發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)配置及整定分析

楊乾純

(中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部，上海 200540)

對于發(fā)電機(jī)失磁故障，《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》(DL/T 684—2012)描述了發(fā)電機(jī)失磁故障發(fā)生后的系統(tǒng)的特征量、發(fā)電機(jī)失磁后造成的危害。對于失磁保護(hù)的整定，文獻(xiàn)[1-3]提出阻抗動(dòng)作邊界映射至P-Q平面的方法，確定發(fā)電機(jī)失磁故障時(shí)功率動(dòng)作邊界。對于失磁保護(hù)和低勵(lì)限制的配合，文獻(xiàn)[4-5]對發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)和低勵(lì)限制之間的配合整定計(jì)算問題進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，以指導(dǎo)二者的配合整定計(jì)算。以上文獻(xiàn)對電力企業(yè)的發(fā)電機(jī)整定和配合具有一定指導(dǎo)作用，但未就具體的保護(hù)裝置應(yīng)如何進(jìn)行整定配置予以詳細(xì)說明，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，要結(jié)合現(xiàn)有的保護(hù)裝置進(jìn)行整定。文章結(jié)合煉化企業(yè)自備發(fā)電廠的典型繼電保護(hù)和自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置配置，介紹了勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作的條件和工程實(shí)際應(yīng)用中的整定方案以及保護(hù)之間的配合關(guān)系。以某煉化企業(yè)自備發(fā)電廠6號汽輪發(fā)電機(jī)為例，對其勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行研究，其具體配置如下：發(fā)電機(jī)型號QF-125-2，發(fā)電機(jī)額定容量147.1 MVA，定子繞組額定電流為6 154.4 A，轉(zhuǎn)子繞組額定電流1 325 A，發(fā)電機(jī)保護(hù)采用SEL300G微機(jī)保護(hù)裝置，雙重化配置，勵(lì)磁系統(tǒng)采用勵(lì)磁變靜止勵(lì)磁方式，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置采用ABB UNITROL F微機(jī)靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置。

1 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)

1.1 基本工作原理

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中失去勵(lì)磁，其電動(dòng)勢有一個(gè)衰減的過程，在這個(gè)衰減過程中由于有功功率保持不變，因此功率角會不斷增大，當(dāng)功率角增大到90度時(shí)，發(fā)電機(jī)開始進(jìn)入不穩(wěn)定失步運(yùn)行狀態(tài)，直至進(jìn)入穩(wěn)定異步運(yùn)行狀態(tài)。

發(fā)電機(jī)失磁后的電氣量特征為：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓降低，發(fā)電機(jī)從為系統(tǒng)提供感性無功變成從系統(tǒng)吸收感性無功，定子電流上升，機(jī)端電壓降低。

發(fā)電機(jī)失磁后導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，危及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)端電壓降低會影響接在機(jī)端的廠用電負(fù)荷，危及發(fā)電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。定子過電流造成定子繞組溫度上升，危及繞組絕緣。另外，發(fā)電機(jī)失磁還會造成機(jī)組振動(dòng)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子局部過熱，影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

根據(jù)發(fā)電機(jī)失磁的基本電氣特征，可檢測到發(fā)電機(jī)失磁狀態(tài)。以失磁后發(fā)電機(jī)機(jī)端測量阻抗的變化、失磁阻抗特性作為失磁的判據(jù)[6]。

(1)失磁后機(jī)端測量阻抗Zm的變化。設(shè)機(jī)端電壓為Ug，發(fā)電機(jī)送出電流為Ig(Ug取線電壓，則Ig為線電流)，發(fā)電機(jī)的有功功率為P，發(fā)電機(jī)的無功功率為jQ，由于失磁前輸出感性無功功率，所以測量阻抗位于復(fù)平面中的第一象限。

(2)靜穩(wěn)阻抗邊界圓。為了使失磁后測量阻抗落入設(shè)置的阻抗動(dòng)作特性內(nèi)，顯然該阻抗動(dòng)作特性應(yīng)包含第四象限部分區(qū)域。通常采用的阻抗動(dòng)作特性是靜穩(wěn)阻抗邊界圓和異步阻抗邊界圓。

發(fā)電機(jī)失磁后，測量阻抗Zm進(jìn)入第四象限，到達(dá)A點(diǎn)，表示δ=90°，即為臨界失步，再進(jìn)入靜穩(wěn)阻抗邊界圓內(nèi)，發(fā)電機(jī)便失步運(yùn)行。

由圖1不難看到：發(fā)電機(jī)失磁時(shí)，機(jī)端測量阻抗容易進(jìn)入靜穩(wěn)阻抗邊界圓內(nèi)，當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的聯(lián)系電抗Xcon較大時(shí)，更容易進(jìn)入。對異步阻抗邊界圓來說，當(dāng)Xcon較大時(shí)，失磁時(shí)機(jī)端測量阻抗可能不能進(jìn)入該邊界圓內(nèi)。但是，發(fā)電機(jī)在正常進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，異步阻抗邊界圓比靜穩(wěn)阻抗邊界圓有較好的躲負(fù)荷阻抗的能力；此外，振蕩時(shí)機(jī)端測量阻抗不會落入該特性圓內(nèi)。作為兩邊界圓的折中，檢測失磁的阻抗特性可取以-jXd為直徑的一個(gè)圓，如圖1中的圓4。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)失磁阻抗特性

由此可見，應(yīng)采用雙阻抗圓判別發(fā)電機(jī)失磁具有異步阻抗圓判別發(fā)電機(jī)失磁的特性。

圖2 雙阻抗特性圓檢測發(fā)電機(jī)失磁

1.2 整定計(jì)算

靜止勵(lì)磁方式下的失磁保護(hù)為阻抗型失磁保護(hù)，保護(hù)裝置的輸入量有：機(jī)端三相電壓(電壓互感器變比為nTV)、發(fā)電機(jī)三相電流(電流互感器變比為nTA)。

整定計(jì)算中需要對定子阻抗判據(jù)進(jìn)行選擇，靜穩(wěn)阻抗判據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是失磁時(shí)動(dòng)作早、靈敏度高，但發(fā)電機(jī)振蕩時(shí)阻抗判據(jù)要誤動(dòng)作；異步阻抗判據(jù)或雙阻抗圓判據(jù)失磁時(shí)動(dòng)作相對晚一些，但發(fā)電機(jī)振蕩時(shí)肯定不會誤動(dòng)作。阻抗判據(jù)的選擇應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間聯(lián)系阻抗大小、系統(tǒng)運(yùn)行狀況確定。一般情況下，當(dāng)電廠與系統(tǒng)聯(lián)系緊密(線路大于或等于3回，或較短線路2回)時(shí)，宜優(yōu)先采用異步阻抗圓或雙阻抗圓；當(dāng)電廠與系統(tǒng)聯(lián)系比較薄弱(如發(fā)變線與系統(tǒng)相連)時(shí)，宜優(yōu)先采用靜穩(wěn)圓；當(dāng)無法判別聯(lián)系緊密程度時(shí)，可采用過坐標(biāo)原點(diǎn)的下拋圓或?qū)㈧o穩(wěn)圓切去相應(yīng)部分。由于該煉化企業(yè)自備發(fā)電廠擁有3回與系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)線，因此采用雙阻抗圓作為發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的定子阻抗判據(jù)。

該煉化企業(yè)自備發(fā)電廠6號發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的整定計(jì)算過程如下：

SEL300G保護(hù)裝置失磁保護(hù)下拋雙阻抗圓動(dòng)作特性如圖3所示，失磁保護(hù)動(dòng)作區(qū)由兩個(gè)下拋?zhàn)杩箞AZone 1和Zone 2組成，Zone 1圓內(nèi)為下拋?zhàn)杩固匦詧A1保護(hù)動(dòng)作區(qū)，Zone 2圓內(nèi)為下拋?zhàn)杩固匦詧A2保護(hù)動(dòng)作區(qū)。

SEL300G保護(hù)裝置下拋?zhàn)杩固匦詧A1的定值整定方法如下：

40Z1P=Zgn=15.0102 Ω

時(shí)限40Z1D=1 s跳閘。

SEL300G保護(hù)裝置下拋?zhàn)杩固匦詧A2的定值整定方法如下：

40XD2=40XD1=-1.748 7 Ω

時(shí)限40Z2D=1 s發(fā)信。

圖3 SEL300G保護(hù)裝置失磁保護(hù)動(dòng)作特性(下拋雙阻抗圓)

2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置和失磁保護(hù)的配合

2.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置低勵(lì)保護(hù)的整定要求

發(fā)電機(jī)失磁指的是發(fā)電機(jī)磁極剩磁很弱或沒有，在旋轉(zhuǎn)過程中建立不了勵(lì)磁電壓，失磁時(shí)發(fā)電機(jī)沒有電壓輸出。而發(fā)電機(jī)低勵(lì)是指發(fā)電機(jī)有勵(lì)磁電壓，只是電壓低，達(dá)不到要求，是發(fā)電機(jī)的一種非正常運(yùn)行狀態(tài)。在低勵(lì)情況下發(fā)電機(jī)輸出的電壓比額定電壓低一些。發(fā)電機(jī)低勵(lì)運(yùn)行，其定、轉(zhuǎn)子間磁場聯(lián)系減弱，發(fā)電機(jī)易失去靜態(tài)穩(wěn)定。為了確保一定的靜態(tài)穩(wěn)定裕度，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上均配置了低勵(lì)限制回路，即當(dāng)發(fā)電機(jī)一定的有功功率下，無功功率滯相低于某一值或進(jìn)相大于某一值時(shí)，在勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置綜合放大回路中輸出一增加機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)信號，使勵(lì)磁增加，起到保護(hù)作用。

在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流減小直至失磁的過程中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的低勵(lì)限制保護(hù)應(yīng)首先動(dòng)作，如未起到限制作用，則應(yīng)切到備用通道；如切到備用通道仍然未能起限制作用，則應(yīng)該由失磁保護(hù)判斷后動(dòng)作停機(jī)。低勵(lì)限制單元應(yīng)先于失磁保護(hù)動(dòng)作，以滿足低勵(lì)限制和失磁保護(hù)的整定配合，這是對低勵(lì)限制整定的基本要求。

發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制單元的限制曲線主要有兩種形式：一種是圓弧限制曲線(如ABB UNITROL5000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制曲線)；另一種是直線限制曲線(如南瑞的SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制曲線)。不論是圓弧限制曲線，還是直線限制曲線，低勵(lì)限制動(dòng)作曲線都是按照發(fā)電機(jī)不同有功功率靜穩(wěn)定極限及發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱條件確定的，它們的原理分析以及動(dòng)作曲線的整定計(jì)算分析也都是在功率平面(P-Q平面)上進(jìn)行的，而以發(fā)電機(jī)端阻抗圓構(gòu)成的失磁保護(hù)，其原理分析以及定值的整定計(jì)算分析卻是在阻抗平面(R-X平面)上進(jìn)行的。因此，為使低勵(lì)限制和失磁保護(hù)能符合正確的動(dòng)作順序，就必須分析低勵(lì)限制和失磁保護(hù)之間的關(guān)系，將兩者歸算至同一個(gè)平面進(jìn)行比較，從而探討整定配合的合理性，此處將低勵(lì)限制和失磁保護(hù)兩者歸算到同一個(gè)功率平面進(jìn)行整定配合的討論。

2.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置低勵(lì)保護(hù)的整定配合

2.2.1 理論計(jì)算

(1)將失磁保護(hù)曲線映射至P-Q平面

通過上節(jié)的綜述，我們可以統(tǒng)一阻抗型失磁保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)圓方程：

(1)

其中，X0為失磁保護(hù)阻抗圓的圓心，R0為失磁保護(hù)阻抗圓的半徑。

將R=(Ucosφ)/I,X=(Usinφ)/I代入式(1)并化簡得：

(2)

將sinφ=Q/(UI),I2=(P2+Q2)/U2代入式(2)得：

(3)

化簡后得：

(4)

以該煉化企業(yè)6號發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制與失磁保護(hù)的整定計(jì)算為例。

發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定容量SGN=147.1 MVA，額定功率PGN=125 MW，機(jī)端電壓UGN=13.8 kV，電流互感器變比nTA=8 000/5，電壓互感器變比nTV=13.8/0.1。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制曲線參數(shù)設(shè)定值如下所示。

PQ IEMIN LIM:

1501 REF0Q(P) LIM-10.0%

1502 REF25Q(P) LIM-10.0%

1503 REF50Q(P)LIM-10.0%

1504 REF75Q(P)LIM-5.0%

1505 REF100Q(P)LIM-0%

以發(fā)電機(jī)額定容量SGN=147.1 MVA為基準(zhǔn)值，將以上以百分比表示的數(shù)值換算為一次實(shí)際值后如表1所示。

表1 低勵(lì)限制P-Q換算

圖4 失磁保護(hù)動(dòng)作特性示意

根據(jù)上節(jié)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)整定計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算阻抗圓的圓心和半徑，阻抗圓1反映發(fā)電機(jī)在負(fù)荷較高時(shí)的失磁情況，

阻抗圓2反映發(fā)電機(jī)在任意負(fù)荷時(shí)的失磁情況，

經(jīng)計(jì)算，得到異步圓1與Q軸交點(diǎn)為(0,-118.90 MVar)。

經(jīng)計(jì)算，得到異步圓2與Q軸交點(diǎn)為(0,-61.344 MVar)。

(2)低勵(lì)限制曲線

根據(jù)表1中換算后的P、Q值數(shù)據(jù)繪制。

2.2.2 校核結(jié)論

將各曲線按相同比例畫在同一平面上，如圖5所示。由圖5可知：在機(jī)端電壓最低允許值為0.95UGN的情況下，所有失磁保護(hù)阻抗圓均位于低勵(lì)限制線的下方，且有一定的裕度，低勵(lì)磁限制與失磁保護(hù)可以配合，整定關(guān)系滿足相關(guān)要求。

圖5 低勵(lì)限制曲線與失磁保護(hù)配合整定示意

3 過勵(lì)磁保護(hù)及勵(lì)磁限制器

同發(fā)電機(jī)低勵(lì)磁一樣，過勵(lì)磁也是發(fā)電機(jī)的一種非正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生過勵(lì)磁時(shí)，鐵芯的工作磁密升高導(dǎo)致其出現(xiàn)飽和使得鐵損增加。鐵芯飽和還會使漏磁場增強(qiáng)，漏磁通在穿過鐵芯表面和相應(yīng)結(jié)構(gòu)件中引起的渦流損耗也相應(yīng)增加。由這些附加損耗引起的溫升有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組絕緣的損壞。因此勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上均配置了過勵(lì)磁限制器，在發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁時(shí)起到限制勵(lì)磁和保護(hù)發(fā)電機(jī)的作用。

過勵(lì)磁限制器在正常情況下是不參與自動(dòng)勵(lì)磁控制的，而當(dāng)發(fā)生異常運(yùn)行工況，投入某些特殊的限制功能，對提高勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定及保護(hù)一次設(shè)備的安全運(yùn)行有重要作用。

過勵(lì)磁電流限制器由最大勵(lì)磁電流瞬時(shí)限制和反時(shí)限延時(shí)過勵(lì)磁電流限制兩部分組成，其整定與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱特性相互配合。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障導(dǎo)致母線電壓降低時(shí)，為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)迅速將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁增加到最大值進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)。最大勵(lì)磁電流限制瞬時(shí)動(dòng)作，用于限制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的頂值，防止超出允許的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，避免勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組超限制運(yùn)行而損壞[7]。反時(shí)限延時(shí)過勵(lì)磁電流限制主要的功能為最大勵(lì)磁電流延時(shí)限制，按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子容許發(fā)熱極限曲線對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行限制，防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組因長時(shí)間過流而過熱。受轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱的限制，當(dāng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)間超過允許時(shí)間，勵(lì)磁電流仍不能自動(dòng)下降，反時(shí)限延時(shí)過勵(lì)磁電流限制應(yīng)動(dòng)作退出強(qiáng)勵(lì)，自動(dòng)將勵(lì)磁減小到最大允許值附近。強(qiáng)勵(lì)的頂值電流(在ABB UNITROL F裝置中為1303參數(shù)，即IEMAX)是額定勵(lì)磁電流的2倍，強(qiáng)勵(lì)時(shí)間(在ABB UNITROL F裝置中為1305參數(shù)，即IEMAX.SEL)是10 s，允許的最大連續(xù)運(yùn)行勵(lì)磁電流(在ABB UNITROL F裝置中為1301參數(shù)，即IETH)為額定勵(lì)磁電流的1.05倍。在ABB UNITROL F裝置中，1307參數(shù)定義為過熱積分器的散熱時(shí)間常數(shù)。1306參數(shù)是強(qiáng)勵(lì)結(jié)束后，勵(lì)磁電流限制器送到疊加點(diǎn)的參考值REF IE LIM ACT(11303)降低到IETH的延時(shí)。1309參數(shù)是當(dāng)勵(lì)磁電流限制器動(dòng)作時(shí)對應(yīng)的增益，與其他參數(shù)一起形成一組PID調(diào)節(jié)參數(shù)。實(shí)際勵(lì)磁電流與REF IE LIM ACT(11303)的差值超過額定勵(lì)磁電流的5%，即實(shí)際勵(lì)磁電流超過1.1倍，2 s內(nèi)勵(lì)磁電流限制器仍不奏效，發(fā)勵(lì)磁過流一級信號(A106，10905=1)，過勵(lì)切換動(dòng)作；再經(jīng)3 s仍不奏效，發(fā)勵(lì)磁過流延時(shí)啟動(dòng)跳閘信號(F3，10906=1)，過勵(lì)保護(hù)動(dòng)作。

在發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷條件下進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試時(shí)，先記錄勵(lì)磁電流實(shí)際值，再根據(jù)這個(gè)值，臨時(shí)調(diào)小1301，1303，1307參數(shù)，增加勵(lì)磁電流使限制器動(dòng)作，再減少勵(lì)磁，使其退出限制，待裝置充分散熱后再在限制點(diǎn)附近做+1%或+2%階躍試驗(yàn)，觀察勵(lì)磁電流限制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，對機(jī)端電壓、有功、無功、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓進(jìn)行錄波，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況，適當(dāng)調(diào)整PID參數(shù)，可以使限制器在動(dòng)作時(shí)，調(diào)節(jié)器具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能力[8]。過勵(lì)磁限制在ABB UNITROL F型裝置中的參數(shù)設(shè)定值如下：

1301REF1IETH(勵(lì)磁電流限制器啟動(dòng)值)105%(1.05倍額定)

1303REF1IEMAX(勵(lì)磁電流限制器最大值)200%(2倍額定)

1305TIMEIEMAX.SEL(勵(lì)磁電流設(shè)定最大延時(shí))10 s

1306TCIEREDMAX-TH1.00 s

1307TIMEIEBACKINT100.0 s

1309KOELIE50%

表2 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流的反時(shí)限特性的匹配關(guān)系

4 結(jié)語

以某煉化企業(yè)的自備發(fā)電機(jī)組為例，介紹了125 MW發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的典型保護(hù)配置，分析了失磁保護(hù)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置兩者之間協(xié)調(diào)配合的必要性，并提出將發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制曲線都?xì)w算到P-Q平面上進(jìn)行比較的方法，驗(yàn)證了失磁保護(hù)與低勵(lì)限制的配合關(guān)系符合國家電網(wǎng)公司《發(fā)電廠并網(wǎng)安全性評價(jià)》中低勵(lì)限制優(yōu)先于失磁保護(hù)動(dòng)作的要求，提出了過勵(lì)磁保護(hù)參數(shù)整定無法同時(shí)滿足發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷的技術(shù)要求和電網(wǎng)對并網(wǎng)機(jī)組強(qiáng)勵(lì)能力的要求，以及對此采取的相應(yīng)措施。