1 000MW發(fā)電機(jī)保護(hù)定值與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)的匹配

高培鑫，林晶儒，翟大海，齊鋒光，李傳波

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安市710049;2.華能玉環(huán)電廠，浙江省玉環(huán)市317604)

0 引言

1 000MW發(fā)電機(jī)組的不斷投運(yùn)，對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提出越來(lái)越高的要求，而目前大多數(shù)電廠在進(jìn)行發(fā)電機(jī)和變壓器組(發(fā)變組)保護(hù)整定計(jì)算時(shí)，容易忽略與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)的配合，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)一旦出現(xiàn)運(yùn)行異常，發(fā)變組保護(hù)立即動(dòng)作，造成發(fā)電機(jī)組非正常停運(yùn)事故。本文基于某1 000MW發(fā)電機(jī)組，分析發(fā)電機(jī)保護(hù)定值整定與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器限制參數(shù)之間的匹配關(guān)系。

1 發(fā)電機(jī)失勵(lì)磁保護(hù)與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器欠勵(lì)磁限制的匹配

發(fā)電機(jī)的失勵(lì)磁保護(hù)和自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的欠勵(lì)磁限制都能控制進(jìn)相運(yùn)行深度，使機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行深度控制在發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定極限之內(nèi)，若兩者能夠很好地匹配，就能使機(jī)組吸收最大無(wú)功，并保證在發(fā)電機(jī)失去穩(wěn)定時(shí)保護(hù)和限制能夠正確動(dòng)作［1］。

1.1 欠勵(lì)磁限制參數(shù)設(shè)定原則

欠勵(lì)磁限制功能用于防止勵(lì)磁過(guò)低導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失去靜態(tài)穩(wěn)定，欠勵(lì)磁限制與發(fā)電機(jī)失勵(lì)磁保護(hù)匹配，即要求在任何操作和擾動(dòng)的情況下，都保證欠勵(lì)磁限制先于發(fā)電機(jī)失勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作。

1.2 失勵(lì)磁保護(hù)與欠勵(lì)磁限制匹配整定

失勵(lì)磁保護(hù)計(jì)算是在發(fā)電機(jī)機(jī)端的R-X測(cè)量阻抗圓平面上進(jìn)行，而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的欠勵(lì)磁限制P-Q整定曲線是根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定極限圓并結(jié)合系統(tǒng)的無(wú)功儲(chǔ)備整定，二者分別屬于不同的坐標(biāo)系，因此無(wú)法直觀校核其匹配關(guān)系，必須將失勵(lì)磁保護(hù)阻抗圓平面轉(zhuǎn)換為 P-Q 曲線平面［2］。

1.3 坐標(biāo)平面轉(zhuǎn)換

對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，靜態(tài)穩(wěn)定極限圓在P-Q平面上的表達(dá)式為

式中:P、Q分別為發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率;U為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓;Xe為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)聯(lián)系的電抗;Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗。

由式(1)可知:靜態(tài)穩(wěn)定極限圓的圓心為［0，U2(1/Xe－1/Xd)/2］，半徑為U2(1/Xe－1/Xd)/2。圓內(nèi)是發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在圓外時(shí)，不能穩(wěn)定運(yùn)行，欠勵(lì)磁限制單元應(yīng)限制勵(lì)磁電流繼續(xù)減少。

設(shè)失勵(lì)磁保護(hù)阻抗圓的圓心坐標(biāo)為(0，X0)，半徑為R0，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，其方程為

將失勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作方程映射至P-Q平面，靜態(tài)穩(wěn)定極限圓為

靜態(tài)穩(wěn)定極限圓與Q軸相交于(0，U2/Xe)和(0，－ U2/Xd)兩點(diǎn)，動(dòng)作區(qū)在圓外［4］。

1.4 某電廠失勵(lì)磁保護(hù)與欠勵(lì)磁限制匹配

某1 000MW機(jī)組參數(shù)為:發(fā)電機(jī)額定容量為1 112 MVA;主變額定容量為3×370 MVA;發(fā)電機(jī)同步電抗Xd=216.4%;發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗X'd=23.8%;變壓器電抗 Xt=18.6%;系統(tǒng)電抗 Xs=0.081 9(1 000 MVA、最小方式)，系統(tǒng)電抗 Xs=0.066 5(1 000 MVA、最大方式);機(jī)端電壓 Un=27kV;TA變比為28 000/1;TV變比為27/0.1。

根據(jù)式(1)可知，靜態(tài)穩(wěn)定圓在P-Q平面的圓心s00和半徑r00分別為1.46、1.8?？紤]可靠系數(shù)，計(jì)算得到有裕度靜態(tài)穩(wěn)定圓在P-Q平面的圓心s0和半徑r0為1.12、1.385。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分別選取 s0、r0為1.08、1.4。

將失勵(lì)磁保護(hù)異步圓按式(2)映射到P-Q平面，得到其圓心s和半徑r分別為－3.96、3.6。

將各曲線按相同比例畫在同一平面上，如圖1所示。由圖1可知，在機(jī)端電壓最低允許值為0.95Ue的情況下，失磁保護(hù)阻抗圓完全處在欠勵(lì)磁限制線的下方，欠勵(lì)磁限制曲線與靜態(tài)穩(wěn)定圓和失勵(lì)磁保護(hù)阻抗圓相互之間有一定的裕度。某電廠1 000MW發(fā)電機(jī)失勵(lì)磁保護(hù)和欠勵(lì)磁限制的原理和動(dòng)作行為相互匹配，發(fā)電機(jī)從失勵(lì)磁到最后失穩(wěn)或失步，機(jī)端測(cè)量阻抗先進(jìn)入欠勵(lì)磁限制區(qū)，然后進(jìn)入靜態(tài)失穩(wěn)區(qū)，最后過(guò)渡到失勵(lì)磁異步圓［5］。

圖1 發(fā)電機(jī)失勵(lì)磁保護(hù)與欠勵(lì)磁限制整定計(jì)算曲線Fig.1 Setting calculation curve between low excitation limiter and field loss protection in generator

2 發(fā)電機(jī)變壓器過(guò)激磁保護(hù)與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電壓/頻率限制之間的匹配

過(guò)激磁保護(hù)的作用為防止發(fā)電機(jī)和主變壓器因過(guò)激磁引起繞組、鐵芯和靠近的繞組、油箱壁、結(jié)構(gòu)件過(guò)熱造成局部變形和損傷絕緣。發(fā)電機(jī)、變壓器的過(guò)激磁一般在未與系統(tǒng)并列時(shí)發(fā)生，如:發(fā)電機(jī)在與系統(tǒng)并列前由于操作失誤，誤加勵(lì)磁電流;發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子低速時(shí)誤起勵(lì)磁;自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置失靈，電壓迅速升高，頻率雖也升高，但相對(duì)緩慢引起過(guò)激磁［6］。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電壓/頻率限制應(yīng)先于發(fā)電機(jī)和主變壓器的過(guò)激磁保護(hù)動(dòng)作，一般動(dòng)作后減少電壓給定值來(lái)限制電壓/頻率限制比值。在整定勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電壓/頻率限制單元定值時(shí)，要充分考慮與發(fā)電機(jī)、變壓器的過(guò)激磁保護(hù)定值的匹配，電壓/頻率限制定時(shí)限定值不得高于發(fā)電機(jī)、變壓器過(guò)激磁保護(hù)定值。若是反時(shí)限特性，曲線之間要匹配，要保證勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電壓/頻率限制先動(dòng)作［7］。某電廠1 000MW 機(jī)組發(fā)電機(jī)和變壓器配置了過(guò)激磁保護(hù)，發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)電壓/頻率報(bào)警值為1.06，時(shí)間為0.5 s;變壓器過(guò)激磁跳閘保護(hù)反時(shí)限特性啟動(dòng)值為1.09，時(shí)間常數(shù)為0.63，發(fā)電機(jī)的過(guò)勵(lì)磁能力低于主變，所以勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電壓/頻率限制主要與發(fā)電機(jī)的過(guò)激磁保護(hù)匹配。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中過(guò)激磁限制定值為1.06，時(shí)間為0 s，能夠與發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)定值匹配(見圖2)，當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)過(guò)激磁時(shí)首先由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器判斷加以限制，當(dāng)限制失敗時(shí)，由發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)跳閘［8］。

圖2 發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)與V/F限制整定計(jì)算曲線Fig.2 Setting calculation curves between V/F limiter and over excitation protection in generator

3 發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)流保護(hù)與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器定子電流限制之間的匹配

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器定子電流限制的作用是監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)定子電流給定值，把發(fā)電機(jī)定子電流限制在預(yù)定范圍，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子電流超過(guò)限制區(qū)，如果此時(shí)發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行，則限制器動(dòng)作，增加勵(lì)磁電流;如果此時(shí)發(fā)電機(jī)在遲相運(yùn)行，則限制器動(dòng)作，減少勵(lì)磁電流。其定子電流限制定值一般不超過(guò)額定電流的1.05倍，即調(diào)節(jié)器定子電流限制值為0.9 pu，時(shí)間為0 s，低于發(fā)電機(jī)定子過(guò)流保護(hù)整定值，滿足匹配要求(見圖3)。

圖3 發(fā)電機(jī)過(guò)電流保護(hù)與定子電流限制整定計(jì)算曲線Fig.3 Setting calculation curves between stator current limit and over current protection in generator

4 結(jié)論

某電廠4臺(tái)機(jī)組自正式投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)運(yùn)行良好，從未發(fā)生過(guò)因發(fā)變組保護(hù)定值與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)匹配不當(dāng)，造成機(jī)組停運(yùn)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器限制單元的定值整定要結(jié)合發(fā)變組一次系統(tǒng)運(yùn)行方式和繼電保護(hù)相關(guān)保護(hù)定值統(tǒng)籌考慮，做到定值之間的匹配優(yōu)化，從而保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］陸繼明.同步微機(jī)發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005:132-136.

［2］竺士章.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005:80-85.

［3］孫宇光，郝亮亮，王祥珩.同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的數(shù)學(xué)模型與故障特征［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(6):45-50.

［4］Morison K，Wang L，Kundur P.Power system security assessment［J］.IEEE Power and Energy Magazine，2004，2(5):30-39.

［5］Q/GDW 143—2006電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［6］吳跨宇，周平，高春如，等.基于空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁對(duì)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)整定的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(2):98-103.

［7］楊濤，劉棟.G60發(fā)電機(jī)保護(hù)在大型機(jī)組中的應(yīng)用與運(yùn)行分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(11):112-115.

［8］DL/T 684—1999大型發(fā)電機(jī)組變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1999.