一起機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)失磁保護(hù)動(dòng)作原因分析*

解兵，徐珂，周前，劉建坤，趙靜波

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京211102）

0 引 言

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，機(jī)組失磁故障成為同步發(fā)電機(jī)較常見(jiàn)的故障形式。失磁后，發(fā)電機(jī)將過(guò)渡到異步運(yùn)行，將會(huì)破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并威脅發(fā)電機(jī)本身的安全。此外，在機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)中，需考驗(yàn)機(jī)組最大吸收無(wú)功的能力，極可能引起失磁保護(hù)誤動(dòng)作造成機(jī)組跳機(jī)。因此，失磁保護(hù)定值的整定尤為重要，一旦整定有誤，將引起保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，不利于機(jī)組運(yùn)行安全［1－4］。

介紹了一起機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)失磁保護(hù)發(fā)生動(dòng)作的情況，從失磁保護(hù)整定計(jì)算過(guò)程、機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)工況的確定及校核情況、試驗(yàn)過(guò)程中低勵(lì)限制參數(shù)設(shè)置等方面詳細(xì)分析本次失磁保護(hù)動(dòng)作原因，并提出防范類(lèi)似事故發(fā)生的技術(shù)措施。

1 失磁保護(hù)動(dòng)作經(jīng)過(guò)

某廠N號(hào)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為國(guó)外某公司生產(chǎn)的UNITROL 5000型數(shù)字調(diào)節(jié)器，發(fā)變組保護(hù)是國(guó)外某公司生產(chǎn)的REG216型微機(jī)型保護(hù)。該機(jī)組完成擴(kuò)容改造后，額定功率由600 MW提升至650 MW，按照進(jìn)相試驗(yàn)導(dǎo)則要求，需重新開(kāi)展進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)。某日下午，開(kāi)展進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，順利完成100%PN和75%PN有功工況試驗(yàn)后，開(kāi)展50%PN有功工況試驗(yàn)，無(wú)功進(jìn)相至－237 Mvar時(shí)，該機(jī)組發(fā)變組失磁保護(hù)動(dòng)作，引起機(jī)組跳機(jī)。

2 失磁保護(hù)動(dòng)作原因分析

2.1 失磁保護(hù)整定情況

通常發(fā)變組失磁保護(hù)判據(jù)有靜穩(wěn)邊界阻抗圓和異步邊界阻抗圓［5－6］，國(guó)外某公司的REG126發(fā)變組失磁保護(hù)判據(jù)為異步邊界阻抗圓。根據(jù)國(guó)外某公司保護(hù)整定說(shuō)明書(shū)，首先根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算異步邊界阻抗圓上兩個(gè)阻抗值。然后根據(jù)式（3）、式（4）計(jì)算保護(hù)裝置的整定值。

式中UN、IN分別為電壓互感器相電壓額定值和電流互感器額定值。

該廠機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組基本參數(shù)Tab.1 Basic unit parameter

根據(jù)式（1）～式（4），可計(jì)算機(jī)組的失磁保護(hù)整定值：XA＝－30.86Ω；XB＝－1.89Ω；XA-Setting＝－2.67 p.u.；XB-Setting＝－0.16 p.u.。

機(jī)組跳機(jī)后，從失磁保護(hù)裝置調(diào)取了該公司失磁保護(hù)定值設(shè)置圖，如圖1所示。從圖1可見(jiàn)，國(guó)外某公司失磁保護(hù)定值和說(shuō)明書(shū)完全一致。

圖1 機(jī)組失磁保護(hù)定值Fig.1 Parameters of the loss of excitation protection

2.2 試驗(yàn)前失磁保護(hù)校核情況

根據(jù)試驗(yàn)流程，在進(jìn)相試驗(yàn)前，需要針對(duì)進(jìn)相試驗(yàn)方案工況進(jìn)行失磁保護(hù)校核工作，校核時(shí)，將所有試驗(yàn)工況映射到同一坐標(biāo)平面［7－8］，確保在試驗(yàn)方案工況內(nèi)，失磁保護(hù)不發(fā)生動(dòng)作。

制定試驗(yàn)方案時(shí)，參考發(fā)電機(jī)功角計(jì)算數(shù)據(jù)和同類(lèi)型機(jī)組試驗(yàn)時(shí)功角實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，再依據(jù)發(fā)電機(jī)P-Q圖，確定最終的試驗(yàn)工況。發(fā)電機(jī) P-Q圖如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)P-Q圖Fig.2 Generator P-Q diagram

最終確定的試驗(yàn)工況如表2所示，并將進(jìn)相最深時(shí)試驗(yàn)工況點(diǎn)在圖2中標(biāo)出?？梢?jiàn)表2中試驗(yàn)工況在圖2加粗線以上，滿足機(jī)組靜穩(wěn)限制。

進(jìn)行失磁保護(hù)校核時(shí)，首先根據(jù)式（5）計(jì)算出表2中不同運(yùn)行工況下阻抗值，之后在R-X平面把不同運(yùn)行工況的阻抗值與失磁保護(hù)異步邊界阻抗圓同時(shí)標(biāo)出。若阻抗值進(jìn)入異步阻抗圓內(nèi)，則該運(yùn)行工況將引起失磁保護(hù)動(dòng)作，需要修改試驗(yàn)工況。

表2 計(jì)劃進(jìn)相試驗(yàn)工況Tab.2 Planned leading phase test condition

由于國(guó)外某公司失磁保護(hù)阻抗圓是標(biāo)幺值形式，所有數(shù)值需轉(zhuǎn)化成標(biāo)幺值。根據(jù)該公司保護(hù)整定書(shū)說(shuō)明，ZN的計(jì)算公式如式（6）所示。

假設(shè)機(jī)端電壓U不變，保持額定。根據(jù)工況1數(shù)據(jù)，可計(jì)算出 R＝0.59Ω，X＝0.122Ω，再根據(jù)式（6）可算出ZN＝0.462Ω，最后算出R′＝1.278 p.u.，X′＝0.263 p.u.。同樣算出剩下11個(gè)試驗(yàn)工況，并投影至R-X平面，如圖3所示。從圖3可看出，當(dāng)無(wú)功大于0時(shí)，機(jī)組運(yùn)行在第一象限，隨著機(jī)組降低無(wú)功，機(jī)組逐漸運(yùn)行至第四象限。所有試驗(yàn)工況均在阻抗圓外，在表2試驗(yàn)工況下，失磁保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

圖3 機(jī)端電壓為額定時(shí)校核情況Fig.3 Check results when stator voltage is rated

由于實(shí)際機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，機(jī)端電壓不可能維持額定，隨著機(jī)組進(jìn)相，機(jī)端電壓將不斷降低。通過(guò)計(jì)算，隨著機(jī)端電壓降低，各工況的阻抗值將向阻抗圓逼近。由于進(jìn)相試驗(yàn)對(duì)機(jī)端電壓的限制條件為額定電壓的90%，即如果機(jī)端電壓降至額定的90%，即使未進(jìn)相至計(jì)劃工況，也需停止試驗(yàn)，并以此工況作為機(jī)組進(jìn)相能力。因此，為確保進(jìn)相試驗(yàn)中失磁保護(hù)不動(dòng)作，在進(jìn)行校核時(shí)，假設(shè)0.98功率因數(shù)下機(jī)端電壓為額定，進(jìn)相最深工況機(jī)端電壓降至額定的90%，中間工況的機(jī)端電壓根據(jù)無(wú)功進(jìn)行插值計(jì)算。最后可算機(jī)端電壓變化下R、X值及各自標(biāo)幺值。如表3所示。將表3計(jì)算結(jié)果投影到R-X阻抗平面，如圖4所示。

表3 試驗(yàn)工況校核結(jié)果Tab.3 Check results of test conditions

圖4 機(jī)端電壓變化時(shí)校核情況Fig.4 Check results when stator voltage is changed

從圖4看出，隨著機(jī)端電壓下降，所有運(yùn)行工況點(diǎn)的阻抗投影到R-X平面，均逐漸往阻抗圓方向逼近，但包括三個(gè)進(jìn)相最深點(diǎn)，所有工況仍然在阻抗圓外，可見(jiàn)表2試驗(yàn)工況下失磁保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

2.3 低勵(lì)限制情況

文獻(xiàn)［9-11］均要求低勵(lì)限制應(yīng)先于勵(lì)磁自動(dòng)切換和失磁保護(hù)動(dòng)作，或低勵(lì)限制和失磁保護(hù)配合合理。

該機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為國(guó)外某公司UNITROL 5000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，低勵(lì)限制定值由五組有功和無(wú)功組成［12］，所有定值采用百分比形式，以視在功率為基準(zhǔn)。試驗(yàn)前，低勵(lì)限制定值根據(jù)表2中第3、7、12工況整定。

由于試驗(yàn)工況有功與定值不一致，需要通過(guò)插值計(jì)算出定值。假設(shè)表2中三個(gè)工況的有功和無(wú)功分別為（P3，Q3）、（P7，Q7）和（P12，Q12），低勵(lì)限制在視在功率的0、25%、50%、75%和100%時(shí)的定值分別為 Q0、Q25%、Q50%、Q75%、Q100%。首先根據(jù)試驗(yàn)工況3和工況7的連接線計(jì)算Q75%和Q100%，即：

同樣根據(jù)工況7和工況12的連線計(jì)算Q25%和Q50%，如式（6）、式（7）所示。0時(shí)的定值設(shè)置成跟25%SN時(shí)定值一致，即：Q0＝Q25%。

根據(jù)表2試驗(yàn)工況整定的低勵(lì)限制定值如表4所示。試驗(yàn)時(shí)，開(kāi)展有功488 MW試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)無(wú)功進(jìn)行至－160 Mvar，低勵(lì)限制動(dòng)作。考慮到國(guó)外某公司勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制整定值和動(dòng)作值存在一定的偏差，為確保進(jìn)相試驗(yàn)不受低勵(lì)限制影響，根據(jù)該公司勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)作特性，將低勵(lì)限制動(dòng)作值整定成與表2中3、7、12工況一致。整定后，低勵(lì)限制定值見(jiàn)表4優(yōu)化后定值。

表4 低勵(lì)限制定值設(shè)置Tab.4 The parameters setting of low excitation limit

由于表2試驗(yàn)工況通過(guò)了失磁保護(hù)校核，而低勵(lì)限制根據(jù)表2試驗(yàn)工況進(jìn)行整定，這樣確保了低勵(lì)限制與失磁保護(hù)的配合合理。

2.4 失磁保護(hù)動(dòng)作原因分析

通過(guò)失磁保護(hù)定值復(fù)核、試驗(yàn)工況校核以及低勵(lì)限制整定，試驗(yàn)中失磁保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。試驗(yàn)過(guò)程中，失磁保護(hù)動(dòng)作時(shí)，有功P＝328 MW，Q＝－237 Mvar，U＝18.6 kV，未超出表2工況范圍。可見(jiàn)在失磁保護(hù)整定環(huán)節(jié)或試驗(yàn)工況校核環(huán)節(jié)出現(xiàn)了不正確的地方。

汽輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)異步邊界阻抗圓下端定值存在 －Xd與 －（1.1～1.25）Xd之爭(zhēng)［13］，文獻(xiàn)［14］認(rèn)為：由于發(fā)電機(jī)失磁故障時(shí)有滑差（s），其平均異步阻抗 Xd（j s）≤Xd（s＝0），失磁保護(hù)中的阻抗元件下端定值為－Xd已有足夠余度。而異步邊界阻抗圓的上端定值?。璛′d/2已成為共識(shí)，不但允許一定量的無(wú)功進(jìn)相運(yùn)行，而且當(dāng)兩側(cè)電勢(shì)相等、發(fā)生系統(tǒng)振蕩時(shí)，振蕩阻抗軌跡不進(jìn)入失磁保護(hù)異步邊界阻抗圓。

目前按照REG216型微機(jī)保護(hù)說(shuō)明書(shū)整定后，下端定值為－2.67 p.u.，等于 －Xd×1.236，上端定值為 －0.16 p.u.，等于 －X′d/2×1.236，可見(jiàn)當(dāng)前整定的失磁保護(hù)定值存在一個(gè)固定偏差。在與國(guó)外某公司保護(hù)廠家人員溝通后，國(guó)外某公司保護(hù)廠家確定失磁保護(hù)定值整定中，式（3）和式（4）中的IN中少乘了一個(gè)系數(shù)r。因?yàn)闄C(jī)端電流為額定時(shí)，電流互感器的額定二次電流要小于5 A。系數(shù)r應(yīng)該為發(fā)電機(jī)的額定電流時(shí)對(duì)應(yīng)的電流互感器二次電流除以5 A，計(jì)算可得 r＝0.808。IN乘以系數(shù) r后，通過(guò)式（3）計(jì)算出下端定值為－2.16 p.u.，剛好等于－Xd，通過(guò)式（4）計(jì)算出上端定值為 －0.13 p.u.，剛好等于 －X′d/2，符合失磁保護(hù)通常整定方法。

同樣在式（6）中計(jì)算ZN時(shí)，IN也需要乘上這個(gè)系數(shù)r。隨著IN發(fā)生改變，阻抗標(biāo)幺值計(jì)算發(fā)生改變，需要重新進(jìn)行失磁保護(hù)校核。通過(guò)圖3、圖4可看出，每一個(gè)有功，無(wú)功從正降至負(fù)的過(guò)程中，投影到R-X平面的阻抗點(diǎn)逐漸往阻抗圓方向逼近，因此失磁保護(hù)校核只要表2中工況3、7、12滿足要求，所有工況均能滿足要求。失磁保護(hù)校核時(shí)，分別計(jì)算U＝UN和U＝90%UN下工況3、7、12的阻抗值，并投影到R-X平面，如圖5所示。

圖5 R-X平面上進(jìn)相工況點(diǎn)及失磁動(dòng)作點(diǎn)Fig.5 Leading phase test conditions points and the loss of excitation protection action point in the R-X reference frame

圖5中，較小的圓是乘上系數(shù)r后正確失磁保護(hù)定值對(duì)應(yīng)的異步阻抗圓，較大的圓是當(dāng)前失磁保護(hù)定值對(duì)應(yīng)的異步阻抗圓。從圖5可見(jiàn)，如果失磁保護(hù)整定正確，即使機(jī)端電壓降至90%額定電壓，所有工況離異步阻抗圓均有一段距離。根據(jù)當(dāng)前的失磁保護(hù)定值，機(jī)端電壓為額定時(shí)，所有工況點(diǎn)離異步阻抗圓有一定距離，但機(jī)端電壓降至90%額定電壓時(shí)，工況12剛好在阻抗圓上。

另外，根據(jù)失磁保護(hù)動(dòng)作時(shí)P、Q和U，計(jì)算出失磁保護(hù)動(dòng)作時(shí)的阻抗標(biāo)幺值。R＝1.211 p.u.，X＝－0.875 p.u.，投影到圖5的R-X平面?？煽闯?，失磁保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)在圓外，計(jì)算出該點(diǎn)到圓心 O（0，－j1.415）p.u.的距離為1.326 p.u.，是異步阻抗圓半徑的1.057倍?？梢?jiàn)，該失磁保護(hù)動(dòng)作有5%左右的誤差，失磁保護(hù)校核中，需留足夠的裕度。在實(shí)際操作中，由于不能確定最終機(jī)端電壓水平，工程上可以機(jī)端電壓為90%UN進(jìn)行失磁保護(hù)校核，并留有5%的裕度。

綜上分析，本次進(jìn)相試驗(yàn)中失磁保護(hù)動(dòng)作原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）由于國(guó)外某公司的REG126發(fā)變組保護(hù)說(shuō)明書(shū)關(guān)于失磁保護(hù)的整定方法有誤，導(dǎo)致實(shí)際采用的異步邊界阻抗圓比正確的異步邊界阻抗圓大，容易引起失磁保護(hù)誤動(dòng)；

（2）進(jìn)行機(jī)組進(jìn)相工況失磁保護(hù)校核時(shí)，采用說(shuō)明書(shū)中錯(cuò)誤的標(biāo)幺值計(jì)算方法，導(dǎo)致IN偏大，ZN偏小，從而得出錯(cuò)誤的結(jié)論；

（3）REG126失磁保護(hù)裝置存在一定的偏差，使得實(shí)際工況對(duì)應(yīng)的阻抗點(diǎn)離圓心距離達(dá)到半徑的1.057倍，仍然發(fā)生失磁保護(hù)動(dòng)作。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)中發(fā)生的失磁保護(hù)動(dòng)作事件展開(kāi)分析，從失磁保護(hù)整定情況、進(jìn)相試驗(yàn)工況確定及校核情況、低勵(lì)限制整定情況以及一般失磁保護(hù)整定原則等逐步展開(kāi)分析，得出本次失磁保護(hù)動(dòng)作原因?yàn)椋罕Ｗo(hù)說(shuō)明書(shū)中整定方法有誤、校核過(guò)程中標(biāo)幺值計(jì)算方法有誤以及失磁保護(hù)裝置本身有誤差。文中開(kāi)展的失磁保護(hù)整定方法、進(jìn)相試驗(yàn)工況確定方法、低勵(lì)限制整定方法、進(jìn)相工況失磁保護(hù)校核方法對(duì)工程上應(yīng)用有一定的借鑒意義。為避免出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題，給出建議如下：

（1）所有采用國(guó)外某公司生產(chǎn)的REG126型保護(hù)裝置的電廠，應(yīng)開(kāi)展失磁保護(hù)定值核查，確保失磁保護(hù)定值整定正確；

（2）針對(duì)進(jìn)相試驗(yàn)工況進(jìn)行失磁保護(hù)校核時(shí)，機(jī)端電壓可設(shè)為額定電壓的90%，并留有5%的裕度；

（3）進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)的低勵(lì)限制整定可參照校核過(guò)的進(jìn)相試驗(yàn)工況確定，使得低勵(lì)限制動(dòng)作值與試驗(yàn)工況接近，確保與失磁保護(hù)配合合理；

（4）對(duì)于不熟悉、不確定的失磁保護(hù)裝置，可在進(jìn)相試驗(yàn)中將失磁保護(hù)投信號(hào)，并做好機(jī)組失磁預(yù)案，試驗(yàn)期間由專(zhuān)人監(jiān)視勵(lì)磁等機(jī)組參數(shù)，一旦發(fā)生失磁事故，立刻拍停機(jī)組，確保設(shè)備安全。