勵(lì)磁系統(tǒng)限制和發(fā)電機(jī)保護(hù)的匹配性分析

李小龍，張 彬，邢艷平，林羅波

（1.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264312；2.華能海南昌江核電有限公司，海南 昌江 572733）

0 引言

為保證電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，須配置必要的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制和相應(yīng)的保護(hù)功能。當(dāng)設(shè)備故障或系統(tǒng)擾動(dòng)使機(jī)組運(yùn)行在異常或極限工況時(shí)，可通過(guò)勵(lì)磁限制盡可能維持機(jī)組在安全運(yùn)行狀態(tài)，能夠?yàn)檫\(yùn)行人員提供監(jiān)視、判斷和操作的緩沖時(shí)間［1］。一旦勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行異?；蚬收?，相應(yīng)的勵(lì)磁限制失效，則要通過(guò)發(fā)電機(jī)保護(hù)將機(jī)組切除，保證機(jī)組和電網(wǎng)的安全。因此勵(lì)磁系統(tǒng)的限制功能要與發(fā)電機(jī)保護(hù)功能協(xié)調(diào)匹配，基本原則為：在發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行允許范圍內(nèi)，最大限度發(fā)揮發(fā)電機(jī)組過(guò)載能力的同時(shí)，確保勵(lì)磁先動(dòng)、保護(hù)后動(dòng)，并且均在發(fā)電機(jī)允許極限能力范圍內(nèi)。

某機(jī)組產(chǎn)生的高溫蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功產(chǎn)生211 MW 電功率經(jīng)發(fā)電機(jī)出口斷路器通過(guò)主變壓器送至220 kV 電網(wǎng)。勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜止自并勵(lì)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)備采用PCS-985G 發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置。勵(lì)磁限制功能及設(shè)定值由勵(lì)磁廠家提供，而發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)定值整定計(jì)算委托給其他公司完成。由于完成公司不同，勵(lì)磁限制和發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)定值的匹配性可能存在問(wèn)題。

就勵(lì)磁限制和發(fā)電機(jī)保護(hù)之間的配合合理性進(jìn)行分析驗(yàn)算，并針對(duì)存在的問(wèn)題提出解決辦法，為發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)

機(jī)組QFKN-211-2 臥式隱極空冷同步發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)主要參數(shù)

機(jī)組采用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，主要功能包括：提供機(jī)端電壓調(diào)節(jié)、磁場(chǎng)電流調(diào)節(jié)、無(wú)功調(diào)節(jié)、功率因數(shù)調(diào)節(jié)4 種運(yùn)行方式；具有磁場(chǎng)電流限制、定子電流限制、低勵(lì)限制、伏赫茲限制、整流橋運(yùn)行限制以及增減磁越界限制等各種限制功能；能在模擬量（機(jī)端電壓、機(jī)端電流、轉(zhuǎn)子電流、頻率相位等）測(cè)量發(fā)生故障、滅磁開(kāi)關(guān)狀態(tài)錯(cuò)誤、直流操作電源消失等狀態(tài)下進(jìn)行報(bào)警和保護(hù)；還具有階躍響應(yīng)試驗(yàn)、跟蹤系統(tǒng)電壓、抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、調(diào)差等附加功能。

2 磁場(chǎng)電流限制和轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)配合

2.1 配置說(shuō)明

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)置的磁場(chǎng)電流限制即為轉(zhuǎn)子電流限制，包括頂值瞬時(shí)限制、定時(shí)限限制和強(qiáng)勵(lì)反時(shí)限限制。頂值瞬時(shí)限制是指當(dāng)機(jī)端電壓降低到強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作值0.8Un時(shí)限制器瞬時(shí)動(dòng)作強(qiáng)勵(lì)至2 倍頂值；定時(shí)限限制是指在2 倍強(qiáng)勵(lì)時(shí)經(jīng)過(guò)定時(shí)10 s 后勵(lì)磁電流降至1.1Ifn長(zhǎng)期允許運(yùn)行電流；強(qiáng)勵(lì)反時(shí)限限制是指當(dāng)勵(lì)磁電流在1.1Ifn～2Ifn間符合反時(shí)限動(dòng)作特性，其反時(shí)限特性方程為，啟動(dòng)電流為1.11Ifn。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)（勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)）取自勵(lì)磁變低壓側(cè)TA 電流，TA 變比3 000／1，分為定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)。其中定時(shí)限保護(hù)整定值為0.53 A（折算為1.113Ifn），定時(shí)11 s 動(dòng)作報(bào)警。反時(shí)限保護(hù)特性方程為，其熱容量系數(shù)C=31，Ifd為保護(hù)裝置測(cè)量的勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)TA二次電流，轉(zhuǎn)子回路基準(zhǔn)電流Ifz取1.02Ifn換算取值為0.49 A，兩者在保護(hù)裝置中可直接調(diào)整設(shè)定。其下限動(dòng)作電流為0.56 A（折算為1.176Ifn），延時(shí)101.3 s動(dòng)作全停；上限時(shí)間定值為0.5 s，折算上限整定電流值為3.89 A（折算為8.17Ifn）。統(tǒng)一以標(biāo)幺值表示此反時(shí)限特性方程為。

2.2 匹配性分析

根據(jù)勵(lì)磁限制和保護(hù)配置，取13 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)的磁場(chǎng)電流限制和勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)，如表2 所示。

由表2 可知，勵(lì)磁限制始終先于保護(hù)動(dòng)作，單純就勵(lì)磁和保護(hù)匹配性而言配置合理。但是保護(hù)特性和允許能力出現(xiàn)了交叉，交叉點(diǎn)為3.765Ifn。轉(zhuǎn)子電流小于3.765Ifn時(shí)，保護(hù)在允許能力以外，t允

2.3 改進(jìn)措施

由于勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)2 倍強(qiáng)勵(lì)10 s 的要求，強(qiáng)勵(lì)反時(shí)限的動(dòng)作特性不變。需將勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)重新進(jìn)行整定計(jì)算。

2.3.1 勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)重新整定

表2 磁場(chǎng)電流限制和勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)對(duì)比

按照躲過(guò)2 倍強(qiáng)勵(lì)時(shí)10 s 考慮，計(jì)算得C=29.336，C 要大于此值并留一定裕度。考慮在保護(hù)反時(shí)限下限動(dòng)作值0.56 A（1.176Ifn）時(shí)t?！躷允來(lái)計(jì)算，，求得C≤31.11，綜上可取C=31。最終的勵(lì)磁繞組反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作特性方程為，定時(shí)限和反時(shí)限保護(hù)的動(dòng)作電流和時(shí)間整定不變。

2.3.2 整定后匹配性

根據(jù)保護(hù)整定方案，取13 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)的磁場(chǎng)電流限制和勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)，如表3 和圖1 所示。

可見(jiàn)磁場(chǎng)電流限制先于保護(hù)動(dòng)作，且二者都在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子允許過(guò)電流能力范圍內(nèi)，配置合理。

勵(lì)磁變配置了電流速斷保護(hù)和過(guò)流保護(hù)，這2段電流保護(hù)均取自勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)TA 電流，TA變比為100／1，其中速斷保護(hù)定值按照低壓側(cè)兩相短路故障電流整定為4.1 A，延時(shí)0.3 s 全停。過(guò)流保護(hù)躲過(guò)2 倍強(qiáng)勵(lì)來(lái)整定為1.2 A，延時(shí)0.6 s 全停。

表3 磁場(chǎng)電流限制和改進(jìn)后的勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)對(duì)比

圖1 磁場(chǎng)電流限制和勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力趨勢(shì)

當(dāng)達(dá)到速斷保護(hù)定值4.1 A 時(shí)，勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)測(cè)得的低壓側(cè)電流值為4.4 A，超過(guò)了反時(shí)限上限時(shí)間定值0.5 s 對(duì)應(yīng)的整定值3.8 A，因此此時(shí)勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為上限定值0.5 s，大于勵(lì)磁變電流速斷時(shí)限0.3 s，可見(jiàn)勵(lì)磁繞組反時(shí)限保護(hù)可作為勵(lì)磁變速斷保護(hù)失效的后備保護(hù)。

勵(lì)磁變過(guò)流定值1.2 A，對(duì)應(yīng)為轉(zhuǎn)子電流的2.7倍，延時(shí)0.6 s 全停，因此可作為強(qiáng)勵(lì)限制失效的后備保護(hù)［2］。

3 定子電流限制和定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)配合

3.1 配置說(shuō)明

定子電流限制采用定時(shí)限限制特性，為防止在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)定子電流限制和欠勵(lì)限制的影響，取消進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的定子電流限制功能，僅在滯相運(yùn)行時(shí)當(dāng)定子電流超過(guò)限制定值1.2In，定時(shí)20 s 動(dòng)作減少勵(lì)磁電流。

發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)分為定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)，TA 變比12 000／1。其中定時(shí)限整定值為0.74 A（換算為1.11In），定時(shí)9 s 動(dòng)作報(bào)警。反時(shí)限保護(hù)特性方程，下限動(dòng)作電流0.78 A（換算為1.17In），延時(shí)112.2 s 動(dòng)作全停，反時(shí)限上限時(shí)間定值為0.5 s，折算上限整定電流值為5.8 A（8.72In）。

3.2 匹配性分析

根據(jù)勵(lì)磁限制和保護(hù)配置，取11 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)的定子電流限制和定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)，如表4 所示。

可見(jiàn)當(dāng)定子電流達(dá)到1.11In時(shí)，發(fā)電機(jī)定子過(guò)負(fù)荷定時(shí)限保護(hù)延時(shí)9 s 報(bào)警；當(dāng)定子電流達(dá)到1.17In，反時(shí)限保護(hù)延時(shí)112.2 s 跳閘；而定子電流達(dá)到1.2In時(shí)，勵(lì)磁定子電流限制才定時(shí)20 s 減少勵(lì)磁電流。保護(hù)先于限制動(dòng)作，配合有問(wèn)題。而且保護(hù)和允許能力曲線出現(xiàn)了交叉，交叉點(diǎn)為1.213 8In，定子電流在1.17In～1.213 8In范圍內(nèi)，保護(hù)在允許能力以外，配置不合理。

3.3 改進(jìn)措施

3.3.1 定子電流限制重新整定

定子電流限制采用定時(shí)限特性已寫(xiě)入調(diào)節(jié)器內(nèi)部程序中，且受汽輪機(jī)功率限制有些勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中不設(shè)置定子電流限制。建議將定子電流限制整定為1.17In，定時(shí)20 s，確保勵(lì)磁限制先動(dòng)作。

3.3.2 發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)重新整定

由于熱容量系數(shù)C 及散熱系數(shù)Ksr可整定調(diào)整，可采取2 種整定方案。

表4 定子電流限制和定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)對(duì)比

方案Ⅰ：不考慮繞組的散熱效應(yīng)，在考慮裕度后熱容量系數(shù)取37.5。此時(shí)，可見(jiàn)始終小于定子允許能力。定時(shí)限和反時(shí)限動(dòng)作整定值均不變。

方案Ⅱ：考慮繞組的散熱效應(yīng)取Ksr=1.02 不變，求取C 值。按照在反時(shí)限動(dòng)作下限電流1.17In時(shí)t允＝t保，計(jì)算，得C=36.5，保護(hù)特性為，定時(shí)限和反時(shí)限動(dòng)作整定值均不變。

3.3.3 整定后匹配性分析

根據(jù)限制和保護(hù)整定方案，取10 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)的定子電流限制和定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)，如表5 和圖2 所示。

勵(lì)磁定子電流限制始終先于保護(hù)先動(dòng)作，并且限制和保護(hù)都在發(fā)電能力允許范圍內(nèi)；方案Ⅰ和方案Ⅱ交叉點(diǎn)為1.586In，電流為1.17In～1.586In時(shí)方案Ⅱ更接近能力曲線，可充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)的過(guò)載能力，電流超過(guò)1.586In時(shí)方案Ⅱ又能更快動(dòng)作以保護(hù)發(fā)電機(jī)；另外考慮散熱系數(shù)可防止保護(hù)裝置受熱造成誤動(dòng)，因此建議采用方案Ⅱ的保護(hù)特性。

表5 改進(jìn)后的定子電流限制和改進(jìn)后的定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)對(duì)比

圖2 定子電流限制和定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)及允許能力趨勢(shì)

4 欠勵(lì)限制和發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)配合

4.1 配置說(shuō)明

欠勵(lì)限制為5 點(diǎn)組合成的4 段折線型，有功部分給定為0、0.25Pn、0.50Pn、0.75Pn、Pn，對(duì)應(yīng)的無(wú)功定值為-0.3Sn、-0.25Sn、-0.2Sn、-0.15Sn、-0.1Sn，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中只能修改對(duì)應(yīng)的無(wú)功定值。一旦檢測(cè)到發(fā)電機(jī)越過(guò)低勵(lì)限制曲線，瞬時(shí)立即增加勵(lì)磁電流，直到離開(kāi)限制區(qū)。

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)采用定子側(cè)異步阻抗圓（圖3），并與轉(zhuǎn)子低電壓（0.8Ufo和變勵(lì)磁電壓判據(jù)）、機(jī)端低電壓（0.85Un）、系統(tǒng)低電壓（0.9Usn）組合構(gòu)成3 段失磁保護(hù)。I 段由阻抗+轉(zhuǎn)子低電壓+系統(tǒng)低電壓構(gòu)成，延時(shí)0.5 s 全停；II 段由阻抗+轉(zhuǎn)子低電壓+機(jī)端低電壓構(gòu)成，延時(shí)0.8 s 全停；III 段單獨(dú)由阻抗判據(jù)構(gòu)成，延時(shí)1.5 s 程跳。

圖3 定子異步阻抗圓

異步阻抗圓的整定一次值為：

失磁異步阻抗動(dòng)作方程為

4.2 匹配性分析

將失磁保護(hù)曲線由R-X 平面映射至低勵(lì)限制P-Q 平面。

當(dāng)不考慮進(jìn)相導(dǎo)致機(jī)端電壓降低，電壓取額定電壓時(shí)，表達(dá)式為

當(dāng)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，機(jī)端電壓的降低會(huì)使失磁保護(hù)曲線上移，即更容易導(dǎo)致失磁保護(hù)的動(dòng)作，因此要考慮機(jī)端電壓降低的情況，按照機(jī)端電壓降低要求不低于0.95Un計(jì)算。表達(dá)式為

考慮到最嚴(yán)重情況，采用失磁保護(hù)“機(jī)端三相低電壓輔助判據(jù)整定的電壓0.85Un”進(jìn)行換算［3］，表達(dá)式為

根據(jù)失磁保護(hù)動(dòng)作方程在0.85Un和0.95Un下對(duì)低勵(lì)限制的5 個(gè)功率值進(jìn)行點(diǎn)的折算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，同時(shí)將該圓與低勵(lì)限制曲線映射到同一張P-Q 平面上，如圖4 所示。

圖4 低勵(lì)限制與失磁保護(hù)配合P-Q 曲線

表6 欠勵(lì)限制和失磁保護(hù)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖4 可知，隨著電壓的降低失磁保護(hù)曲線上移，在0.85Un下失磁保護(hù)仍然滿足在欠勵(lì)限制后動(dòng)作。由于機(jī)組正在安裝調(diào)試期，未做過(guò)發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)，因此欠勵(lì)限制的合理性有待檢驗(yàn)及整定，可以根據(jù)進(jìn)相試驗(yàn)實(shí)測(cè)的進(jìn)相能力保留一定裕度來(lái)整定欠勵(lì)限制。因?yàn)閷?shí)測(cè)的進(jìn)相能力已經(jīng)綜合檢驗(yàn)了發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)極限、失磁保護(hù)、定子溫升以及廠用電壓等情況，在進(jìn)相能力范圍內(nèi)整定欠勵(lì)限制定值，既能保證與失磁保護(hù)配合的正確性，又能夠使機(jī)組在達(dá)到進(jìn)相能力前提前動(dòng)作，防止機(jī)組運(yùn)行到進(jìn)相能力外的不安全區(qū)域，充分發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相能力［4］。如果實(shí)測(cè)的進(jìn)相能力與欠勵(lì)限制有交叉，可以在保留一定的裕度情況下參照考慮一定裕度低勵(lì)限制曲線整定低勵(lì)限制。

5 伏赫茲限制和發(fā)變組過(guò)激磁保護(hù)配合

5.1 配置說(shuō)明

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的伏赫茲限制采用定時(shí)限動(dòng)作特性，廠家設(shè)定值為1.1，延時(shí)5 s 動(dòng)作減勵(lì)磁。

根據(jù)發(fā)電機(jī)和主變壓器提供的過(guò)激磁能力曲線（如圖5 和圖6 所示）整定［5］，發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)分為定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)，其中定時(shí)限保護(hù)為發(fā)信段，反時(shí)限保護(hù)由8 點(diǎn)定值組成反時(shí)限曲線，動(dòng)作全停；主變過(guò)激磁保護(hù)分為定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)，其中定時(shí)限保護(hù)共分為2 段，1 段發(fā)信1 段跳閘，反時(shí)限特性由8 點(diǎn)定值組成反時(shí)限曲線，動(dòng)作全停。具體定值如表7—表9 所示。

圖5 發(fā)電機(jī)過(guò)激磁能力曲線

圖6 主變壓器過(guò)激磁能力曲線

表7 伏赫茲限制定值

表8 發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)定值

表9 主變壓器過(guò)激磁保護(hù)定值

5.2 匹配性分析

伏赫茲限制器的整定值為1.1，高于發(fā)電機(jī)和主變過(guò)激磁保護(hù)定時(shí)限告警段定值1.06 和反時(shí)限下限定值1.07，伏赫茲限制要晚于發(fā)電機(jī)和主變壓器過(guò)激磁保護(hù)動(dòng)作，配置錯(cuò)誤。另外可知主變壓器過(guò)激磁能力強(qiáng)于發(fā)電機(jī)，因此發(fā)電機(jī)和主變壓器過(guò)激磁反時(shí)限保護(hù)中，在時(shí)間上發(fā)電機(jī)先于主變壓器動(dòng)作。但是主變壓器過(guò)激磁保護(hù)定時(shí)限跳閘段，定值為1.15定時(shí)5 s 與反時(shí)限保護(hù)中定值1.15 延時(shí)100 s 的整定時(shí)間沖突，根據(jù)主變壓器過(guò)激磁能力曲線，主變壓器具有1.15 倍約270 s 的能力，因此定值設(shè)置有誤。

5.3 改進(jìn)措施

建議將伏赫茲限制器整定為1.06，定時(shí)5 s 減勵(lì)磁，早于發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁報(bào)警及動(dòng)作停機(jī)。主變壓器定時(shí)限跳閘段1.15 定時(shí)5 s 改為100 s，保持與反時(shí)限動(dòng)作特性一致；或者將此控制字投0，取消定時(shí)限跳閘段。建議改進(jìn)的限制和保護(hù)如圖7 所示。

圖7 伏赫茲限制與發(fā)電機(jī)和主變壓器過(guò)激磁保護(hù)趨勢(shì)

6 結(jié)語(yǔ)

就勵(lì)磁限制和發(fā)電機(jī)保護(hù)之間的配合合理性進(jìn)行了分析驗(yàn)算，并對(duì)發(fā)現(xiàn)存在的勵(lì)磁限制問(wèn)題和發(fā)電機(jī)保護(hù)整定問(wèn)題，給出了相應(yīng)的建議措施和具體的計(jì)算過(guò)程，為后續(xù)的機(jī)組安全調(diào)試及運(yùn)行提供參考。