汽輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作行為分析方法

張紅躍 肖志剛 張海寧 劉艷東 張軍紅 羅明輝

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000;2.遼寧清河發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112003)

0 前言

失磁保護(hù)是發(fā)電機(jī)組的勵磁電流下降或勵磁電流消失事故的保護(hù)，能消除(保護(hù))機(jī)組和系統(tǒng)因失磁事故帶來的電流增大、系統(tǒng)電壓或機(jī)端電壓下降和機(jī)組及系統(tǒng)振蕩的危害［1］。為使有關(guān)運行、繼保人員對失磁保護(hù)有個正確的評價和認(rèn)識，有必要對汽輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)在進(jìn)相試驗(或運行)前和失磁事故后作分析驗算，了解失磁保護(hù)動作行為，以便作好進(jìn)相運行或試驗前準(zhǔn)備和失磁事故后的分析［2］。

1 失磁保護(hù)判據(jù)

汽輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)判據(jù)較多［3-5］，受篇幅所限，這里就最常用的靜穩(wěn)極限阻抗圓、異步阻抗圓、系統(tǒng)低電壓和機(jī)端低電壓等判據(jù)展開失磁保護(hù)動作行為分析。

1.1 靜穩(wěn)極限阻抗圓判據(jù)

阻抗圓上動作整定值：Z1A=jXst=j(Xt+Xs)

阻抗圓下動作整定值：Z1B=-jXd

1.2 異步阻抗圓判據(jù)

阻抗圓上動作整定值：Z2A=-jX'd/2

阻抗圓下動作整定值：Z2B=-jXd

1.3 系統(tǒng)低電壓判據(jù)

按不破壞系統(tǒng)安全穩(wěn)定電壓來整定，系統(tǒng)低電壓動作整定值：Us.set≤(0.85 ～0.90)Utn

1.4 機(jī)端低電壓判據(jù)

按不破壞廠用電安全和躲過強(qiáng)勵起動電壓來整定，機(jī)端低電壓動作整定值：Ug.set≤(0.75～0.90)Ugn

公式中：Xst是與系統(tǒng)間的聯(lián)系電抗，Xt是主變電抗，Xs是系統(tǒng)聯(lián)系電抗，Xd是發(fā)電機(jī)的縱軸電抗，X'd是發(fā)電機(jī)的縱軸暫態(tài)電抗，Utn是主變高壓側(cè)母線二次額定電壓，Ugn是發(fā)電機(jī)機(jī)端二次額定電壓。

2 判據(jù)驗算及校核

2.1 機(jī)端測量阻抗

已知發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓U和電流 I，就知道機(jī)端阻抗：

知道發(fā)電機(jī)失磁過程中U、I、P和Q的變化，就可知道失磁過程中機(jī)端阻抗Z的變化軌跡。也就知道了機(jī)端在各不同U、P和Q數(shù)值下的機(jī)端測量阻抗：

式中：φ=arctg(Q/P)是功率角，UgN是機(jī)端額定電壓一次值，Ksen是進(jìn)相運行或失磁時機(jī)端電壓要下降的下降系數(shù)。

2.1.1 進(jìn)相運行時機(jī)端測量阻抗

都知道有時調(diào)峰需要使發(fā)電機(jī)進(jìn)相運行吸收系統(tǒng)無功功率來調(diào)節(jié)減小系統(tǒng)電壓，保證系統(tǒng)用電安全和電壓質(zhì)量;還有新機(jī)組為要掌握和調(diào)節(jié)好進(jìn)相運行各種參數(shù)也必須要作新機(jī)組的進(jìn)相運行試驗，為此進(jìn)相運行深度需要多大可使失磁保護(hù)不動作跳閘，保證進(jìn)相運行順利進(jìn)行;或多大深度又可使失磁保護(hù)動作來檢驗失磁保護(hù)的動作可靠性。

理論上講當(dāng)發(fā)電機(jī)組送出有功功率為零，進(jìn)相運行的無功功率可達(dá)額定有功功率值，但它要受定子端部約束線T曲線的限制。根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組運行極限特性圖和勵磁繞組溫升限制線，和給出的定子端部約束線即發(fā)電機(jī)運行規(guī)范T曲線可知，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運行時有功功率為零，一般無功功率最大值約是額定有功功率的0.4倍。

汽輪機(jī)組作進(jìn)相運行(或進(jìn)相試驗)一般多取有功功率為0.5倍的額定有功功率(P=0.5PgN)，無功功率取0.33倍額定有功功率(Q=-0.33PgN)，由(1)式可得進(jìn)相運行機(jī)端測量阻抗一次值為：

式中：取電壓下降的可靠系數(shù)Ksen=0.9

P、Q是進(jìn)相運行時的即時有功功率和無功功率，nTA、nTV分別是機(jī)端電流互感器和電壓互感器的變比。

同理，若無功功率進(jìn)相增大到Q=-0.4PgN以上時，失磁保護(hù)的阻抗判據(jù)圓有可能會誤動，同時也超出了定子端部約束線T曲線的限制，在作進(jìn)相試驗時應(yīng)加以注意。

2.1.2 失磁異常時機(jī)端測量阻抗

發(fā)電機(jī)發(fā)生嚴(yán)重失磁事故后，如不采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)電源間的電功角δ會大于靜穩(wěn)極限角90°，直至達(dá)到180°時無功功率達(dá)最大負(fù)值，它等于失磁事故前機(jī)組所送出的有功功率，即Q=-P=-PgN，由2-1式可得失磁時的機(jī)端測量阻抗為：

2.2 阻抗圓判據(jù)驗算

可由機(jī)端測量阻抗zcl是否進(jìn)入失磁保護(hù)整定阻抗圓內(nèi)來判斷保護(hù)動作行為。阻抗邊界動作值分為靜穩(wěn)阻抗圓和異步阻抗圓來討論。根據(jù)失磁保護(hù)阻抗圓判據(jù)的整定圓可作出如圖1的失磁保護(hù)阻抗整定圓。

圖1 失磁阻抗邊界動作值分析圖

式中：φ是機(jī)組進(jìn)相運行或失磁事故時的無功功率與有功功率所對應(yīng)的功率角。

當(dāng)測量阻抗(絕對)值小于阻抗邊界動作值時，表示機(jī)端阻抗進(jìn)入靜穩(wěn)阻抗動作圓內(nèi)，判斷保護(hù)會動作;當(dāng)測量阻抗(絕對)值大于阻抗邊界動作值時，表示機(jī)端阻抗沒有進(jìn)入保護(hù)靜穩(wěn)阻抗動作圓內(nèi)，是在阻抗動作圓外部保護(hù)不會動作。

2.2.1 靜穩(wěn)阻抗圓的動作邊界值

根據(jù)靜穩(wěn)阻抗圓整定值可計算出不同運行工況(進(jìn)相運行或失磁)的機(jī)端阻抗角下的保護(hù)阻抗邊界動作值。

由圖1可知：P點是靜穩(wěn)阻抗圓圓心，半徑：PA=c=(Xd+Xst)/2，∠ROA=φ是機(jī)端測量阻抗角，圓心線：即求阻抗邊界動作值。

根據(jù)余弦定理有二元一次方程：

改寫為：x2-2asinφ·x+(a2-c2)=0

其根：

a、c代入后化簡得靜穩(wěn)阻抗邊界動作值為：

靜穩(wěn)阻抗元件動作可靠( 靈敏) 系數(shù)為：Ksen.j=Zj，bj/Zj，cl，其值應(yīng)大于1，大的越多說明保護(hù)動作越可靠(靈敏);若小于1或小的越多，靜穩(wěn)阻抗元件不會或越不會動作。

2.2.2 異步阻抗圓的動作邊界值

由圖1可知，Q點是異步阻抗圓圓心，半徑：QB=c=(Xd-X'd/2)/2，∠ROB=φ，圓心線：兩個邊界動作值OB或OC。

可得兩個異步阻抗邊界動作值：

當(dāng)測量阻抗(絕對)值小于異步阻抗邊界一動作值而大于異步阻抗邊界二動作值時，表示機(jī)端阻抗進(jìn)入保護(hù)異步阻抗動作圓內(nèi)，可判斷保護(hù)會動作。動作可靠(靈敏)系數(shù)為：

2.3 低電壓判據(jù)驗算

大型發(fā)電機(jī)組失磁要大量吸收系統(tǒng)無功功率，增大定子電流和無功功率消耗，引發(fā)系統(tǒng)電壓或機(jī)端電壓的下降。當(dāng)系統(tǒng)電壓或機(jī)端電壓下降到系統(tǒng)或機(jī)端所允許的安全電壓值以下時，會危害電力系統(tǒng)或廠用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，或會引發(fā)系統(tǒng)電壓的崩潰或引發(fā)機(jī)組鍋爐爆炸。為保護(hù)系統(tǒng)電壓或機(jī)端電壓的安全，失磁保護(hù)必須設(shè)有系統(tǒng)低電壓或機(jī)端低電壓等作為系統(tǒng)電壓或機(jī)端電壓保護(hù)的主判據(jù)。

2.3.1 系統(tǒng)低電壓驗算

假設(shè)發(fā)電機(jī)在額定功率下發(fā)生失磁，其無功功率等于發(fā)電機(jī)送出的有功功率，吸收系統(tǒng)大量無功功率，升壓變壓器消耗的無功功率是uk%St，uk%是主變短路電壓百分比，St是主變額定容量;系統(tǒng)聯(lián)系電抗為Xs(應(yīng)按不利條件即最小運行方式取值計算)上的壓降為：ΔUs=(P+uk%St)Xs/Sb;那么升壓變高壓側(cè)母線(系統(tǒng))電壓是：

P是失磁前運行的有功功率，Xs是基準(zhǔn)容量下的聯(lián)系電抗，Us.b是高壓側(cè)母線系統(tǒng)電壓值(一次平均值或運行值)，Sb是系統(tǒng)基準(zhǔn)容量。若此電壓小于系統(tǒng)低電壓整定值Us.set，系統(tǒng)低電壓判據(jù)動作，可靠(靈敏)系數(shù)：

2.3.2 機(jī)端低電壓驗算

機(jī)組失磁時在系統(tǒng)電抗和主變電抗上的壓降為：ΔUst=(P+uk%St)(Xs+Xt)/Sb，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓是：

Ug=(1-ΔUst)UgN，Xt是基準(zhǔn)容量下的主變電抗，UgN是機(jī)端額定電壓一次值。若此電壓小于機(jī)端低電壓整定值，機(jī)端低電壓判據(jù)動作，可靠(靈敏)系數(shù)：=/

3 實例

因各發(fā)變組和系統(tǒng)及聯(lián)系電抗等參數(shù)不同，當(dāng)機(jī)組發(fā)生失磁時的機(jī)端阻抗和系統(tǒng)電壓或機(jī)端電壓不同，使得失磁阻抗和低電壓等判據(jù)動作行為也不相同。為更好說明問題并有個量的概念，這里以660MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組為例來驗算分析失磁保護(hù)動作行為。

某核電站機(jī)組額定容量660MW、最大容量733MVA、額定電壓 UgN=20kV、XD=2.37、X'd=0.291、主變額定容量780MVA、主變短路電壓比uk%=0.1745、電抗Xt=0.1643、高壓側(cè)額定電壓Uh.N=515kV，最小運行方式系統(tǒng)聯(lián)系電抗Xs.min=0.0288、最大運行方式系統(tǒng)聯(lián)系電抗Xs.max=0.0161、上述各電抗值都是在基準(zhǔn)容量Sb=733MVA下的標(biāo)幺值，平均電壓Uh.b=525kV;機(jī)端CT變比5600，PT變比200。

3.1 發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運行分析

發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運行試驗工況是P=0.5PN、Q=0.33PN的機(jī)端測量阻抗、靜穩(wěn)及異步阻抗邊界動作值和高壓母線電壓值或機(jī)端電壓值如下：(二次值)

機(jī)端測量阻抗絕對值略大于靜穩(wěn)阻抗邊界動作值，機(jī)端阻抗處在靜穩(wěn)阻抗動作區(qū)邊沿上，其動作可靠(靈敏)系數(shù)Ksen.j=0.99很接近1，靜穩(wěn)阻抗判據(jù)元件有可能會誤動作，所以要求在進(jìn)相運行時無功功率不能大于0.33倍的有功功率值，否則靜穩(wěn)阻抗元件要誤動作跳閘，進(jìn)而不能保證機(jī)組的進(jìn)相運行。測量阻抗在異步阻抗圓動作區(qū)外，異步阻抗元件不會誤動;高壓母線電壓值和機(jī)端電壓值都大于低電壓整定值，保護(hù)低電壓判據(jù)元件不會誤動作，能確保機(jī)組正常進(jìn)相運行。

3.2 發(fā)電機(jī)組失磁事故分析

發(fā)電機(jī)組在任何負(fù)荷下發(fā)生失磁事故時，機(jī)組從系統(tǒng)吸收的無功功率等于事故前機(jī)組送出的有功功率，功率角等于-45o，機(jī)端測量阻抗將會是一個波動的恒定值。因此可計算出機(jī)端測量阻抗、靜穩(wěn)及異步阻抗邊界動作值和高壓母線或機(jī)端電壓值如下：(二次值)

機(jī)端測量阻抗絕對值小于靜穩(wěn)阻抗邊界動作值，機(jī)端阻抗進(jìn)入靜穩(wěn)阻抗扇形動作區(qū)內(nèi)，靜穩(wěn)阻抗元件可靠動作，動作可靠(靈敏)系數(shù)是：

測量阻抗絕對值小于異步阻抗邊界一動作值而大于異步阻抗邊界二動作值，機(jī)端阻抗完全落入異步阻抗動作區(qū)內(nèi)，動作可靠(靈敏)系數(shù)為Ksen.v1=2.10或Ksen.v2=1.44，異步阻抗元件可靠動作跳閘，能保護(hù)失磁機(jī)組及系統(tǒng)的安全。

高壓母線電壓大于系統(tǒng)低電壓整定值，系統(tǒng)低電壓元件不能動作;機(jī)端電壓小于機(jī)端低電壓整定值，其動作可靠(靈敏)系數(shù)Kset.gv=1.01，機(jī)端低電壓元件處在動作邊沿則有可能會動作。

4 結(jié)論

(1)要使發(fā)電機(jī)組安全順利進(jìn)行進(jìn)相運行(或試驗)，確保穩(wěn)定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，進(jìn)相運行前應(yīng)就進(jìn)相運行的有功功率和無功功率的大小作出驗算，在失磁保護(hù)不誤動的前提下，確定進(jìn)相運行的有功和無功大小。

(2)如果發(fā)生了失磁事故也可通過驗算來分析驗證失磁保護(hù)的動作行為的正確性。

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