時限，現(xiàn)改造為南瑞RCS_985發(fā)變組保護裝置。鑒于GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》明確要求低勵限制能優(yōu)先于失磁保護動作，而國網(wǎng)公司發(fā)布的《發(fā)電廠并網(wǎng)安全性評價》也要求驗證其配合關(guān)系，因此有必要對其進行研究。

二灘水電站發(fā)電機失磁保護由機端低電壓判據(jù)、定子側(cè)靜穩(wěn)極限阻抗圓判據(jù)、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓判據(jù)構(gòu)成，不同的判據(jù)分屬于不同的坐標系，無法直觀地表達失磁保護與低勵限制的配合關(guān)系。雖然文獻[1]將失磁保護的定子阻抗圓判據(jù)映射到P-Q（有功-無功）坐標系中研究其與低勵限制之間的關(guān)系，但并未對失磁保護的機端低電壓判據(jù)和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓判據(jù)進行研究，本文將構(gòu)成失磁保護的3個判據(jù)統(tǒng)一映射到同一坐標系中，以驗證其配合關(guān)系。

1 低勵限制

1.1 水輪發(fā)電機功率限制曲線

水輪發(fā)電機根據(jù)發(fā)電機定子線棒、發(fā)電機端部、轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱和機組最大出力確定其功率允許運行區(qū)。當機組運行在功率限制曲線內(nèi)時，可保證機組有效部件的發(fā)熱量不超過允許值。

忽略發(fā)電機定子繞組電阻壓降，水輪發(fā)電機相量圖如圖1實線所示，其中U為發(fā)電機機端電壓，I為定子電流，Id為定子電流直軸分量，Iq為定子電流交軸分量，Xd為直軸同步電抗，Xq為交軸同步電抗，E0為發(fā)電機空載電壓，Eq為發(fā)電機交軸電壓。在圖1中，延長Eq使AB=IXd，作平行線BC∥E0交OA于點C，以O(shè)C為直徑作圓交BC于點D，過Eq點作EqM⊥BC，垂足為點M，可以證明BM=（Xd-Xq） Id=E0-Eq， 因此 DB=E0。[2]

圖1 凸極同步發(fā)電機相量

在圖1的基礎(chǔ)上各邊分別乘以U/Xd，則三角形ABC可轉(zhuǎn)化為功率平面特征三角形，各線段代表含義見圖2中標注。

圖2 功率平面特征三角形

由于E0=IfnXad，因此DB正比于Ifn，OA正比于空載額定勵磁電流If0，AB正比于機端電流Ign。以點A為功率坐標系的原點，建立水輪發(fā)電機的功率限制曲線，如圖3所示。當機端電壓低于額定電壓時，該功率曲線隨之等比例縮小。

1.2 二灘水電站發(fā)電機低勵限制

二灘水電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用的是ABB UNITROL5000型勵磁調(diào)節(jié)器，該系統(tǒng)低勵限制單元包含了額定勵磁電流極限、額定定子電流極限、額定有功功率極限。由于二灘水電站在枯水期進相運行較汛期深，本文以枯水期為例進行研究。

勵磁系統(tǒng)在自動模式時，起勵電流大于空載額定勵磁電流的20%，進相運行低勵限制為直線，由（550 MW， -50 MV·A） 和 （0 MW， -300 MV·A）兩點確定。定子電流限制曲線由發(fā)電機額定電流決定且不受機端電壓影響，轉(zhuǎn)子電流限制曲線由額定勵磁電流決定，由此可以確定P-Q功率限制曲線，如圖4所示。

圖3 功率限制曲線

圖4 PQ限制曲線

在機組運行過程中，機組越過P-Q功率限制曲線時，計算機控制中心會發(fā) “P-Q曲線越限”報警信號，此時必須手動加勵磁以減輕進相深度。

2 失磁保護與低勵限制配合關(guān)系

2.1 二灘水電站參數(shù)

二灘水電站總裝機容量3 300 MW，主廠房安裝6臺單機容量550 MW混流式水輪發(fā)電機組，每臺發(fā)電機通過3臺容量214 MV·A的單相變壓器與500 kV系統(tǒng)相連，其主變壓器接線方式為YNd11，發(fā)電機中性點接地方式為經(jīng)變壓器高阻接地。

失磁保護整定所需參數(shù)如下：發(fā)電機的額定容量 612 MV·A，額定功率550.8 MW，額定電壓 18 kV，額定電流19 629 A，額定功率因數(shù)0.9，額定勵磁電壓318 V，額定勵磁電流2 709 A，空載勵磁電壓159.2 V，空載勵磁電流1 559 A，強勵倍數(shù)/時間2倍/10 s，直軸同步電抗0.996，交軸同步電抗0.71，升壓主變壓器容量3×214 MV·A，電壓550/18 kV，主變短路電壓標幺值為0.15，系統(tǒng)聯(lián)系等值正序電抗標幺值為0.008 0/0.011 4（大方式/小方式，容量基準值100 MV·A）。

本文所有計算公式均采用以發(fā)電機額定容量、額定電壓為基值的標幺值進行計算分析，以單臺發(fā)電機為研究對象，失磁保護整定計算等值電路如圖5所示。

圖5 失磁保護等值電路

2.2 機端低電壓判據(jù)

失磁保護低電壓判據(jù)可選擇機端低電壓或者母線低電壓。高壓母線的三相電壓嚴重下降將破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時會導致低壓廠用電母線三相電壓嚴重下降引起電廠電機過流。二灘電廠六臺機組并聯(lián)運行，一臺機組的失磁難以引起高壓母線的電壓下降，但會導致故障機組機端電壓過低，危及廠用電系統(tǒng)的正常工作，因此采用機端三相同時低電壓判據(jù)，其整定值如下

式中，Uop.3ph為機端三相同時低電壓定值；Ugn為發(fā)電機額定電壓；nv為機端PT變比。

為了將機端三相同時低電壓判據(jù)轉(zhuǎn)化到P-Q坐標系，首先需計算出其阻抗特性。根據(jù)圖5所示等值電路圖，假定無窮大系統(tǒng)在單機失磁時系統(tǒng)電壓Us恒定不變，機端電壓為U，系統(tǒng)負荷為Zl，發(fā)電機出口測量阻抗為Z，則有

其中阻抗角均隨負荷變化而變化。

由式（4）可得失磁保護低電壓判據(jù)阻抗特性如下

根據(jù)二灘電站相關(guān)參數(shù)代入計算，可計算出機端三相同時低電壓的機端阻抗特性如下

通過文獻[3]可知，在阻抗R-X坐標系中，對于圓心為（0，X0）半徑為 R0的方程可表示為

映射到P-Q坐標系的表達式為

由式（8）可得機端低電壓判據(jù)在P-Q坐標系下的失磁軌跡為

由于低勵限制與失磁保護之間的關(guān)系位于發(fā)電機欠勵區(qū)，因此僅繪出欠勵磁區(qū)的軌跡，映射到PQ坐標系的動作區(qū)如圖6所示。

圖6 機端低電壓P-Q坐標系動作區(qū)

2.3 定子側(cè)判據(jù)

為兼顧失磁保護定子側(cè)判據(jù)的可靠性，選擇滴狀靜穩(wěn)阻抗圓作為失磁保護定子側(cè)判據(jù)時，應(yīng)與無功反向判據(jù)相結(jié)合，以消除阻抗平面一、二象限的動作區(qū)，防止靜穩(wěn)圓阻抗判據(jù)在非失磁工況下的誤動作。

系統(tǒng)聯(lián)系電抗包含升壓變壓器電抗，對應(yīng)于最小運行方式，二灘水電站定子側(cè)判據(jù)整定如下

使用作圖法可以作出該判據(jù)在P-Q坐標系的動作曲線[4]，如圖7所示。動作區(qū)位于曲線2的左側(cè)。

2.4 轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)

定子阻抗判據(jù)在某些非失磁故障時會發(fā)生誤動現(xiàn)象，為了彌補這一不足可增加轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)，轉(zhuǎn)子低電壓是失磁過程中電量變化的顯著特征之一，且能與多種非失磁故障相區(qū)分，因此二灘水電站增加轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)提高了失磁保護的可靠性[5]二灘水電站發(fā)電機轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)的定勵磁低電壓判據(jù)沿用德國西門子公司的0.8Uf。發(fā)電機在重負荷下發(fā)生失磁故障時，定勵磁低電壓判據(jù)的整定值偏低，導致轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)比靜穩(wěn)極限判據(jù)動作要晚得多，這會嚴重危害系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此需增加定值隨功率變化的轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，以保證在各種工況下的配合關(guān)系。

圖7 定子側(cè)判據(jù)P-Q坐標系動作區(qū)

勵磁低電壓判據(jù)整定如下

式中，Uf0為發(fā)電機空載額定勵磁電壓。

變勵磁電壓判據(jù)中對應(yīng)于某一有功P會有維持靜穩(wěn)極限所必須的勵磁電壓Uf.op與之對應(yīng)，動作判據(jù)如下

式中，Krel為可靠系數(shù)，取0.8；Ufo為發(fā)電機空載額定勵磁電壓；P為發(fā)電機當前有功功率；Pt為發(fā)電機的凸極功率，由下式計算

由二灘水電站的參數(shù)和式（12）、（13）可計算出轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)如下

從P-Q功率圓推導過程可知，圖2中OA和DE以同一比例正比于U和E0。在派克標幺值系統(tǒng)中Uf=E0，OA可以看作空載額定勵磁電壓Uf0，DB可以看作是產(chǎn)生E0的勵磁電壓Uf。將轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)映射到P-Q坐標系的動作區(qū)如圖8所示，其中曲線3為定勵磁低電壓判據(jù)，曲線4為變勵磁低電壓判據(jù)，動作區(qū)位于曲線3、4左側(cè)。

由圖8可以看出，在重負荷下發(fā)生失磁故障時，水輪發(fā)電機進入轉(zhuǎn)子變勵磁電壓判據(jù)曲線4的速度要比勵磁低電壓判據(jù)曲線3的速度更快。

2.5 失磁保護與低勵限制配合關(guān)系

通過失磁保護計算，已經(jīng)將失磁保護中的三個判據(jù)均轉(zhuǎn)換到P-Q坐標系中，失磁保護三個判據(jù)為相與的關(guān)系，因此在P-Q坐標系中，四條動作曲線的重疊區(qū)即為失磁保護動作區(qū)。

機組失磁時，發(fā)電機先進入轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)，然后進入發(fā)電機機端低電壓判據(jù)，最后進入定子側(cè)判據(jù)，延時1.0 s動作出口切機。

圖8 轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)映射到PQ平面

圖9 低勵限制與失磁保護配合關(guān)系

3 結(jié) 論

本文通過將失磁保護的三個判據(jù)映射到同一PQ坐標系中，驗證了失磁保護定值整定的正確性，同時證明了失磁保護動作區(qū)與低勵限制之間存在著一定的穩(wěn)定裕度，滿足低勵限制優(yōu)先于失磁保護動作的關(guān)系。

［1］ 劉偉良，荀吉輝，薛瑋.發(fā)電機失磁保護與低勵限制的整定配合［J］.電力系統(tǒng)自動化， 2008， 32（18）:77-80.

［2］ 柳煥章.發(fā)電機失磁保護的原理及整定計算［J］.電力系統(tǒng)自動化， 2004， 28（14）:72-75.

［3］ 趙華，吳春紅.兩種坐標系下發(fā)電機低勵限制整定與失磁保護配合［J］.河南電力， 2010（3）:12-14.

［4］ DL/T 684—1999 大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則［J］.北京：中國電力出版社，2005.

［5］ 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2002:186-262.