調(diào)相機(jī)勵(lì)磁限制器與調(diào)變組保護(hù)配合探討

蘇家財(cái)　任更新　黃帆　馬紹郎　李繼平

摘 要：合理整定調(diào)相機(jī)勵(lì)磁裝置限制器定值，與調(diào)變組保護(hù)裝置對(duì)應(yīng)的保護(hù)形成配合，才能充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)在滯相、進(jìn)相兩個(gè)方向的作用，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鑒于此，首先分析了勵(lì)磁限制器與調(diào)變組保護(hù)的配合要求，然后介紹了限制器與保護(hù)的配合整定原則和計(jì)算方法，以期為調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)定值整定提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：調(diào)相機(jī)勵(lì)磁限制器；調(diào)變組保護(hù)；配合整定

中圖分類號(hào)：TM342? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0019-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.006

0? ? 引言

調(diào)相機(jī)，一種既可以發(fā)出無功（也稱“吐無功”），也可以吸收無功（也稱“吞無功”）的同步電機(jī)，它可以增加系統(tǒng)的短路容量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，受系統(tǒng)電壓和不對(duì)稱短路影響小，在系統(tǒng)暫態(tài)、動(dòng)態(tài)過程中的調(diào)節(jié)性能好，其動(dòng)態(tài)無功輸出能力可達(dá)額定容量的2倍以上，同時(shí)具備深度進(jìn)相能力，可以有效解決無功支撐不足、系統(tǒng)電壓多變等系統(tǒng)性問題[1-2]。目前，已有大批量新一代300 Mvar、分布式50 Mvar調(diào)相機(jī)得到應(yīng)用，它們?cè)趽Q流站、變電站、新能源區(qū)發(fā)揮著電網(wǎng)穩(wěn)定器的作用。未來，發(fā)展以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為主旋律，調(diào)相機(jī)在提供無功支撐、抑制過電壓、維持系統(tǒng)穩(wěn)定方面將發(fā)揮更大的作用。

調(diào)相機(jī)的功能發(fā)揮很大程度上取決于二次控制、保護(hù)系統(tǒng)工作情況，調(diào)相機(jī)暫態(tài)調(diào)節(jié)、吞吐容量和安全運(yùn)行邊界受勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)相機(jī)變壓器組保護(hù)（以下簡稱“調(diào)變組保護(hù)”）制約，如何在保證調(diào)相機(jī)充分發(fā)揮自身能力的同時(shí)，保障調(diào)相機(jī)安全，成為調(diào)相機(jī)應(yīng)用實(shí)踐的焦點(diǎn)，其中調(diào)相機(jī)勵(lì)磁限制器與調(diào)變組保護(hù)的配合尤為重要。本文將以國內(nèi)一線調(diào)相機(jī)廠家生產(chǎn)的300 Mvar調(diào)相機(jī)和國內(nèi)一線勵(lì)磁廠家生產(chǎn)的PCS9410系列勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為例，詳細(xì)介紹調(diào)相機(jī)勵(lì)磁裝置限制器與調(diào)變組保護(hù)在關(guān)鍵定值上的整定與配合。

1? ? 勵(lì)磁限制器與調(diào)變組保護(hù)配合要求

1.1? ? 調(diào)相機(jī)勵(lì)磁限制器

調(diào)相機(jī)勵(lì)磁限制器用于在調(diào)相機(jī)運(yùn)行至接近安全邊界時(shí)，觸發(fā)限制器動(dòng)作后將調(diào)相機(jī)往回拉，控制調(diào)相機(jī)運(yùn)行回安全范圍。調(diào)相機(jī)勵(lì)磁限制器主要有無功功率低勵(lì)限制、磁場過流過熱限制、滯相定子電流限制、伏赫茲限制[3-4]。

1.2? ? 調(diào)變組保護(hù)

調(diào)變組保護(hù)用于調(diào)相機(jī)運(yùn)行至超出安全邊界時(shí)，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作后跳機(jī)和解列。由于保護(hù)動(dòng)作后作用于跳機(jī)和解列，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響比較大，故除去與運(yùn)行工況無關(guān)的本體故障和系統(tǒng)故障以外，在調(diào)相機(jī)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，與勵(lì)磁系統(tǒng)控制相關(guān)的保護(hù)均需與勵(lì)磁限制器形成配合，主要包含調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)、勵(lì)磁繞組過負(fù)荷保護(hù)、調(diào)相機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù)、調(diào)相機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)。

1.3? ? 配合原則

要保障調(diào)相機(jī)安全，需提前整定調(diào)變組保護(hù)的定值，確定安全運(yùn)行邊界。一般根據(jù)調(diào)相機(jī)的管理和調(diào)度權(quán)限，由管理單位整定、管理和維護(hù)調(diào)變組定值。在保障調(diào)相機(jī)安全的前提下，要充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)的調(diào)節(jié)能力和吞吐能力，起到穩(wěn)定器的作用，則需要?jiǎng)?lì)磁限制器在調(diào)相機(jī)接近安全邊界時(shí)早于調(diào)變組保護(hù)動(dòng)作，將調(diào)相機(jī)限制回安全范圍。故勵(lì)磁限制器與調(diào)變組保護(hù)配合的原則大致為：

（1）被監(jiān)視的模擬量一致、工況接近、功能原理相近、整定原則類似的勵(lì)磁限制器和調(diào)變組保護(hù)進(jìn)行配合，對(duì)應(yīng)關(guān)系為：無功功率低勵(lì)限制與調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)，磁場過流過熱限制與勵(lì)磁繞組過負(fù)荷保護(hù)，滯相定子電流限制與調(diào)相機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù)，伏赫茲限制與調(diào)相機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)。

（2）勵(lì)磁限制器的啟動(dòng)值和動(dòng)作值小于對(duì)應(yīng)的保護(hù)，限制器的動(dòng)作時(shí)間小于對(duì)應(yīng)的保護(hù)，保證勵(lì)磁限制器先于調(diào)變組保護(hù)動(dòng)作，即勵(lì)磁限制器的動(dòng)作曲線要小于調(diào)變組保護(hù)。

2? ? 勵(lì)磁限制器與調(diào)變組保護(hù)配合整定

2.1? ? 無功功率低勵(lì)限制調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)

無功功率低勵(lì)限制用于限制調(diào)相機(jī)無功功率不低于整定值，防止調(diào)相機(jī)進(jìn)入深度進(jìn)相的非安全狀態(tài)，主要定值包含“無功功率低勵(lì)限值”和“無功低勵(lì)動(dòng)作時(shí)間”。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)相機(jī)無功功率，當(dāng)無功功率小于“無功功率低勵(lì)限值”且持續(xù)時(shí)間達(dá)到“無功低勵(lì)動(dòng)作時(shí)間”，則無功功率低勵(lì)限制動(dòng)作，將調(diào)相機(jī)無功功率限制回整定值以上。

調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)反映調(diào)相機(jī)勵(lì)磁回路異常引起的調(diào)相機(jī)異常運(yùn)行，與勵(lì)磁無功功率低勵(lì)限制一樣，重點(diǎn)監(jiān)視調(diào)相機(jī)的無功功率進(jìn)相運(yùn)行情況，當(dāng)調(diào)相機(jī)無功降低到接近不安全區(qū)域時(shí)，無功功率低勵(lì)限制器先動(dòng)作，將調(diào)相機(jī)無功功率限制回安全范圍。如果限制器動(dòng)作后異常工況繼續(xù)發(fā)展至保護(hù)動(dòng)作值后，調(diào)變組保護(hù)再動(dòng)作跳閘。

為發(fā)揮調(diào)相機(jī)具備的深度進(jìn)相能力，調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)只投入失磁Ⅱ段，需要與勵(lì)磁限制器配合的是逆無功功率判據(jù)，主要定值包含“逆無功功率Ⅱ段百分比”和“失磁Ⅱ段動(dòng)作時(shí)間”，其中“失磁Ⅱ段動(dòng)作時(shí)間”固定整定為2 s。

參照文獻(xiàn)[5]要求，300 Mvar調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行額定功率為-150 Mvar（即50%），故“無功功率低勵(lì)限值”應(yīng)小于-150 Mvar。根據(jù)配合原則，勵(lì)磁限制器動(dòng)作值應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù)，故“無功功率低勵(lì)限值”應(yīng)小于-150 Mvar且大于“逆無功功率Ⅱ段百分比”對(duì)應(yīng)的無功功率值。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，“逆無功功率Ⅱ段百分比”取為調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行額定功率的1.1～1.2倍，一般取1.1倍，即55%，則對(duì)應(yīng)的無功功率值為-165 Mvar，故“無功功率低勵(lì)限值”應(yīng)整定在-150～165 Mvar，一般整定為-155 Mvar。根據(jù)配合原則，勵(lì)磁限制器動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù)，故“無功低勵(lì)動(dòng)作時(shí)間”應(yīng)小于2 s，考慮需要發(fā)揮調(diào)相機(jī)深度進(jìn)相能力和抑制系統(tǒng)過電壓能力，一般整定為0.5 s。

2.2? ? 磁場過流過熱限制與勵(lì)磁繞組過負(fù)荷保護(hù)

磁場過流過熱限制是用于調(diào)相機(jī)勵(lì)磁電流超過其最大長期連續(xù)運(yùn)行電流時(shí)對(duì)勵(lì)磁電流的限制，防止長時(shí)間過流導(dǎo)致過熱，損壞調(diào)相機(jī)勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組發(fā)熱與勵(lì)磁電流二次方和持續(xù)時(shí)間的乘積成正比關(guān)系，即勵(lì)磁電流及其允許運(yùn)行時(shí)間成反時(shí)限特性曲線，如圖1所示。

當(dāng)調(diào)相機(jī)勵(lì)磁電流超過啟動(dòng)值時(shí)，熱容量計(jì)算方法如下：

[（if/ifN）²-1]×t=C（1）

式中：if為調(diào)相機(jī)實(shí)際勵(lì)磁電流值；ifN為調(diào)相機(jī)額定勵(lì)磁電流值；t為熱積累持續(xù)時(shí)間；C為熱容量。

調(diào)變組的勵(lì)磁繞組過負(fù)荷保護(hù)反映勵(lì)磁繞組的平均發(fā)熱狀況，熱積累原理與磁場過流過熱限制相同。故配合原則為磁場過流過熱限制的啟動(dòng)值和熱容量均應(yīng)小于勵(lì)磁繞組過負(fù)荷保護(hù)，涉及定值為勵(lì)磁限制“強(qiáng)勵(lì)限制啟動(dòng)定值”應(yīng)小于保護(hù)“勵(lì)磁反時(shí)限啟動(dòng)電流”，勵(lì)磁限制“磁場熱容計(jì)算電流”和“磁場熱容計(jì)算時(shí)間”對(duì)應(yīng)的熱容量應(yīng)小于保護(hù)的“勵(lì)磁繞組熱容量”。

參照文獻(xiàn)[5]要求，勵(lì)磁系統(tǒng)在1.1倍額定勵(lì)磁電流工況下長期運(yùn)行，故勵(lì)磁限制器啟動(dòng)值應(yīng)不小于110%。同時(shí)，文獻(xiàn)[6]規(guī)定，保護(hù)啟動(dòng)值應(yīng)根據(jù)調(diào)相機(jī)廠家實(shí)際過負(fù)荷曲線，按照調(diào)相機(jī)長期允許的勵(lì)磁過負(fù)荷能可靠返回的條件整定，故一般情況下，調(diào)變組勵(lì)磁反時(shí)限保護(hù)啟動(dòng)值整定為114%，勵(lì)磁限制器啟動(dòng)值應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù)啟動(dòng)值，故參照火電機(jī)組整定原則[3]，強(qiáng)勵(lì)限制啟動(dòng)定值一般取110%。文獻(xiàn)[5]規(guī)定，300 Mvar調(diào)相機(jī)勵(lì)磁繞組能夠耐受2.5倍額定勵(lì)磁電流，時(shí)間15 s，根據(jù)式（1）得出對(duì)應(yīng)熱容量為：

C=（2.5²-1）×15=78.75

一般地，調(diào)變組勵(lì)磁反時(shí)限過流保護(hù)設(shè)置熱容量為78.75，考慮調(diào)變組保護(hù)與勵(lì)磁限制的配合，即勵(lì)磁限制器要先于調(diào)變組保護(hù)動(dòng)作，所以勵(lì)磁熱容量取值小于調(diào)變組保護(hù)，一般取為0.9×78.75，即70.875。勵(lì)磁熱容量計(jì)算由“磁場熱容計(jì)算電流” “磁場熱容計(jì)算時(shí)間”決定，其中“磁場熱容計(jì)算電流”固定取值為200%，根據(jù)式（1），可計(jì)算出“磁場熱容計(jì)算時(shí)間”為：

t=70.875/（2²-1）≈23.63

故“磁場熱容計(jì)算電流”整定為200%，“磁場熱容計(jì)算時(shí)間”整定為23.63 s。

2.3? ? 滯相定子電流限制與調(diào)相機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù)

滯相定子電流限制是用于調(diào)相機(jī)定子電流超過其最大長期連續(xù)運(yùn)行電流時(shí)，對(duì)定子電流的限制，防止長時(shí)間過流導(dǎo)致過熱，損壞調(diào)相機(jī)定子繞組。滯相定子電流限制與磁場過流過熱限制一樣，隨發(fā)電機(jī)定子電流增加，動(dòng)作時(shí)間反時(shí)限減少，其熱容量計(jì)算方法如下：

[（i_t/i_tN）²-1]×t=C（2）

式中：it為調(diào)相機(jī)實(shí)際定子電流值；itN為調(diào)相機(jī)額定定子電流值；t為熱積累持續(xù)時(shí)間；C為熱容量。

調(diào)變組的定子過負(fù)荷保護(hù)熱積累原理與滯相定子電流限制相同。故配合原則為滯相定子過流限制的啟動(dòng)值和熱容量均應(yīng)小于調(diào)相機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù)，涉及定值為勵(lì)磁限制“定子過流啟動(dòng)電流”應(yīng)小于保護(hù)“定子反時(shí)限啟動(dòng)電流”，勵(lì)磁限制“定子熱容計(jì)算電流”和“定子熱容計(jì)算時(shí)間”對(duì)應(yīng)的熱容量應(yīng)小于保護(hù)的“定子繞組熱容量系數(shù)”。

以華中地區(qū)300 Mvar調(diào)相機(jī)為例，調(diào)變組定子反時(shí)限保護(hù)啟動(dòng)值整定為110%，勵(lì)磁限制器啟動(dòng)值應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù)啟動(dòng)值，故定子過流啟動(dòng)電流一般取109%，即整定為9.439 kA。文獻(xiàn)[5]規(guī)定，300 Mvar調(diào)相機(jī)定子繞組能夠耐受3.5倍額定定子電流，時(shí)間15 s，根據(jù)式（2）得出對(duì)應(yīng)熱容量為：

C=（3.5²-1）×15=168.75

一般地，調(diào)變組定子反時(shí)限過流保護(hù)設(shè)置熱容量為168.75，考慮調(diào)變組保護(hù)與勵(lì)磁限制的配合，即勵(lì)磁限制器要先于調(diào)變組保護(hù)動(dòng)作，所以勵(lì)磁限制器的定子熱容量取值小于調(diào)變組保護(hù)，一般取為0.9×168.75，即151.875。勵(lì)磁定子熱容量計(jì)算由“定子熱容計(jì)算電流” “定子熱容計(jì)算時(shí)間”決定，其中“定子熱容計(jì)算電流”固定取值160%，根據(jù)式（2），可計(jì)算出“定子熱容計(jì)算時(shí)間”為：

t=151.875/（1.6²-1）≈97.36

故“定子熱容計(jì)算電流”整定為13.856 kA（160%），“定子熱容計(jì)算時(shí)間”整定為97.36 s。

2.4? ? 伏赫茲限制與調(diào)相機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)

當(dāng)伏赫茲比值超過安全范圍時(shí)，容易導(dǎo)致調(diào)相機(jī)及主變過激磁和過熱現(xiàn)象，因此當(dāng)伏赫茲比值超出安全范圍時(shí)，必須限制機(jī)端電壓幅值，維持伏赫茲比值在安全范圍內(nèi)。伏赫茲（V/F）限制動(dòng)作時(shí)間隨伏赫茲過激磁倍數(shù)增加而減小，呈反時(shí)限動(dòng)作曲線，其動(dòng)作時(shí)間曲線由多點(diǎn)時(shí)間定值（按伏赫茲比值等距分布）組成。

調(diào)相機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)的動(dòng)作原理和伏赫茲限制相同，故配合原則為相同的伏赫茲倍數(shù)下，伏赫茲限制動(dòng)作時(shí)間要小于調(diào)相機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)，即勵(lì)磁伏赫茲限制器多點(diǎn)組成的動(dòng)作曲線應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù)過激磁保護(hù)多點(diǎn)組成的曲線。

以典型300 Mvar雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)為例，其過勵(lì)磁保護(hù)和伏赫茲限制定值如表1所示。

由于每兩點(diǎn)之間的動(dòng)作關(guān)系為線性直線，故可計(jì)算出伏赫茲限制在保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間，以便進(jìn)行直觀比較，如表2所示。

通過表1、表2數(shù)據(jù)對(duì)比可見，相同伏赫茲倍數(shù)下，伏赫茲限制器動(dòng)作時(shí)間均小于過勵(lì)磁保護(hù)。另通過表1定值數(shù)據(jù)畫出伏赫茲限制和過勵(lì)磁保護(hù)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作曲線，如圖2所示。

由圖2可見，伏赫茲限制器的動(dòng)作曲線整體小于過勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作曲線，即相同伏赫茲倍數(shù)下，伏赫茲限制先于保護(hù)動(dòng)作，定值匹配。

3? ? 結(jié)語

在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，調(diào)相機(jī)將發(fā)揮越來越大的作用，而勵(lì)磁和保護(hù)定值的合理整定和配合，將決定調(diào)相機(jī)的功能能否充分發(fā)揮。在未來電網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用過程中，調(diào)變組保護(hù)的定值會(huì)根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行修改，對(duì)應(yīng)地，勵(lì)磁限制器定值也要根據(jù)配合原則進(jìn)行修改，以確保調(diào)相機(jī)在安全范圍內(nèi)充分發(fā)揮其在暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)等多種工況下的無功支撐功能和過電壓抑制功能。

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收稿日期：2023-01-09

作者簡介：蘇家財(cái)（1986—），男，重慶人，工程師，研究方向：發(fā)電廠控制保護(hù)、特高壓直流輸電、柔性交直流輸電。