大型汽輪發(fā)電機失磁保護定值整定探討

徐業(yè)榮，包明磊，李玉平，桑建斌，李 明

(1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211100；2.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

大型汽輪發(fā)電機失磁保護定值整定探討

徐業(yè)榮1,2，包明磊1,2，李玉平1,2，桑建斌1,2，李 明1,2

(1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211100；2.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

通過分析大型汽輪發(fā)電機失磁故障時機端阻抗變化與功率輸出變化，比較兩種失磁保護方案：阻抗原理和逆無功原理失磁保護。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)兩種保護原理主判據(jù)實質(zhì)上相同，信號出口方式相同。針對逆無功原理失磁保護定值整定沒有導則問題，提出阻抗動作邊界映射至 P-Q 平面方法，確定發(fā)電機失磁故障時功率動作邊界?？朔鏌o功原理失磁保護逆無功定值依靠工程經(jīng)驗整定困難，進一步提高保護定值整定可靠性。以一臺 1 000 MW汽輪發(fā)電機參數(shù)作為計算實例，計算兩種保護原理的保護定值，為雙重化雙原理失磁保護配置提供具體參考。

汽輪發(fā)電機；失磁保護；阻抗原理；逆無功原理；定值整定

0 引言

發(fā)電機失磁保護主要有兩種原理：阻抗原理失磁保護和逆無功原理失磁保護。

阻抗原理失磁保護以機端測量阻抗是否落入阻抗動作邊界作為失磁保護的主判據(jù)[1-2]，轉(zhuǎn)子低電壓為輔助判據(jù)[3]共同組成阻抗原理失磁保護。阻抗動作邊界可以是靜穩(wěn)極限圓和異步邊界圓中的一種。前者為功角 =90d °時，機端阻抗在阻抗平面上極限邊界；后者為同步發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)后，機端阻抗在阻抗平面上變化軌跡的包絡(luò)線[2]。

逆無功原理失磁保護通過檢測聯(lián)網(wǎng)機組是否從系統(tǒng)側(cè)吸收無功作為主判據(jù)，判斷是否發(fā)生失磁故障[4]。發(fā)電機發(fā)生失磁故障時，由于需要從系統(tǒng)側(cè)吸收無功，定子電流將增大。以發(fā)電機過負荷或者過電流作為逆無功原理失磁保護輔助判據(jù)，與主判據(jù)共同組成逆無功原理失磁保護。

在失磁保護定值整定中，阻抗原理失磁保護定值可參考導則[5]，逆無功原理失磁保護依靠工程經(jīng)驗整定。在工程應(yīng)用中，阻抗原理失磁保護一般需要使用轉(zhuǎn)子低電壓作為輔助判據(jù)。使用無刷勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機由于無法直接采集轉(zhuǎn)子電壓[6]，阻抗原理失磁保護增加誤動可能性，建議使用逆無功原理失磁保護。

發(fā)電機失磁保護作為一種涉網(wǎng)保護，對于電網(wǎng)運行穩(wěn)定性有著重要影響[7]，對保護可靠性有著更高要求。為了克服逆無功原理失磁保護依靠工程經(jīng)驗整定保護定值困難，本文提出一種將阻抗原理失磁保護動作邊界映射至P-Q平面，獲得發(fā)電機失磁故障時功率變化邊界的方法。為逆無功原理失磁保護定值整定提供科學、可靠依據(jù)。以一臺1 000 MW機組參數(shù)為例，運用此方法，分別計算兩種保護原理的保護定值，為雙重化雙原理失磁保護配置提供具體參考。

1 發(fā)電機失磁故障理論分析

圖1 發(fā)電機與系統(tǒng)聯(lián)系示意圖Fig. 1 Schematic diagram of connection between generator and grid

發(fā)電機機端測量阻抗：

式中，j為功率因數(shù)角。

發(fā)電機發(fā)生失磁故障時，因汽輪機機械部件響應(yīng)遠慢于電磁部件響應(yīng)，造成汽輪機能量輸出幾乎不變，即發(fā)電機有功輸出恒定。圖2 中的圓 1、2、3分別表示在有功輸出為時機端阻抗軌跡。所有等有功圓在阻抗平面上均與系統(tǒng)聯(lián)系阻抗相切，等有功圓半徑與有功輸出大小成反比。

將式(2)代入式(3)中，可得靜穩(wěn)極限狀態(tài)時發(fā)電機機端阻抗邊界：

圖2 中的圓 4 即為式(4)在阻抗平面坐標上的軌跡，圓內(nèi)陰影部分為發(fā)電機失去靜穩(wěn)后機端阻抗分布區(qū)。發(fā)電機發(fā)生失磁故障時，機端阻抗沿著等有功圓滑入靜穩(wěn)邊界圓內(nèi)，即機端阻抗由第一象限進入第四象限。

若失磁故障未能及時排除，發(fā)電機最終將失步，進入異步運行狀態(tài)，此時發(fā)電機機端測量阻抗與滑差s相關(guān)。當滑差 s= 0時，機端阻抗圓介于和之間；當滑差 s = -￥ 時，機端測量阻抗圓介于和(超瞬變電抗)之間。圖3 中陰影部分即為發(fā)電機異步后機端阻抗變化區(qū)域，用圓4將該區(qū)域包絡(luò)，即組成異步邊界圓。由可將圓4簡化以之間為直徑的圓。

圖3 汽輪發(fā)電機在阻抗平面上異步阻抗軌跡示意圖Fig. 3 Schematic diagram of turbo generator’s impedance curves of the asynchronous limit state

2 發(fā)電機失磁保護方案

通過對失磁故障時機端阻抗分析可知，失磁故障后機端阻抗由第一象限滑入第四象限，同時也必然出現(xiàn)發(fā)電機需要從系統(tǒng)側(cè)吸收無功。阻抗原理失磁保護方法主判據(jù)和逆無功原理失磁保護方法主判據(jù)從本質(zhì)上一致。

2.1 阻抗原理失磁保護方案

圖4 阻抗原理失磁保護動作區(qū)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the action area of loss-ofexcitation protection based on impedance circle

阻抗原理失磁保護中阻抗圓整定范圍可以采用異步阻抗圓或者靜穩(wěn)極限邊界圓，如圖4中圓 1和圓 2。發(fā)電機發(fā)生失磁后，若未能及時排除故障，發(fā)電機最終進入異步運行狀態(tài)，即異步運行狀態(tài)為發(fā)電機失磁的最終狀態(tài)。如果以異步阻抗圓為失磁保護阻抗圓邊界，容易造成保護的快速性不夠。在工程應(yīng)用中，通常使用靜穩(wěn)邊界作為阻抗原理失磁保護阻抗圓邊界。對于部分允許進相運行的機組，還需對靜穩(wěn)邊界圓進行裁剪：阻抗平面a角的正切線裁剪或逆向無功切線裁剪。以a角的正切線裁剪方法為例，圖4 中的 ODBE(陰影部分)為失磁保護的阻抗邊界。

由于機端阻抗進入阻抗圓內(nèi)只是失磁故障時的必要條件，而非充分條件。為了避免阻抗原理失磁保護誤動，一般加設(shè)轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)作為輔助判據(jù)[3]。當主判據(jù)和輔助判據(jù)均滿足動作要求時，即可認定機組發(fā)生失磁故障。當只有主判據(jù)滿足要求時，通過適當?shù)难訒r元件躲過非失磁故障。

圖5為阻抗原理失磁保護動作邏輯框圖。廠用電、勵磁系統(tǒng)取自發(fā)電機機端的機組，失磁故障且機端電壓低于定值時需要切換廠用電和勵磁系統(tǒng)。對于聯(lián)網(wǎng)機組，發(fā)生失磁故障且系統(tǒng)電壓過低時需及時將機組從系統(tǒng)中切除，避免造成系統(tǒng)崩潰。

汽輪發(fā)電機在失磁狀態(tài)下一般被允許運行一段時間，在異步運行過程中，若功率大于額定功率，需要發(fā)出減出力命令，減少原動機功率輸出。

圖5 阻抗原理失磁保護動作邏輯框圖Fig. 5 Logic diagram of generator loss-of-excitation protection based on impedance circle

2.2逆無功原理失磁保護方案

如圖6所示，逆無功原理失磁保護判據(jù)由兩部分組成：聯(lián)網(wǎng)機組從系統(tǒng)吸收無功功率；機組定子電流過大。當機組從系統(tǒng)吸收無功功率時，保護經(jīng)過短延時發(fā)出告警信號，進入失磁故障準備階段。定子電流過大判據(jù)分為過負荷和過流兩段定值判斷，增加保護動作出口選擇性。當定子電流過負荷且有功輸出較大時，保護發(fā)出減有功命令。為了避免發(fā)電機失步時定子電流發(fā)生波動，造成減有功命令返回，保護邏輯中增加自保持環(huán)節(jié)，使得減有功命令得到持續(xù)執(zhí)行。

圖6 逆無功原理失磁保護動作邏輯框圖Fig. 6 Logic diagram of generator loss-of-excitation protection based on inverse reactive power

當發(fā)電機同時發(fā)生逆向無功、定子電流過流故障時，判定發(fā)電機發(fā)生失磁故障。為了避免系統(tǒng)側(cè)故障造成保護誤動，通過系統(tǒng)側(cè)負序電壓閉鎖保護，且負序電壓消失后繼續(xù)閉鎖時間，躲避系統(tǒng)震蕩。

3 失磁保護定值整定分析

3.1 失磁保護原理對比

通過對兩種失磁保護原理的分析可知，失磁故障時發(fā)生機端低電壓、系統(tǒng)低電壓，阻抗原理失磁保護與逆無功原理失磁保護的出口策略一致。兩者的區(qū)別體現(xiàn)在判斷失磁故障的主判據(jù)不同。阻抗原理失磁保護主判據(jù)通過判斷機端測量阻抗是否落入阻抗邊界定值內(nèi)，逆無功原理失磁保護主判據(jù)判斷逆向無功大小是否大于定值。

阻抗原理的失磁保護阻抗圓的動作方程為

異步阻抗圓與靜穩(wěn)邊界阻抗圓的邊界不同體現(xiàn)在動作方程的半徑和圓心不同。

針對發(fā)電機失磁保護，文獻[5, 10]中給出了阻抗原理失磁保護阻抗圓整定導則：

(1) 異步邊界阻抗圓

(2) 靜穩(wěn)極限邊界阻抗圓

由文獻[11]可知：

將式(8)代入式(5)中，可得：

逆無功原理失磁保護是經(jīng)過多年的現(xiàn)場試驗總結(jié)出的一個保護原理，在以往的定值整定過程中，更多的是依靠工程經(jīng)驗值整定。通過圖7和表1，可以將失磁保護時的逆向無功數(shù)值量化，便于定值整定的準確性。

圖7 阻抗圓映射至 P-Q 平面示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the mapping the action area from impedance plane to P-Q plane

表1 動作區(qū)域由阻抗平面映射至 P-Q 平面位置對照Table 1 Reference of action area between impedance plane and P-Q plane

3.2失磁保護定值整定實例

逆無功原理失磁保護，在實際工程應(yīng)用中因為定值整定困難，造成工程應(yīng)用困難。通過將阻抗原理失磁保護動作區(qū)域映射至 P-Q 平面，即可算出機組在靜穩(wěn)極限和異步運行時逆無功定值。

表2 1 000 MW 發(fā)電機參數(shù)Table 2 Parameters of a 1 000 MW generator

(1) 阻抗原理失磁保護定值整定發(fā)電機額定二次基準阻抗：

靜穩(wěn)極限邊界阻抗圓動作邊界：

(2) 逆無功原理失磁保護定值整定

將靜穩(wěn)極限邊界式(11)以發(fā)電機額定值為基值，轉(zhuǎn)換為標幺值下靜穩(wěn)極限邊界方程：

取 10%的靜穩(wěn)儲備系數(shù)[13]，可得靜穩(wěn)極限圓動作邊界：

4 結(jié)語

本文對比了兩種失磁保護原理，通過將阻抗原理平面阻抗圓動作邊界映射至P-Q平面，使得失磁故障時逆向無功的產(chǎn)生過程更加直觀。對于使用無刷勵磁的發(fā)電機，由于無法直接采集轉(zhuǎn)子電壓，造成保護容易誤動。如果使用逆無功原理，則可以避免使用轉(zhuǎn)子電壓，并且不用將轉(zhuǎn)子電壓引至保護屏柜。由于逆無功原理失磁保護在逆無功定值整定上沒有導則可供參考，一般依靠工程經(jīng)驗進行定值整定，造成工程應(yīng)用困難。通過本文的阻抗映射至功率方法，獲取數(shù)學模型，具有定值整定可靠特點。本文的定值整定方法為今后無刷勵磁發(fā)電機失磁保護配置或者雙重化雙原理失磁保護配置提供了參考。

[1]鹿偉, 王增平, 鄭濤, 等. 基于振蕩邊界圓的失磁保護新 判 據(jù) 研 究[J]. 電 力 系 統(tǒng) 保 護 與 控 制, 2015, 43(3): 7-13. LU Wei, WANG Zengping, ZHENG Tao, et al. Research on a novel loss of excitation protection criterion based onimpedance circle of oscillatory boundary[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(3): 7-13.

[2]王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用[M]. 2 版. 北京: 中國電力出版社, 2002.

[3]姚晴林, 祖?zhèn)? 汪象侃, 等. 整定值自動隨有功功率變化的轉(zhuǎn)子低壓型(UL-P 型)失磁保護整定計算的研究[J].繼電器, 1995, 23(1): 3-9．

[4]薛伊琴. 發(fā)電機失磁保護原理的比較和分析[J]. 繼電器, 2005, 33(20): 33-35. XUE Yiqin. Comparison and analysis of theory of generator loss of field protections[J]. Relay, 2005, 33(20): 33-35.

[5]DL/T 684-2012 大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則[S]. DL/T 684-2012 guide of calculating settings of relay protection for large generator and transformer[S].

[6]隋佳音, 畢天姝, 薛安成, 等. 新型發(fā)電機失磁保護加速判據(jù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(20): 69-73. SUI Jiayin, BI Tianshu, XUE Ancheng, et al. A novel accelerated criterion for loss of field protection[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(20): 69-73.

[7]劉桂林, 宋瑋, 宋新立. 基于涉網(wǎng)保護的低勵限制、失磁保護與失步保護配合的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2014, 42(23): 107-112. LIU Guilin, SONG Wei, SONG Xinli. Research on coordination of low excitation limit, loss of excitation protection and out-of-step protection based on grid-related protection[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(23): 107-112.

[8]李宗澤, 史成軍. 基于二維云模型同步發(fā)電機 PID 勵磁系統(tǒng)仿真[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2016, 44(7): 19-24. LI Zongze, SHI Chengjun. Simulation research on PID excitation system of synchronous generator based on two-dimensional cloud model[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(7): 19-24.

[9]曹帥, 張清枝. 同步發(fā)電機氣隙對其穩(wěn)定性和有功功率影響的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(15): 91-95. CAO Shuai, ZHANG Qingzhi. Research of influence of synchronous generator air-gap on stability and active power[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(15): 91-95.

[10]王維儉, 桂林, 王雷, 等. 發(fā)電機失磁保護定值整定的討論[J]. 電力自動化設(shè)備, 2009, 29(3): 1-3. WANG Weijian, GUI Lin, WANG Lei, et al. Discussion on setting calculation of generator loss-of-excitation protection[J]. Electric Power Automation Equipment, 2009, 29(3): 1-3.

[11]嚴偉, 陳俊, 沈全榮. 大型隱極發(fā)電機進相運行的探討[J]．電力系統(tǒng)自動化, 2007, 31(2): 94-97. YAN Wei, CHEN Jun, SHEN Quanrong. Discussion on large non-salient pole generator phase-advancement operation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(2): 94-97.

[12]李莉, 劉萬斌, 李玉海. 1000 MW 發(fā)電機組保護的配置及選型[J]．華電技術(shù), 2008, 30(8): 8-12．LI Li, LIU Wanbin, LI Yuhai. Protection configuration and type selection for 1000MW generator set[J]. Huadian Technology, 2008, 30(8): 8-12.

[13]郭春平, 余振, 殷修濤. 發(fā)電機低勵限制與失磁保護的配合整定計算[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(28): 129-132. GUO Chunping, YU Zhen, YIN Xiutao. Coordinative setting calculation of minimum-excitation limit and loss-ofexcitation protection for generator[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(28): 129-132.

(編輯 魏小麗)

Discussion on setting calculation of large steam turbine generator loss-of-excitation protection

XU Yerong1,2, BAO Minglei1,2, LI Yuping1,2, SANG Jianbin1,2, LI Ming1,2
(1. Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd., Nanjing 211100, China; 2. Guodian Nanjing Automation Co., Ltd., Nanjing 211100, China)

This paper compares the two criterions of generator loss-of-excitation protection based on impedance principle and inverse reactive power principle, by analyzing the variation of the steam turbine generator’s power output and generator-end impedance. The main criterions of the two protection principles are demonstrated the same principle and trip mode. The main action area of loss-of-excitation protection based on impedance principle is mapped from impedance plane to P-Q plane, in order to get the power action area. The function can save the setting calculation of the latter one from engineering experience. Finally, taking a 1 000 MW steam turbine generator as an example, the setting calculation of the two kinds of protection principles are calculated, which provides a specific reference for the dual principle loss-of-excitation protection configuration.

steam turbine generator; loss-of-excitation protection; impedance principle; inverse reactive power principle; setting calculation

10.7667/PSPC201626

：2016-05-28

徐業(yè)榮( 1986-)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護；E-mail: xu.yerong@foxmail.com

包明磊(1977-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護；

李玉平(1978-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。