某水輪發(fā)電機(jī)最大進(jìn)相深度的限制條件與失磁保護(hù)驗(yàn)證

鐘 建，陽(yáng) 彪，陳納強(qiáng)，曾恕嘉，沈 偉，夏運(yùn)超

(1. 中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司水電科學(xué)研究院，四川 成都 610046；2. 中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，四川 成都 610046；3. 雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610046)

由于發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行深度受到靜穩(wěn)定、額定定子電流、定子電壓降低和定子端部發(fā)熱等因素限制，需要對(duì)各類(lèi)限制條件、功能配置和配合情況進(jìn)行分析與驗(yàn)證，以確定其進(jìn)相運(yùn)行是否能滿足國(guó)家規(guī)程規(guī)定。而勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制一般采用P-Q限制單元方式，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)采用阻抗特性方式，按照相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制功能應(yīng)進(jìn)行動(dòng)、靜穩(wěn)定試驗(yàn)驗(yàn)證，且發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制的動(dòng)作應(yīng)先于失磁保護(hù)動(dòng)作。

為了驗(yàn)證某發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行深度受限時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制功能、發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)功能配合情況是否滿足日常運(yùn)行及規(guī)程要求，低勵(lì)限制與失磁保護(hù)配合是否合理，本文接下來(lái)將根據(jù)賈文雙等發(fā)表的《發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與低勵(lì)磁限制的配合方法》[1]一文中的推導(dǎo)方法，將低勵(lì)限制與失磁保護(hù)歸算到同一平面上進(jìn)行比較分析，得到該型號(hào)的低勵(lì)限制與“WFB-822A/R1/F”型失磁保護(hù)裝置的配合進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

1 概 述

某發(fā)電廠與220 kV系統(tǒng)相連，裝設(shè)3臺(tái)立軸混流式發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量40 MW，發(fā)電機(jī)層高程為2 759.9 m。該發(fā)電機(jī)為單元接線方式運(yùn)行。220 kV變壓器分接開(kāi)關(guān)置于Ⅳ檔位置，廠用變壓器分接開(kāi)關(guān)置于Ⅲ擋位置。勵(lì)磁系統(tǒng)是自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的EXC9100型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其AVR和PSS(包括限制環(huán)節(jié))模型如圖1所示。該發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)采用許繼電氣股份有限公司生產(chǎn)的“WFB-822A/R1/F”型失磁保護(hù)裝置，該失磁保護(hù)由靜穩(wěn)阻抗、異步阻抗判據(jù)、勵(lì)磁低電壓判據(jù)、機(jī)端低電壓判據(jù)組成。失磁保護(hù)邏輯框圖如圖2所示。

圖1 低勵(lì)限制調(diào)節(jié)模型圖

圖2 WFB-822A/R1/F型失磁保護(hù)邏輯框圖

2 發(fā)電機(jī)最大進(jìn)相運(yùn)行深度受限情況分析

2.1 進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行深度受到靜穩(wěn)定、定子電流、電壓降低和定子端部發(fā)熱等因素的限制，應(yīng)對(duì)各類(lèi)限制條件、功能配置和配合情況進(jìn)行分析，以確定其進(jìn)相運(yùn)行時(shí)是否能滿足國(guó)家規(guī)程要求。通過(guò)對(duì)該水輪發(fā)電機(jī)組不同工況下進(jìn)行進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)，以確定該發(fā)電機(jī)最大進(jìn)相運(yùn)行深度和受限條件。

根據(jù)試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程及該電站區(qū)域調(diào)度對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行深度相關(guān)要求，以該廠1號(hào)發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行分析可知，發(fā)電機(jī)在100%PN工況時(shí)，最大進(jìn)相深度為-12.64 Mvar，受機(jī)端電壓低于95%UN、功率因素接近0.95的限制；在75%PN工況時(shí)，最大進(jìn)相深度為-15.81 Mvar，受機(jī)端電壓低于95%UN、廠用電壓接近361 V的限制；在50%PN工況時(shí)，最大進(jìn)相深度為-17.63 Mvar，受機(jī)端電壓低于95%UN、廠用電壓接近361 V的限制；在0%PN工況時(shí)，最大進(jìn)相深度為-19.13 Mvar，受機(jī)端電壓接近90%UN、廠用電壓接近361 V的限制。

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)埋測(cè)溫元件顯示，發(fā)電機(jī)空冷器冷風(fēng)平均溫度為18.29℃、熱風(fēng)平均溫度為47.33℃、定子繞組最高溫度為64.0℃、定子鐵芯最高溫度為59.0℃等各部溫度均在規(guī)定范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)功角最大值為38.1°，均有較大裕度，不作為進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)受限條件[2]。

2.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制功能驗(yàn)證

1)發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制功能靜穩(wěn)定性試驗(yàn)。適當(dāng)調(diào)整低勵(lì)限制定值，就地減磁，使得無(wú)功功率值減少到當(dāng)前設(shè)置值以下。此時(shí)，減磁無(wú)效，無(wú)功功率被限制，勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)低勵(lì)限制動(dòng)作信號(hào)。由圖3波形曲線可以明顯看出，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器減磁到設(shè)定值時(shí)減磁無(wú)效，證明該調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制功能滿足要求。

圖3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制靜穩(wěn)定試驗(yàn)波形圖

2)發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制功能動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)程DL/T 1523—2016《同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)導(dǎo)則》要求，發(fā)電機(jī)在無(wú)功功率接近于低勵(lì)限制時(shí)，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制環(huán)進(jìn)行給定電壓向下階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)波形圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器顯示低勵(lì)限制動(dòng)作信號(hào)正常，通過(guò)波形可以發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制器動(dòng)作正常，無(wú)功功率在低勵(lì)限制環(huán)附近階躍擾動(dòng)過(guò)后有明顯上升趨勢(shì)，無(wú)功功率波動(dòng)次數(shù)小于5次，能較快恢復(fù)至低勵(lì)限制環(huán)以上運(yùn)行，效果較為明顯。該發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制功能動(dòng)作正確、有效，調(diào)節(jié)器性能合格。

3 發(fā)電機(jī)最大進(jìn)相深度與失磁保護(hù)配合可行性分析

為校核發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)功能及判據(jù)的合理性，以及是否符合實(shí)際生產(chǎn)要求，防止發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)失磁保護(hù)誤動(dòng)作造成一定的不便，在發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，需考慮發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與勵(lì)磁低勵(lì)限制兩者是否匹配，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制應(yīng)先于失磁保護(hù)動(dòng)作的要求，以達(dá)到在實(shí)際進(jìn)相運(yùn)行過(guò)程中，在不停機(jī)的情況下，以低勵(lì)限制受限來(lái)限制其過(guò)度進(jìn)相運(yùn)行。

3.1 低勵(lì)限制曲線計(jì)算

按照表2中該發(fā)電機(jī)最大進(jìn)相運(yùn)行深度，結(jié)合廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司EXC9100型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)際運(yùn)行中低勵(lì)限制受限點(diǎn)應(yīng)根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算修正[3]。

實(shí)際低勵(lì)限制值計(jì)算公式：

式中：Quelim為低勵(lì)限制實(shí)際無(wú)功功率限制值；Qi為低勵(lì)限制無(wú)功功率設(shè)定值；Ug為實(shí)際運(yùn)行中機(jī)端電壓。

根據(jù)計(jì)算得到該發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中低勵(lì)限制受限數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制定值最大進(jìn)相深度模擬計(jì)算

3.2 失磁保護(hù)阻抗圓計(jì)算

WFB-822A/R1/F型失磁保護(hù)靜穩(wěn)阻抗、異步阻抗判據(jù)、勵(lì)磁低電壓判據(jù)、機(jī)端低電壓判據(jù)定值整定情況如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值單

根據(jù)該發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值計(jì)算[4]得到發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)阻抗圓如圖5所示保護(hù)動(dòng)作區(qū)域。

圖5 進(jìn)相試驗(yàn)深度與失磁保護(hù)的阻抗配合曲線

3.3 失磁保護(hù)與低勵(lì)限制配合分析計(jì)算

1)結(jié)合表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將失磁保護(hù)定值轉(zhuǎn)換到P-Q平面得到發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制與失磁保護(hù)配合情況[5-6]，如圖6所示。

圖6 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與低勵(lì)限制P-Q配合示意圖

通過(guò)對(duì)圖6分析知：低勵(lì)限制曲線與失磁保護(hù)曲線沒(méi)有交叉現(xiàn)象，表明該發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度滿足運(yùn)行要求。該發(fā)電機(jī)可在ABCD曲線內(nèi)正常運(yùn)行，其中直軸右邊部分為遲相運(yùn)行容量，左邊部分為進(jìn)相運(yùn)行容量。

2)通過(guò)分析WFB-822A/R1/F型發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)靜穩(wěn)邊界阻抗判據(jù)動(dòng)作特性，將低勵(lì)限制曲線轉(zhuǎn)換到阻抗平面[4]得到發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制與失磁保護(hù)配合曲線，如圖5所示。

經(jīng)校核發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值可以滿足進(jìn)相試驗(yàn)的需要，進(jìn)相運(yùn)行時(shí)可正常投入運(yùn)行。另根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和失磁保護(hù)相關(guān)限制條件進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，在發(fā)電機(jī)最大進(jìn)相運(yùn)行深度時(shí)低勵(lì)限制可在失磁保護(hù)曲線前動(dòng)作，并通過(guò)對(duì)比FB-822A/R1/F型失磁保護(hù)邏輯框圖(圖2)可知，該深度并未達(dá)到失磁保護(hù)動(dòng)作條件，失磁保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，其最大進(jìn)相運(yùn)行深度滿足日常運(yùn)行要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制功能和定值進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以及對(duì)該發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)功能及定值進(jìn)行核算，表明：該水輪發(fā)電機(jī)組在達(dá)到最大進(jìn)相運(yùn)行深度時(shí)，失磁保護(hù)并未達(dá)到動(dòng)作條件；低勵(lì)限制定值設(shè)置滿足實(shí)際運(yùn)行要求；勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制定值與發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)相配合正確，能在發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)之前可靠動(dòng)作。

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，水電站設(shè)備也隨之不斷改善，其保證穩(wěn)定、可靠的各項(xiàng)性能和功能也在不斷完善。通過(guò)對(duì)電廠不同設(shè)備相關(guān)功能及定值進(jìn)行驗(yàn)證，可有效防止單個(gè)設(shè)備定值整定錯(cuò)誤現(xiàn)象，避免了人為原因造成不必要的非停事故的發(fā)生。為保證機(jī)組能夠安全、可靠運(yùn)行提供必要的技術(shù)支撐，為今后的發(fā)電機(jī)相關(guān)定值參數(shù)的整定發(fā)展提供參考借鑒。