短路電流衰減影響發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷保護(hù)的仿真分析

張兵海,王獻(xiàn)志,劉清泉,陳天英,張衛(wèi)明

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

對(duì)于大型發(fā)電機(jī),定子和轉(zhuǎn)子的材料利用率很高,其熱容量與銅損比值較小,熱時(shí)間常數(shù)比較小,為防止受到過(guò)負(fù)荷的損害,大型發(fā)電機(jī)都要裝設(shè)反應(yīng)定子繞組的平均發(fā)熱狀態(tài)的過(guò)負(fù)荷保護(hù)[1],GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,3 k V電壓等級(jí)及以上的發(fā)電機(jī)均應(yīng)配置發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)[2]。一般理解發(fā)電機(jī)定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)不僅承擔(dān)定子繞組過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致的過(guò)熱等異常工況的保護(hù),還對(duì)設(shè)備起著后備保護(hù)的作用,但是通過(guò)簡(jiǎn)化后的短路電流時(shí)域計(jì)算和仿真軟件的仿真計(jì)算說(shuō)明發(fā)現(xiàn),因?yàn)槎搪冯娏魉p特性的存在,按整定導(dǎo)則整定的發(fā)電機(jī)定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)無(wú)法承擔(dān)后備保護(hù)的作用。

1 發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷動(dòng)作特性及整定原則

發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù),保護(hù)取發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)三相電流的最大相電流,一般由定時(shí)限和反時(shí)限兩部分組成。根據(jù)DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》(簡(jiǎn)稱“整定導(dǎo)則”)[3],過(guò)負(fù)荷保護(hù)的定時(shí)限按躲發(fā)電機(jī)定子繞組長(zhǎng)期允許的負(fù)荷電流下能可靠返回的條件整定:

式中:Krel為可靠系數(shù),一般取1.05;IGN為發(fā)電機(jī)定子繞組一次額定電流,A;Kr為返回系數(shù),一般取0.9～0.95,條件允許應(yīng)取較大值;na為電流互感器變比。

保護(hù)延時(shí)(躲過(guò)后備保護(hù)的最大延時(shí))動(dòng)作于信號(hào)或自動(dòng)減負(fù)荷。保護(hù)門檻實(shí)際取值范圍為1.105～1.167倍,工程整定時(shí)應(yīng)躲過(guò)發(fā)電機(jī)最大連續(xù)出力功率的額定電流,如350 MW機(jī)組的最大連續(xù)出力功率可能為380 MW,600 MW機(jī)組可能最大連續(xù)出力功率為660 MW。

一般認(rèn)為,保護(hù)能反應(yīng)系統(tǒng)(電網(wǎng))故障,220 k V輸電線路的保護(hù)最長(zhǎng)延時(shí)一般為5.0～6.0 s,500 k V輸電線路的保護(hù)最長(zhǎng)延時(shí)一般為6.0～7.0 s,因此延時(shí)可直取9.0 s。

過(guò)負(fù)荷保護(hù)的反時(shí)限根據(jù)發(fā)電機(jī)制造廠提供的過(guò)負(fù)荷能力確定,動(dòng)作特性見圖1,保護(hù)的動(dòng)作公式為

圖1 發(fā)電機(jī)定子繞組允許過(guò)電流曲線

式中:Ktc為定子繞組熱容量常數(shù),機(jī)組容量Sn≤1 200 MVA時(shí),Ktc=37.5,具體以廠家提供數(shù)據(jù)為準(zhǔn);I*為以發(fā)電機(jī)額定電流為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值;t為允許的持續(xù)時(shí)間,s;Ksr為散熱系數(shù),一般取1.02～1.05。

工程整定時(shí),Ktc取值略小于制造廠提供的發(fā)熱系數(shù),即略小于37.5,一般取值35,可以保證一定的裕量;起始電流Iop.min*與定時(shí)限門檻配合,取1.0～1.05的配合系數(shù);上限截止電流Iop.max*取機(jī)端三相短路電流;下限延時(shí)tmax可取一較大數(shù)值延時(shí),如1 000 s或取公式計(jì)算值;上限截止時(shí)間tmin與線路保護(hù)的速動(dòng)保護(hù)配合,一般取0.3 s或0.5 s。

根據(jù)以上動(dòng)作特性,認(rèn)為發(fā)電機(jī)定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)變壓器組以及近端輸電線路范圍內(nèi)設(shè)備起著后備保護(hù)的作用[4],在發(fā)電機(jī)變壓器組或輸電線路近端短路時(shí),發(fā)電機(jī)變壓器組或線路主保護(hù)拒動(dòng)時(shí),發(fā)電機(jī)定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)應(yīng)該動(dòng)作。

得此觀點(diǎn)的基礎(chǔ)是沒有考慮短路電流的衰減特性,當(dāng)考慮短路電流的衰減特性時(shí),將會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)論。

2 短路過(guò)程中發(fā)電機(jī)阻抗的變化特性

發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路電流,以U相為例:

公式(4)中的前半部分為短路電流周期分量,后半部分為非周期分量。

本文以350 MW機(jī)組為例進(jìn)行計(jì)算,發(fā)電機(jī)參數(shù)為:Pe=350 MW,Ue=20 k V,cosφ=0.85,X″d=0.180 2/0.195 9(飽 和/不 飽 和 值),X′d=0.233 5/0.265 3(飽和/不飽和值),Xd=2.171 4,T″d=0.035 s,T′d=0.97 s,Td0=8.47 s;主 變 壓 器參數(shù)為:Se=430 MVA,額定電壓20/236 k V,短路阻抗XT=0.18。

定性分析按不考慮非周期分量考慮,取θ0=90°,則:

由此可以看出,發(fā)電機(jī)提供的短路電流不是恒定值,而是按一定規(guī)律和時(shí)間常數(shù)衰減變小的電流。

對(duì)于這種帶有指數(shù)的復(fù)雜運(yùn)算,手工計(jì)算的準(zhǔn)確度和復(fù)雜程度比較大,而一般工程現(xiàn)場(chǎng)的短路電流計(jì)算,均對(duì)公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化。采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法計(jì)算出來(lái)的短路電流,在發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算時(shí),可能會(huì)使保護(hù)靈敏度的計(jì)算不準(zhǔn)確,進(jìn)而產(chǎn)生不正確的結(jié)論。

同樣的方法也適用于計(jì)算兩相短路電流以及主變壓器高壓側(cè)短路電流。主變壓器高壓側(cè)短路計(jì)算時(shí),阻抗參數(shù)中增加主變壓器短路阻抗XT,不對(duì)稱短路計(jì)算時(shí)阻抗參數(shù)中增加負(fù)序阻抗X2。

使用軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,因?yàn)閺?fù)雜的公式已定義到模塊中,通過(guò)建模仿真進(jìn)行計(jì)算,則有助于計(jì)算不同時(shí)域的短路電流,進(jìn)而掌握其靈敏度的變化情況。

3 PSCAD建模仿真計(jì)算

與Matlab不同,PSCAD是專用于電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真的工具,可以通過(guò)圖形化的組合,搭建所要計(jì)算的機(jī)組小系統(tǒng),對(duì)不同位置、不同短路形式、不同時(shí)域的短路電流進(jìn)行仿真計(jì)算。

本文以示例的350 MW機(jī)組搭建模型,見圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)變壓器短路仿真計(jì)算模型

在圖2中,因?yàn)閮H計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)端、主變壓器高壓側(cè)短路時(shí)發(fā)電機(jī)提供的短路電流,計(jì)算時(shí)設(shè)置的短路形式為金屬性短路,不存在系統(tǒng)電流助增的問(wèn)題,因此圖2中的系統(tǒng)等效模塊與機(jī)組脫開,脫開后不影響軟件計(jì)算與仿真。

圖3為發(fā)電機(jī)模塊設(shè)置參數(shù)。圖4為主變壓器模塊設(shè)置參數(shù)。過(guò)負(fù)荷反時(shí)限保護(hù)模塊見圖5。

圖3 發(fā)電機(jī)模塊參數(shù)

圖4 主變壓器參數(shù)模塊

圖5 過(guò)負(fù)荷反時(shí)限元件保護(hù)模塊

因?yàn)镻SCAD的反時(shí)限模塊與國(guó)內(nèi)保護(hù)動(dòng)作公式略有區(qū)別,圖5的反時(shí)限模塊中增加了啟動(dòng)元件模塊。

因此,過(guò)負(fù)荷反時(shí)限元件51中的啟動(dòng)門檻按國(guó)內(nèi)保護(hù)動(dòng)作公式的散熱系數(shù)取值,一般取1.02～1.05,本文中取1.02;IEC的極端反時(shí)限的A固定為80,因此根據(jù)國(guó)內(nèi)的《整定導(dǎo)則》,發(fā)熱系數(shù)一般取33～37.5,本文中取35,因此取TD=35/(80×1.022)=0.420 5。

獨(dú)立設(shè)置的啟動(dòng)元件門檻取1.105 Ie。

圖6為機(jī)端三相短路仿真計(jì)算結(jié)果,保護(hù)未動(dòng)作。(仿真設(shè)置的故障起始時(shí)間t=5.0 s)

圖6 發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路仿真計(jì)算結(jié)果

圖6 中,IiG為發(fā)電機(jī)機(jī)端電流瞬時(shí)值,IG_rms為發(fā)電機(jī)機(jī)端電流有效值,IG_rms_pu為發(fā)電機(jī)機(jī)端電流標(biāo)幺值,IiG_output為過(guò)負(fù)荷反時(shí)限保護(hù)元件的動(dòng)作輸出(動(dòng)作后輸出為1,正常狀態(tài)輸出為0)。標(biāo)幺值計(jì)算是大于啟動(dòng)門檻之后開始計(jì)算,小于啟動(dòng)門檻后不再進(jìn)行計(jì)算。

更改故障類型和故障位置,仿真機(jī)端兩相短路和主變壓器高壓側(cè)三相、兩相、單相短路故障,計(jì)算數(shù)據(jù)均說(shuō)明,保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

圖2中的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型采用的是勵(lì)磁理想模型,即認(rèn)為在所模擬故障的發(fā)展過(guò)程中勵(lì)磁輸出參數(shù)不變化,更改勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型為交流勵(lì)磁模型(IEEE AC1 A～8B,即三級(jí)勵(lì)磁或無(wú)刷勵(lì)磁形式)或靜態(tài)勵(lì)磁模型(IEEE ST1 A～7B,即機(jī)端勵(lì)磁變或定子副繞組勵(lì)磁形式)發(fā)現(xiàn),短路電流衰減時(shí)間更短,保護(hù)仍不會(huì)動(dòng)作。

更改TD設(shè)定值,仿真測(cè)試過(guò)負(fù)荷反時(shí)限保護(hù)的TD動(dòng)作邊界,結(jié)果見表1。

表1 改變發(fā)熱系數(shù)后對(duì)不同位置的保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)結(jié)果

表1數(shù)據(jù)說(shuō)明,對(duì)于機(jī)端三相短路,只有當(dāng)TD≤0.047時(shí),反時(shí)限保護(hù)才可以動(dòng)作,相當(dāng)于國(guó)內(nèi)保護(hù)動(dòng)作公式中的發(fā)熱系數(shù)Ktc≤3.9。因?yàn)镻SCAD軟件內(nèi)部置死的TD的最小取值為0.01,因此試驗(yàn)的最低限整定TD時(shí),對(duì)于主變壓器高壓側(cè)兩相短路和單相短路,保護(hù)不動(dòng)作。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于發(fā)電機(jī)變壓器組,不論故障位置在機(jī)端還是主變壓器高壓側(cè),不論故障的短路形式如何,短路電流均呈現(xiàn)為衰減特性。只有當(dāng)短路阻抗中的非發(fā)電機(jī)阻抗遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)阻抗時(shí),才可以忽略其衰減特性。

(2)按照《整定導(dǎo)則》取值的發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)反時(shí)限保護(hù)對(duì)于發(fā)電機(jī)機(jī)端到主變壓器高壓側(cè)、輸電線等設(shè)備的各種短路故障沒有靈敏度,起不到后備保護(hù)的作用。

(3)反時(shí)限保護(hù)的“上限動(dòng)作時(shí)間(tmin)”定值宜取可能的較小數(shù)值,如0.3 s或0.5 s,滿足其與出線快速保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在數(shù)值上的配合即可。

(4)發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)作用于保護(hù)電氣設(shè)備的過(guò)熱(引入溫度測(cè)量值)、過(guò)載或周期性過(guò)載(如失磁失步導(dǎo)致的過(guò)載)等異常工況,以及內(nèi)部或系統(tǒng)原因?qū)е碌碾娏鏖L(zhǎng)期異常等。

(5)同樣的方法適用于對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表層過(guò)負(fù)荷(定子負(fù)序電流過(guò)負(fù)荷)保護(hù)的分析。

(6)在PSCAD中將勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型、汽(水)輪機(jī)調(diào)速器模型、電網(wǎng)等效模型完善后,可進(jìn)行發(fā)電機(jī)失步、振蕩過(guò)程中發(fā)電機(jī)定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作行為研究,檢查過(guò)負(fù)荷反時(shí)限與失步保護(hù)的配合情況。