潘仁秋，何其偉，陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102）

調(diào)相機(jī)也稱為同步補(bǔ)償機(jī)，實(shí)質(zhì)上是接在電力系統(tǒng)上的一種空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，它僅從電網(wǎng)吸收少量的有功功率 （通常不超過其額定容量的5%）供電機(jī)本身損耗，可向電網(wǎng)提供無極連續(xù)調(diào)節(jié)的容性或感性無功，改善功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)中的損耗，對調(diào)整電網(wǎng)電壓和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有較好的作用。此外，在電網(wǎng)電壓下降的情況下，調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)行強(qiáng)行勵(lì)磁，保證調(diào)相機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，可繼續(xù)向系統(tǒng)提供無功功率。目前，北京安定500 kV變電站的160 Mvar調(diào)相機(jī)為我國正式投入運(yùn)行的容量最大的調(diào)相機(jī)，該調(diào)相機(jī)于1996年7月投入運(yùn)行，原保護(hù)為晶體管型，運(yùn)行已達(dá)十年，元器件嚴(yán)重老化，難以保證調(diào)相機(jī)的安全運(yùn)行，對其進(jìn)行微機(jī)化改造勢在必行。調(diào)相機(jī)的保護(hù)配置與同容量、同類型的發(fā)電機(jī)保護(hù)類似，但因調(diào)相機(jī)的運(yùn)行工況與發(fā)電機(jī)不盡相同，其保護(hù)也存在著一定的差異。目前國內(nèi)系統(tǒng)介紹發(fā)電機(jī)保護(hù)配置的文獻(xiàn)很詳盡，但有關(guān)調(diào)相機(jī)保護(hù)配置及其應(yīng)用的文獻(xiàn)則較少。

1 調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)方式及其對保護(hù)的影響

由于調(diào)相機(jī)沒有啟動(dòng)力矩，不能自啟動(dòng)，必須借助其他措施。目前，調(diào)相機(jī)采用最多的是電抗器降壓異步啟動(dòng)法，電抗器降壓異步啟動(dòng)法是將系統(tǒng)電源經(jīng)電抗器加到調(diào)相機(jī)定子出線端，在工頻電壓的作用下，借助異步轉(zhuǎn)距啟動(dòng)起來[1]。為了保持系統(tǒng)電壓在一定的數(shù)值并限制啟動(dòng)電流的數(shù)值，在保證調(diào)相機(jī)具有足夠異步啟動(dòng)轉(zhuǎn)距的前提下，在其定子與系統(tǒng)之間串入電抗器。北京安定變電站160 Mvar調(diào)相機(jī)正是采用該啟動(dòng)方式，其接線方式如圖1所示，圖中k1為啟動(dòng)開關(guān)，k2為主開關(guān)。

調(diào)相機(jī)的異步啟動(dòng)過程時(shí)間較短，北京安定變電站調(diào)相機(jī)的整個(gè)啟動(dòng)過程為：啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁開關(guān)斷開，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)滅磁電阻短接。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)k1合上后，調(diào)相機(jī)立即經(jīng)電抗器與系統(tǒng)相聯(lián)而異步啟動(dòng)，當(dāng)調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速（約95%同步轉(zhuǎn)速，也稱為亞同步轉(zhuǎn)速），啟動(dòng)電流下降到接近穩(wěn)態(tài)電流時(shí)投入主開關(guān)k2，同時(shí)勵(lì)磁開關(guān)閉合，調(diào)相機(jī)由軸勵(lì)磁機(jī)加勵(lì)磁后依靠同步勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拖入同步，啟動(dòng)成功后約1 s斷開啟動(dòng)開關(guān)，整個(gè)啟動(dòng)過程需時(shí)約19 s。調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程中合啟動(dòng)開關(guān)瞬間，將有很大的沖擊電流，雖然經(jīng)過電抗器限制啟動(dòng)電流，但根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測該沖擊電流仍可達(dá)2倍額定電流以上，將對過負(fù)荷保護(hù)產(chǎn)生不利影響；此外沖擊電流還會(huì)導(dǎo)致調(diào)相機(jī)差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)電流互感器（TA）傳變特性不一致，影響差動(dòng)保護(hù)的性能。

2 調(diào)相機(jī)的保護(hù)配置

2.1 保護(hù)功能配置

調(diào)相機(jī)配置以下保護(hù)功能：縱向差動(dòng)保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)、電抗器后保護(hù)、防直合主開關(guān)保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)、轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)、啟動(dòng)開關(guān)非全相保護(hù)、同步鑒定功能、方向過流保護(hù)、定子接地保護(hù)、低電壓保護(hù)、失磁保護(hù)、主開關(guān)非全相保護(hù)、主開關(guān)失靈啟動(dòng)、油溫高切機(jī)啟動(dòng)跳閘、油位低切機(jī)啟動(dòng)跳閘以及2號(hào)主變過流啟動(dòng)跳閘。

2.2 調(diào)相機(jī)區(qū)別于常規(guī)發(fā)電機(jī)的保護(hù)功能

同步調(diào)相機(jī)的保護(hù)與同容量、同類型的發(fā)電機(jī)保護(hù)功能配置類似，但因調(diào)相機(jī)的工況與發(fā)電機(jī)不盡相同，其保護(hù)功能也有差異。

（1）差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)是調(diào)相機(jī)的快速主保護(hù)，其原理與發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理相同，所不同的是發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)為兩側(cè)差動(dòng)，而調(diào)相機(jī)由于具有電抗器啟動(dòng)環(huán)節(jié)，在啟動(dòng)過程中差動(dòng)范圍包括三側(cè)，因此調(diào)相機(jī)差動(dòng)保護(hù)應(yīng)按三側(cè)差動(dòng)設(shè)計(jì)，差動(dòng)電流分別取自TA1，TA2和TA3，差動(dòng)范圍內(nèi)包括啟動(dòng)電抗器。此外，安定變調(diào)相機(jī)機(jī)端TA2，TA3與中性點(diǎn)TA1的變比不一致，因此差動(dòng)保護(hù)必須具備軟件自動(dòng)調(diào)平衡功能。

（2）失磁保護(hù)。調(diào)相機(jī)失磁的性質(zhì)完全不同于同步發(fā)電機(jī)失磁，其性質(zhì)只屬于欠勵(lì)范疇，調(diào)相機(jī)失磁不會(huì)導(dǎo)致失步，除了自身過流之外，不會(huì)給系統(tǒng)造成大的威脅。

調(diào)相機(jī)從系統(tǒng)吸收的有功功率始終是一個(gè)很小的恒定值，調(diào)相機(jī)機(jī)端測量阻抗的表達(dá)式為[2]：

式（1）中：Uxt為系統(tǒng)電壓；Xxt為系統(tǒng)等效電抗；φxt為功率因數(shù)角。

機(jī)端測量阻抗軌跡落在第II和第III象限，如圖2所示。

調(diào)相機(jī)主要在過勵(lì)狀態(tài)下運(yùn)行，正常過勵(lì)狀態(tài)下，機(jī)端測量阻抗Z的運(yùn)行軌跡在第II象限靠近X軸處；而從過勵(lì)狀態(tài)過渡到欠勵(lì)或失磁時(shí)，機(jī)端測量阻抗將沿著阻抗圓滑行，進(jìn)入第III象限，如圖2箭頭所示?？梢姲l(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的阻抗判據(jù)，無論采用靜穩(wěn)阻抗圓或異步阻抗圓，均無法正確反映調(diào)相機(jī)的失磁故障。安定變電站調(diào)相機(jī)的失磁保護(hù)摒棄常規(guī)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)阻抗判據(jù)，而是由機(jī)端低電壓判據(jù)和勵(lì)磁裝置故障信號(hào)共同組合來實(shí)現(xiàn)，失磁保護(hù)在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)完成后自動(dòng)投入，其邏輯如圖3所示。

（3）過負(fù)荷保護(hù)。調(diào)相機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)是防止電壓長期降低時(shí)，由于電壓調(diào)整器和強(qiáng)行勵(lì)磁裝置的作用，使調(diào)相機(jī)可能出現(xiàn)持續(xù)過負(fù)荷而設(shè)置。調(diào)相機(jī)過負(fù)荷保護(hù)的定值通常按1.4倍額定電流整定[3]。調(diào)相機(jī)啟動(dòng)時(shí)，雖然經(jīng)過電抗器限制啟動(dòng)電流，但在啟動(dòng)開關(guān)合閘瞬間，沖擊電流仍然很大，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測可達(dá)2倍額定電流以上，可能導(dǎo)致過負(fù)荷保護(hù)誤動(dòng)作，為了確保過負(fù)荷保護(hù)正確工作，應(yīng)在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程中將其退出運(yùn)行，待調(diào)相機(jī)啟動(dòng)完畢后再自動(dòng)投入。本工程過負(fù)荷反映TA2和TA3的和電流，以主開關(guān)處于合位作為調(diào)相機(jī)啟動(dòng)完成的標(biāo)志。

（4）低電壓保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)電壓消失時(shí)，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速下降，為防止系統(tǒng)再次出現(xiàn)電壓后，調(diào)相機(jī)在無啟動(dòng)電抗器的情況下啟動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，要求低電壓保護(hù)動(dòng)作后，經(jīng)時(shí)限將低速運(yùn)行的調(diào)相機(jī)從電網(wǎng)中切除或使滅磁開關(guān)跳閘，同時(shí)投入啟動(dòng)電抗器，使其處于準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)[3]，本工程采用前一種方式。低電壓保護(hù)只在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)完成后投入，經(jīng)主開關(guān)的位置接點(diǎn)閉鎖。為了防止調(diào)相機(jī)機(jī)端電壓互感器（TV）二次小開關(guān)誤跳導(dǎo)致低電壓保護(hù)誤動(dòng)作，引入TV二次小開關(guān)的位置接點(diǎn)作為輔助判據(jù)，提高保護(hù)的可靠性。

（5）方向過流保護(hù)。為了防止反應(yīng)調(diào)相機(jī)內(nèi)部故障的后備保護(hù)在外部故障時(shí)誤動(dòng)作，設(shè)置方向過流保護(hù)，方向元件采用90°接線方式，電壓取自主變高壓側(cè)母線TV，電流取自TA2。

（6）電抗器后保護(hù)。調(diào)相機(jī)啟動(dòng)完成后，啟動(dòng)開關(guān)跳開，TA3與啟動(dòng)開關(guān)之間的電纜在縱差動(dòng)保護(hù)的范圍外，這段電纜一旦發(fā)生故障將沒有保護(hù)來反映，電抗器后保護(hù)正是針對此而設(shè)置，保護(hù)反映TA3的電流大小，只在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)完畢后投入。

（7）防直合主開關(guān)保護(hù)。調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)電流很大，為了防止未經(jīng)電抗器啟動(dòng)，而直接誤合主開關(guān)k2，導(dǎo)致設(shè)備損壞而設(shè)置。保護(hù)直接反映TA2的過電流，保護(hù)動(dòng)作于跳閘。防直合主開關(guān)保護(hù)只在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程中投入，啟動(dòng)完畢后退出該保護(hù)。

（8）同步鑒定功能。調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程中，合上啟動(dòng)開關(guān)后，當(dāng)定子電流下降到一定值時(shí)，認(rèn)為轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，保護(hù)發(fā)出同步信號(hào)接點(diǎn)，用于控制合主開關(guān)。同步鑒定功能反映電抗器支路TA3的電流，在啟動(dòng)成功后自動(dòng)退出運(yùn)行。

3 保護(hù)投運(yùn)和運(yùn)行情況

2005年11月15日7∶30北京安定變電站調(diào)相機(jī)開機(jī)成功投入運(yùn)行，保護(hù)運(yùn)行至今一切正常，未出現(xiàn)任何異常情況。調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程中，啟動(dòng)開關(guān)合上瞬間，調(diào)相機(jī)差動(dòng)保護(hù)C相啟動(dòng)，而A，B相差流略小于啟動(dòng)定值，這是因調(diào)相機(jī)兩側(cè)TA的三相剩磁存在差異。據(jù)錄波數(shù)據(jù)分析啟動(dòng)時(shí)間約120 ms，考慮機(jī)端TA和中性點(diǎn)TA變比不一致，機(jī)端TA變比8 000/5，中性點(diǎn)TA變比6 000/5，以中性點(diǎn)側(cè)為基準(zhǔn)，機(jī)端電流需進(jìn)行校正。C相差動(dòng)電流相關(guān)波形如圖4—6所示。圖4中InC為中性點(diǎn)C相電流；圖5中I'fC為機(jī)端校正電流；圖6中IdC為C相差流。

調(diào)相機(jī)啟動(dòng)時(shí)，反同步的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中會(huì)感應(yīng)出一個(gè)三相對稱的電勢，其頻率為（1-2s）f1，s為滑差，f1為工頻。 此時(shí)，定子電流中除了工頻電流外，還有一個(gè)由上述頻率為（1-2s）f1的電勢所引起的電流[4]。由于合閘瞬間沖擊電流很大，據(jù)實(shí)測可達(dá)2倍額定電流以上，兩側(cè)TA暫態(tài)傳變特性不一致，導(dǎo)致差流的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

調(diào)相機(jī)比同容量、同類型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況復(fù)雜，其保護(hù)也不盡相同，要保證調(diào)相機(jī)保護(hù)的可靠運(yùn)行，需要處理好以下技術(shù)環(huán)節(jié)。

（1）調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程對保護(hù)的影響；

（2）失磁保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)等調(diào)相機(jī)特殊保護(hù)功能的正確配置和實(shí)現(xiàn)。

北京安定變電站160 Mvar調(diào)相機(jī)保護(hù)的成功改造，為國內(nèi)相關(guān)工程提供了參考。

[1]崔 剛.對金昌變調(diào)相機(jī)運(yùn)行的分析和探討[J].甘肅電力，1993（3）：39-43.

[2]周 鶚.電機(jī)學(xué)[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3]能源部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊2（電氣二次部分）[M].北京：中國電力出版社，1991.

[4]林其煌.調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)的分析研究[J].福建電力與電工，1994，14（1）：1-5.

[5]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2002.