發(fā)電機變壓器組保護與自并勵勵磁系統(tǒng)的技術(shù)配合整定分析

王 寧

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

自并勵勵磁系統(tǒng)是指為發(fā)電機端部的靜止勵磁系統(tǒng)提供整流電源裝置的系統(tǒng)。發(fā)電機自動勵磁調(diào)節(jié)裝置（AVR）通過調(diào)節(jié)、限制、切換等方法對勵磁系統(tǒng)起到限制和保護的作用，主要包括，低勵磁限制和保護、過勵磁限制和保護、勵磁過電流限制和保護等。其動作順序是，先進行限制，使AVR恢復(fù)至正常工作狀態(tài)；當限制器動作后AVR仍然不能恢復(fù)至正常工況工作時，再由AVR的保護延時動作，將AVR由工作通道切換至備用通道或自動切至手動（有時延時將AVR切至50Hz手動）；如仍然不能恢復(fù)至正常工況工作，最后由發(fā)電機繼電保護作用，實現(xiàn)停機［1］。但是，當前多數(shù)電廠的發(fā)電機變壓器組保護在進行整定計算時，容易忽略與AVR的配合，導(dǎo)致一旦勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)異常，發(fā)電機變壓器組保護立即動作，導(dǎo)致機組停機。

1 失磁保護與低勵磁限制的配合

發(fā)電機運行時，由于系統(tǒng)電壓升高、運行人員誤操作、勵磁裝置故障等原因，都可能使發(fā)電機在低勵磁狀態(tài)下運行，發(fā)電機失磁保護就是對這種勵磁電流異常下降或完全消失的失磁故障的保護［2］。勵磁調(diào)節(jié)器中低勵限制的作用是，當勵磁電流下降到限制值時，限制勵磁電流下降或增加勵磁電流，使機組不越過靜穩(wěn)極限。GB/T 14285－2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》［3］要求“最低勵磁限制的動作應(yīng)能先于勵磁自動切換和失磁保護的動作”。

1.1 理論分析

阻抗型失磁保護是在發(fā)電機機端的R－X測量阻抗圓平面上計算的，而勵磁調(diào)節(jié)器的低勵限制環(huán)節(jié)是根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定極限圓并結(jié)合系統(tǒng)的無功功率儲備整定的，二者分別屬于不同的坐標系，無法直觀地校核他們之間的配合關(guān)系，為此，必須將兩者都歸算到同一坐標平面上進行討論。

對于汽輪發(fā)電機，靜穩(wěn)極限圓在P－Q平面上的表達式為

式中：P、Q分別為發(fā)電機的有功功率和無功功率；U為發(fā)電機機端電壓；Xs為發(fā)電機與系統(tǒng)的聯(lián)系電抗；Xd發(fā)電機的同步電抗。圓心為［0，U2/2（1/Xs－1/Xd）］，半徑為U2/2（1/Xs＋1/Xd），圓內(nèi)是發(fā)電機的穩(wěn)定運行區(qū)域。當發(fā)電機運行在圓外時，不能穩(wěn)定運行，故低勵限制單元應(yīng)限制勵磁電流繼續(xù)減少。

設(shè)失磁保護阻抗圓的圓心坐標為（0，X0），半徑為R0，圓內(nèi)為動作區(qū)，其方程為

映射至P－Q平面上，靜穩(wěn)圓為

式中：X0＝－（Xd－Xs）/2，R0＝－（Xd＋Xs）/2；靜穩(wěn)圓與Q軸相交于（0，U2/Xs）和（0，－U2/Xs），動作區(qū)在圓外。

映射至P－Q平面上，異步圓為

式中：X0＝－（Xd＋0.5X′d）/2，R0＝ －（Xd－0.5X′d）/2，X′d為發(fā)電機暫態(tài)電抗不飽和值，異步圓與Q軸相交于（0，－U2/Xd）和（0，－U2/2X′d），動作區(qū)在圓內(nèi)。

根據(jù)以上式子，可以繪出發(fā)電機及AVR在PQ平面上的各特性曲線，見圖1，為了便于觀察和說明問題，只繪出第4象限部分。

圖1 發(fā)電機的低勵限制和保護配合曲線

發(fā)電機進相運行時，當機端測量阻抗到達曲線1時，則判斷為低勵磁狀態(tài)，此時發(fā)出低勵磁信號，AVR閉鎖減磁，并自動執(zhí)行增磁操作，直到低勵磁故障消失。如果低勵磁限制未作用，發(fā)電機繼續(xù)進相，當達到曲線3時，說明發(fā)電機由于失磁已失去同步，失磁保護動作執(zhí)行解列發(fā)電機命令。由此可見，由于勵磁調(diào)節(jié)器有低勵磁限制功能，當發(fā)電機正常進相運行時，失磁保護不應(yīng)誤動作。

1.2 配合原則

失磁保護根據(jù)機端測量阻抗而動作，當發(fā)電機失磁后機端測量阻抗必將從等有功圓越過靜穩(wěn)圓，最后進入到異步圓，動作方式為減出力、切換廠用電、解列。低勵限制的作用是當勵磁電流下降到限制值時限制勵磁電流下降或增加勵磁電流，使機組在運行時不越過靜穩(wěn)極限。從失磁保護、低勵磁限制的原理和動作行為可得到相互配合原則：發(fā)電機從失磁到最后失穩(wěn)或失步，機端測量阻抗和功率都應(yīng)該先進入低勵磁限制區(qū)，然后進入低勵磁保護區(qū)，最后過渡到失磁保護圓（靜穩(wěn)圓或異步圓），在P－Q平面上失磁保護阻抗圓處在低勵磁限制線的下方，而且相互之間的裕度充分合理、過渡平穩(wěn)。

1.3 配合方案

a.根據(jù)發(fā)電機的進相試驗數(shù)據(jù)得曲線1。

b.根據(jù)發(fā)電機低勵磁限制數(shù)據(jù)得曲線2。

c.將低勵磁限制曲線向下平移一定值，約為發(fā)電機額定無功功率的10%左右，即為低勵磁保護曲線3。

d.計算以發(fā)電機基本阻抗為基準的發(fā)電機和系統(tǒng)阻抗標幺值，在P－Q平面上計算以發(fā)電機視在功率為基準的發(fā)電機靜穩(wěn)圓坐標和半徑的標幺值，即為曲線5。

e.考慮10%～20%的靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)、5%～10%的參數(shù)誤差及一定的可靠系數(shù)，靜穩(wěn)圓坐標和半徑的標幺值除以1.2～1.5后得到有裕度的靜穩(wěn)圓，即為發(fā)電機失磁保護靜穩(wěn)邊界圓曲線4。

f.發(fā)電機勵磁降低后，低勵磁限制先于低勵磁保護和失磁保護動作，滿足了文獻［3－5］中的配合要求。

2 轉(zhuǎn)子繞組過電流保護與勵磁過電流限制的配合

現(xiàn)代大型發(fā)電機組的繼電保護裝置和AVR中均裝設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組過電流保護。發(fā)電機變壓器組保護裝置的轉(zhuǎn)子繞組過電流保護動作后，導(dǎo)致機組停機；AVR有勵磁過電流限制和保護2種功能。2套勵磁過電流保護動作特性相似，但在整定計算時應(yīng)考慮相互間的配合［6］。

2.1 配合原則

發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流保護在整定計算時，允許發(fā)熱時間常數(shù)Khe.al、反時限過電流保護上限動作值的計算依據(jù)是由發(fā)電機制造廠提供的允許強行勵磁倍數(shù)和允許強行勵磁時間決定的。制造廠提供的發(fā)電機轉(zhuǎn)子允許發(fā)熱時間常數(shù)為Khe.al＝（Kfo.al－1）tal，其中，Kfo.al為允許強行勵磁倍數(shù)；tal為允許強行勵磁時間。

2.2 配合方案

發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流保護在整定時，必須與發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組允許過電流特性曲線，發(fā)電機AVR勵磁過電流限制、保護相互配合計算。

a.發(fā)電機允許發(fā)熱時間常數(shù)≥發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流保護發(fā)熱時間常數(shù)整定值＞AVR勵磁過電流保護發(fā)熱時間常數(shù)整定值＞AVR勵磁過電流限制發(fā)熱時間常數(shù)整定值。

b.發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流保護下限動作電流整定值＞AVR勵磁過電流保護下限動作電流整定值＝AVR勵磁過電流限制下限動作電流整定值。

c.發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流保護上限動作電流整定值＞AVR勵磁過電流保護上限動作電流整定值＞AVR勵磁過電流限制上限動作電流整定值。

d.發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流保護上限動作時間整定值＞AVR勵磁過電流保護上限動作時間整定值＞AVR勵磁過電流限制上限動作時間整定值。發(fā)電機勵磁過電流保護與AVR勵磁過電流限制整定配合方案如圖2所示。

圖2 發(fā)電機勵磁過電流保護與AVR勵磁過電流限制配合方案

3 過勵磁保護與過勵磁限制的配合

發(fā)電機過勵磁保護應(yīng)與AVR過勵磁限制配合。當發(fā)電機過勵磁時，AVR的過勵磁限制應(yīng)先于發(fā)電機的過勵磁保護動作，即AVR的過勵磁限制倍數(shù)n應(yīng)小于反時限過勵磁保護中設(shè)置的最低n值，如發(fā)電機反時限過勵磁保護的最低n值為1.07，則勵磁調(diào)節(jié)器的限制值n取1.06［7］。發(fā)電機允許過勵磁特性和發(fā)電機、AVR離散型過勵磁保護動作特性配合方案如圖3所示。

圖3 發(fā)電機過勵磁保護與AVR過勵磁限制的配合方案

根據(jù)發(fā)電機制造廠提供的發(fā)電機允許過勵磁特性曲線，可得到發(fā)電機過勵磁保護動作時間和AVR過勵磁限制動作時間，見表1。

表1 發(fā)電機過勵磁保護和AVR離散型過勵磁限制各點整定值

4 結(jié)束語

作為發(fā)電機二次系統(tǒng)中最重要的2個組成部分，發(fā)電機變壓器組保護與勵磁控制系統(tǒng)是緊密關(guān)聯(lián)的，繼電保護人員在進行勵磁和發(fā)電機保護整定時，應(yīng)充分考慮兩者的聯(lián)系，以確保保護裝置的正確運行。文中從發(fā)電機失磁保護、轉(zhuǎn)子繞組過電流保護、過勵磁保護三方面闡述了與AVR勵磁限制、保護的配合整定，希望能夠?qū)φㄓ嬎闳藛T有所啟示。

［1］ 高春如.大型發(fā)電機組繼電保護整定計算與運行技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］ 姚子麟.發(fā)電機進相運行對失磁保護的影響［J］.浙江電力，1998，17（6）：41－43.

［3］ GB/T 14285－2006，繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ DL/T 650－1998，大型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［5］ DL/T 843－2003，大型汽輪發(fā)電機交流勵磁機勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［6］ 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護與應(yīng)用［M］，北京：中國電力出版社，1996.

［7］ DL/T 684－1999，大型發(fā)電機變壓器整定計算導(dǎo)則［S］.