王 寧

（華能國(guó)際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)是指為發(fā)電機(jī)端部的靜止勵(lì)磁系統(tǒng)提供整流電源裝置的系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置（AVR）通過調(diào)節(jié)、限制、切換等方法對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)起到限制和保護(hù)的作用，主要包括，低勵(lì)磁限制和保護(hù)、過勵(lì)磁限制和保護(hù)、勵(lì)磁過電流限制和保護(hù)等。其動(dòng)作順序是，先進(jìn)行限制，使AVR恢復(fù)至正常工作狀態(tài)；當(dāng)限制器動(dòng)作后AVR仍然不能恢復(fù)至正常工況工作時(shí)，再由AVR的保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，將AVR由工作通道切換至備用通道或自動(dòng)切至手動(dòng)（有時(shí)延時(shí)將AVR切至50Hz手動(dòng)）；如仍然不能恢復(fù)至正常工況工作，最后由發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)停機(jī)［1］。但是，當(dāng)前多數(shù)電廠的發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)在進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)，容易忽略與AVR的配合，導(dǎo)致一旦勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)異常，發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)立即動(dòng)作，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

1 失磁保護(hù)與低勵(lì)磁限制的配合

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)電壓升高、運(yùn)行人員誤操作、勵(lì)磁裝置故障等原因，都可能使發(fā)電機(jī)在低勵(lì)磁狀態(tài)下運(yùn)行，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)就是對(duì)這種勵(lì)磁電流異常下降或完全消失的失磁故障的保護(hù)［2］。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中低勵(lì)限制的作用是，當(dāng)勵(lì)磁電流下降到限制值時(shí)，限制勵(lì)磁電流下降或增加勵(lì)磁電流，使機(jī)組不越過靜穩(wěn)極限。GB/T 14285－2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》［3］要求“最低勵(lì)磁限制的動(dòng)作應(yīng)能先于勵(lì)磁自動(dòng)切換和失磁保護(hù)的動(dòng)作”。

1.1 理論分析

阻抗型失磁保護(hù)是在發(fā)電機(jī)機(jī)端的R－X測(cè)量阻抗圓平面上計(jì)算的，而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制環(huán)節(jié)是根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定極限圓并結(jié)合系統(tǒng)的無功功率儲(chǔ)備整定的，二者分別屬于不同的坐標(biāo)系，無法直觀地校核他們之間的配合關(guān)系，為此，必須將兩者都?xì)w算到同一坐標(biāo)平面上進(jìn)行討論。

對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，靜穩(wěn)極限圓在P－Q平面上的表達(dá)式為

式中：P、Q分別為發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率；U為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；Xs為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的聯(lián)系電抗；Xd發(fā)電機(jī)的同步電抗。圓心為［0，U2/2（1/Xs－1/Xd）］，半徑為U2/2（1/Xs＋1/Xd），圓內(nèi)是發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在圓外時(shí)，不能穩(wěn)定運(yùn)行，故低勵(lì)限制單元應(yīng)限制勵(lì)磁電流繼續(xù)減少。

設(shè)失磁保護(hù)阻抗圓的圓心坐標(biāo)為（0，X0），半徑為R0，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，其方程為

映射至P－Q平面上，靜穩(wěn)圓為

式中：X0＝－（Xd－Xs）/2，R0＝－（Xd＋Xs）/2；靜穩(wěn)圓與Q軸相交于（0，U2/Xs）和（0，－U2/Xs），動(dòng)作區(qū)在圓外。

映射至P－Q平面上，異步圓為

式中：X0＝－（Xd＋0.5X′d）/2，R0＝ －（Xd－0.5X′d）/2，X′d為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗不飽和值，異步圓與Q軸相交于（0，－U2/Xd）和（0，－U2/2X′d），動(dòng)作區(qū)在圓內(nèi)。

根據(jù)以上式子，可以繪出發(fā)電機(jī)及AVR在PQ平面上的各特性曲線，見圖1，為了便于觀察和說明問題，只繪出第4象限部分。

圖1 發(fā)電機(jī)的低勵(lì)限制和保護(hù)配合曲線

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，當(dāng)機(jī)端測(cè)量阻抗到達(dá)曲線1時(shí)，則判斷為低勵(lì)磁狀態(tài)，此時(shí)發(fā)出低勵(lì)磁信號(hào)，AVR閉鎖減磁，并自動(dòng)執(zhí)行增磁操作，直到低勵(lì)磁故障消失。如果低勵(lì)磁限制未作用，發(fā)電機(jī)繼續(xù)進(jìn)相，當(dāng)達(dá)到曲線3時(shí)，說明發(fā)電機(jī)由于失磁已失去同步，失磁保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行解列發(fā)電機(jī)命令。由此可見，由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器有低勵(lì)磁限制功能，當(dāng)發(fā)電機(jī)正常進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，失磁保護(hù)不應(yīng)誤動(dòng)作。

1.2 配合原則

失磁保護(hù)根據(jù)機(jī)端測(cè)量阻抗而動(dòng)作，當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后機(jī)端測(cè)量阻抗必將從等有功圓越過靜穩(wěn)圓，最后進(jìn)入到異步圓，動(dòng)作方式為減出力、切換廠用電、解列。低勵(lì)限制的作用是當(dāng)勵(lì)磁電流下降到限制值時(shí)限制勵(lì)磁電流下降或增加勵(lì)磁電流，使機(jī)組在運(yùn)行時(shí)不越過靜穩(wěn)極限。從失磁保護(hù)、低勵(lì)磁限制的原理和動(dòng)作行為可得到相互配合原則：發(fā)電機(jī)從失磁到最后失穩(wěn)或失步，機(jī)端測(cè)量阻抗和功率都應(yīng)該先進(jìn)入低勵(lì)磁限制區(qū)，然后進(jìn)入低勵(lì)磁保護(hù)區(qū)，最后過渡到失磁保護(hù)圓（靜穩(wěn)圓或異步圓），在P－Q平面上失磁保護(hù)阻抗圓處在低勵(lì)磁限制線的下方，而且相互之間的裕度充分合理、過渡平穩(wěn)。

1.3 配合方案

a.根據(jù)發(fā)電機(jī)的進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)得曲線1。

b.根據(jù)發(fā)電機(jī)低勵(lì)磁限制數(shù)據(jù)得曲線2。

c.將低勵(lì)磁限制曲線向下平移一定值，約為發(fā)電機(jī)額定無功功率的10%左右，即為低勵(lì)磁保護(hù)曲線3。

d.計(jì)算以發(fā)電機(jī)基本阻抗為基準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值，在P－Q平面上計(jì)算以發(fā)電機(jī)視在功率為基準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)圓坐標(biāo)和半徑的標(biāo)幺值，即為曲線5。

e.考慮10%～20%的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)、5%～10%的參數(shù)誤差及一定的可靠系數(shù)，靜穩(wěn)圓坐標(biāo)和半徑的標(biāo)幺值除以1.2～1.5后得到有裕度的靜穩(wěn)圓，即為發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)靜穩(wěn)邊界圓曲線4。

f.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁降低后，低勵(lì)磁限制先于低勵(lì)磁保護(hù)和失磁保護(hù)動(dòng)作，滿足了文獻(xiàn)［3－5］中的配合要求。

2 轉(zhuǎn)子繞組過電流保護(hù)與勵(lì)磁過電流限制的配合

現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)裝置和AVR中均裝設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過電流保護(hù)。發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置的轉(zhuǎn)子繞組過電流保護(hù)動(dòng)作后，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)；AVR有勵(lì)磁過電流限制和保護(hù)2種功能。2套勵(lì)磁過電流保護(hù)動(dòng)作特性相似，但在整定計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮相互間的配合［6］。

2.1 配合原則

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)在整定計(jì)算時(shí)，允許發(fā)熱時(shí)間常數(shù)Khe.al、反時(shí)限過電流保護(hù)上限動(dòng)作值的計(jì)算依據(jù)是由發(fā)電機(jī)制造廠提供的允許強(qiáng)行勵(lì)磁倍數(shù)和允許強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)間決定的。制造廠提供的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子允許發(fā)熱時(shí)間常數(shù)為Khe.al＝（Kfo.al－1）tal，其中，Kfo.al為允許強(qiáng)行勵(lì)磁倍數(shù)；tal為允許強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)間。

2.2 配合方案

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)在整定時(shí)，必須與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組允許過電流特性曲線，發(fā)電機(jī)AVR勵(lì)磁過電流限制、保護(hù)相互配合計(jì)算。

a.發(fā)電機(jī)允許發(fā)熱時(shí)間常數(shù)≥發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)整定值＞AVR勵(lì)磁過電流保護(hù)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)整定值＞AVR勵(lì)磁過電流限制發(fā)熱時(shí)間常數(shù)整定值。

b.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)下限動(dòng)作電流整定值＞AVR勵(lì)磁過電流保護(hù)下限動(dòng)作電流整定值＝AVR勵(lì)磁過電流限制下限動(dòng)作電流整定值。

c.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)上限動(dòng)作電流整定值＞AVR勵(lì)磁過電流保護(hù)上限動(dòng)作電流整定值＞AVR勵(lì)磁過電流限制上限動(dòng)作電流整定值。

d.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)上限動(dòng)作時(shí)間整定值＞AVR勵(lì)磁過電流保護(hù)上限動(dòng)作時(shí)間整定值＞AVR勵(lì)磁過電流限制上限動(dòng)作時(shí)間整定值。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁過電流保護(hù)與AVR勵(lì)磁過電流限制整定配合方案如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁過電流保護(hù)與AVR勵(lì)磁過電流限制配合方案

3 過勵(lì)磁保護(hù)與過勵(lì)磁限制的配合

發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)應(yīng)與AVR過勵(lì)磁限制配合。當(dāng)發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁時(shí)，AVR的過勵(lì)磁限制應(yīng)先于發(fā)電機(jī)的過勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作，即AVR的過勵(lì)磁限制倍數(shù)n應(yīng)小于反時(shí)限過勵(lì)磁保護(hù)中設(shè)置的最低n值，如發(fā)電機(jī)反時(shí)限過勵(lì)磁保護(hù)的最低n值為1.07，則勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的限制值n取1.06［7］。發(fā)電機(jī)允許過勵(lì)磁特性和發(fā)電機(jī)、AVR離散型過勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作特性配合方案如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)與AVR過勵(lì)磁限制的配合方案

根據(jù)發(fā)電機(jī)制造廠提供的發(fā)電機(jī)允許過勵(lì)磁特性曲線，可得到發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和AVR過勵(lì)磁限制動(dòng)作時(shí)間，見表1。

表1 發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)和AVR離散型過勵(lì)磁限制各點(diǎn)整定值

4 結(jié)束語(yǔ)

作為發(fā)電機(jī)二次系統(tǒng)中最重要的2個(gè)組成部分，發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)與勵(lì)磁控制系統(tǒng)是緊密關(guān)聯(lián)的，繼電保護(hù)人員在進(jìn)行勵(lì)磁和發(fā)電機(jī)保護(hù)整定時(shí)，應(yīng)充分考慮兩者的聯(lián)系，以確保保護(hù)裝置的正確運(yùn)行。文中從發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、轉(zhuǎn)子繞組過電流保護(hù)、過勵(lì)磁保護(hù)三方面闡述了與AVR勵(lì)磁限制、保護(hù)的配合整定，希望能夠?qū)φㄓ?jì)算人員有所啟示。

［1］ 高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［2］ 姚子麟.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)失磁保護(hù)的影響［J］.浙江電力，1998，17（6）：41－43.

［3］ GB/T 14285－2006，繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ DL/T 650－1998，大型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［5］ DL/T 843－2003，大型汽輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［6］ 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)與應(yīng)用［M］，北京：中國(guó)電力出版社，1996.

［7］ DL/T 684－1999，大型發(fā)電機(jī)變壓器整定計(jì)算導(dǎo)則［S］.