徐業(yè)榮，包明磊，李玉平，桑建斌，李 明

(1.南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211100；2.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

大型汽輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值整定探討

徐業(yè)榮1,2，包明磊1,2，李玉平1,2，桑建斌1,2，李 明1,2

(1.南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211100；2.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

通過分析大型汽輪發(fā)電機(jī)失磁故障時(shí)機(jī)端阻抗變化與功率輸出變化，比較兩種失磁保護(hù)方案：阻抗原理和逆無功原理失磁保護(hù)。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)兩種保護(hù)原理主判據(jù)實(shí)質(zhì)上相同，信號(hào)出口方式相同。針對(duì)逆無功原理失磁保護(hù)定值整定沒有導(dǎo)則問題，提出阻抗動(dòng)作邊界映射至 P-Q 平面方法，確定發(fā)電機(jī)失磁故障時(shí)功率動(dòng)作邊界?？朔鏌o功原理失磁保護(hù)逆無功定值依靠工程經(jīng)驗(yàn)整定困難，進(jìn)一步提高保護(hù)定值整定可靠性。以一臺(tái) 1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)作為計(jì)算實(shí)例，計(jì)算兩種保護(hù)原理的保護(hù)定值，為雙重化雙原理失磁保護(hù)配置提供具體參考。

汽輪發(fā)電機(jī)；失磁保護(hù)；阻抗原理；逆無功原理；定值整定

0 引言

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)主要有兩種原理：阻抗原理失磁保護(hù)和逆無功原理失磁保護(hù)。

阻抗原理失磁保護(hù)以機(jī)端測(cè)量阻抗是否落入阻抗動(dòng)作邊界作為失磁保護(hù)的主判據(jù)[1-2]，轉(zhuǎn)子低電壓為輔助判據(jù)[3]共同組成阻抗原理失磁保護(hù)。阻抗動(dòng)作邊界可以是靜穩(wěn)極限圓和異步邊界圓中的一種。前者為功角 =90d °時(shí)，機(jī)端阻抗在阻抗平面上極限邊界；后者為同步發(fā)電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)后，機(jī)端阻抗在阻抗平面上變化軌跡的包絡(luò)線[2]。

逆無功原理失磁保護(hù)通過檢測(cè)聯(lián)網(wǎng)機(jī)組是否從系統(tǒng)側(cè)吸收無功作為主判據(jù)，判斷是否發(fā)生失磁故障[4]。發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障時(shí)，由于需要從系統(tǒng)側(cè)吸收無功，定子電流將增大。以發(fā)電機(jī)過負(fù)荷或者過電流作為逆無功原理失磁保護(hù)輔助判據(jù)，與主判據(jù)共同組成逆無功原理失磁保護(hù)。

在失磁保護(hù)定值整定中，阻抗原理失磁保護(hù)定值可參考導(dǎo)則[5]，逆無功原理失磁保護(hù)依靠工程經(jīng)驗(yàn)整定。在工程應(yīng)用中，阻抗原理失磁保護(hù)一般需要使用轉(zhuǎn)子低電壓作為輔助判據(jù)。使用無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)由于無法直接采集轉(zhuǎn)子電壓[6]，阻抗原理失磁保護(hù)增加誤動(dòng)可能性，建議使用逆無功原理失磁保護(hù)。

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)作為一種涉網(wǎng)保護(hù)，對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性有著重要影響[7]，對(duì)保護(hù)可靠性有著更高要求。為了克服逆無功原理失磁保護(hù)依靠工程經(jīng)驗(yàn)整定保護(hù)定值困難，本文提出一種將阻抗原理失磁保護(hù)動(dòng)作邊界映射至P-Q平面，獲得發(fā)電機(jī)失磁故障時(shí)功率變化邊界的方法。為逆無功原理失磁保護(hù)定值整定提供科學(xué)、可靠依據(jù)。以一臺(tái)1 000 MW機(jī)組參數(shù)為例，運(yùn)用此方法，分別計(jì)算兩種保護(hù)原理的保護(hù)定值，為雙重化雙原理失磁保護(hù)配置提供具體參考。

1 發(fā)電機(jī)失磁故障理論分析

圖1 發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)聯(lián)系示意圖Fig. 1 Schematic diagram of connection between generator and grid

發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗：

式中，j為功率因數(shù)角。

發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障時(shí)，因汽輪機(jī)機(jī)械部件響應(yīng)遠(yuǎn)慢于電磁部件響應(yīng)，造成汽輪機(jī)能量輸出幾乎不變，即發(fā)電機(jī)有功輸出恒定。圖2 中的圓 1、2、3分別表示在有功輸出為時(shí)機(jī)端阻抗軌跡。所有等有功圓在阻抗平面上均與系統(tǒng)聯(lián)系阻抗相切，等有功圓半徑與有功輸出大小成反比。

將式(2)代入式(3)中，可得靜穩(wěn)極限狀態(tài)時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端阻抗邊界：

圖2 中的圓 4 即為式(4)在阻抗平面坐標(biāo)上的軌跡，圓內(nèi)陰影部分為發(fā)電機(jī)失去靜穩(wěn)后機(jī)端阻抗分布區(qū)。發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障時(shí)，機(jī)端阻抗沿著等有功圓滑入靜穩(wěn)邊界圓內(nèi)，即機(jī)端阻抗由第一象限進(jìn)入第四象限。

若失磁故障未能及時(shí)排除，發(fā)電機(jī)最終將失步，進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗與滑差s相關(guān)。當(dāng)滑差 s= 0時(shí)，機(jī)端阻抗圓介于和之間；當(dāng)滑差 s = -￥ 時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗圓介于和(超瞬變電抗)之間。圖3 中陰影部分即為發(fā)電機(jī)異步后機(jī)端阻抗變化區(qū)域，用圓4將該區(qū)域包絡(luò)，即組成異步邊界圓。由可將圓4簡(jiǎn)化以之間為直徑的圓。

圖3 汽輪發(fā)電機(jī)在阻抗平面上異步阻抗軌跡示意圖Fig. 3 Schematic diagram of turbo generator’s impedance curves of the asynchronous limit state

2 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)方案

通過對(duì)失磁故障時(shí)機(jī)端阻抗分析可知，失磁故障后機(jī)端阻抗由第一象限滑入第四象限，同時(shí)也必然出現(xiàn)發(fā)電機(jī)需要從系統(tǒng)側(cè)吸收無功。阻抗原理失磁保護(hù)方法主判據(jù)和逆無功原理失磁保護(hù)方法主判據(jù)從本質(zhì)上一致。

2.1 阻抗原理失磁保護(hù)方案

圖4 阻抗原理失磁保護(hù)動(dòng)作區(qū)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the action area of loss-ofexcitation protection based on impedance circle

阻抗原理失磁保護(hù)中阻抗圓整定范圍可以采用異步阻抗圓或者靜穩(wěn)極限邊界圓，如圖4中圓 1和圓 2。發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁后，若未能及時(shí)排除故障，發(fā)電機(jī)最終進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，即異步運(yùn)行狀態(tài)為發(fā)電機(jī)失磁的最終狀態(tài)。如果以異步阻抗圓為失磁保護(hù)阻抗圓邊界，容易造成保護(hù)的快速性不夠。在工程應(yīng)用中，通常使用靜穩(wěn)邊界作為阻抗原理失磁保護(hù)阻抗圓邊界。對(duì)于部分允許進(jìn)相運(yùn)行的機(jī)組，還需對(duì)靜穩(wěn)邊界圓進(jìn)行裁剪：阻抗平面a角的正切線裁剪或逆向無功切線裁剪。以a角的正切線裁剪方法為例，圖4 中的 ODBE(陰影部分)為失磁保護(hù)的阻抗邊界。

由于機(jī)端阻抗進(jìn)入阻抗圓內(nèi)只是失磁故障時(shí)的必要條件，而非充分條件。為了避免阻抗原理失磁保護(hù)誤動(dòng)，一般加設(shè)轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)作為輔助判據(jù)[3]。當(dāng)主判據(jù)和輔助判據(jù)均滿足動(dòng)作要求時(shí)，即可認(rèn)定機(jī)組發(fā)生失磁故障。當(dāng)只有主判據(jù)滿足要求時(shí)，通過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)元件躲過非失磁故障。

圖5為阻抗原理失磁保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖。廠用電、勵(lì)磁系統(tǒng)取自發(fā)電機(jī)機(jī)端的機(jī)組，失磁故障且機(jī)端電壓低于定值時(shí)需要切換廠用電和勵(lì)磁系統(tǒng)。對(duì)于聯(lián)網(wǎng)機(jī)組，發(fā)生失磁故障且系統(tǒng)電壓過低時(shí)需及時(shí)將機(jī)組從系統(tǒng)中切除，避免造成系統(tǒng)崩潰。

汽輪發(fā)電機(jī)在失磁狀態(tài)下一般被允許運(yùn)行一段時(shí)間，在異步運(yùn)行過程中，若功率大于額定功率，需要發(fā)出減出力命令，減少原動(dòng)機(jī)功率輸出。

圖5 阻抗原理失磁保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖Fig. 5 Logic diagram of generator loss-of-excitation protection based on impedance circle

2.2逆無功原理失磁保護(hù)方案

如圖6所示，逆無功原理失磁保護(hù)判據(jù)由兩部分組成：聯(lián)網(wǎng)機(jī)組從系統(tǒng)吸收無功功率；機(jī)組定子電流過大。當(dāng)機(jī)組從系統(tǒng)吸收無功功率時(shí)，保護(hù)經(jīng)過短延時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，進(jìn)入失磁故障準(zhǔn)備階段。定子電流過大判據(jù)分為過負(fù)荷和過流兩段定值判斷，增加保護(hù)動(dòng)作出口選擇性。當(dāng)定子電流過負(fù)荷且有功輸出較大時(shí)，保護(hù)發(fā)出減有功命令。為了避免發(fā)電機(jī)失步時(shí)定子電流發(fā)生波動(dòng)，造成減有功命令返回，保護(hù)邏輯中增加自保持環(huán)節(jié)，使得減有功命令得到持續(xù)執(zhí)行。

圖6 逆無功原理失磁保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖Fig. 6 Logic diagram of generator loss-of-excitation protection based on inverse reactive power

當(dāng)發(fā)電機(jī)同時(shí)發(fā)生逆向無功、定子電流過流故障時(shí)，判定發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障。為了避免系統(tǒng)側(cè)故障造成保護(hù)誤動(dòng)，通過系統(tǒng)側(cè)負(fù)序電壓閉鎖保護(hù)，且負(fù)序電壓消失后繼續(xù)閉鎖時(shí)間，躲避系統(tǒng)震蕩。

3 失磁保護(hù)定值整定分析

3.1 失磁保護(hù)原理對(duì)比

通過對(duì)兩種失磁保護(hù)原理的分析可知，失磁故障時(shí)發(fā)生機(jī)端低電壓、系統(tǒng)低電壓，阻抗原理失磁保護(hù)與逆無功原理失磁保護(hù)的出口策略一致。兩者的區(qū)別體現(xiàn)在判斷失磁故障的主判據(jù)不同。阻抗原理失磁保護(hù)主判據(jù)通過判斷機(jī)端測(cè)量阻抗是否落入阻抗邊界定值內(nèi)，逆無功原理失磁保護(hù)主判據(jù)判斷逆向無功大小是否大于定值。

阻抗原理的失磁保護(hù)阻抗圓的動(dòng)作方程為

異步阻抗圓與靜穩(wěn)邊界阻抗圓的邊界不同體現(xiàn)在動(dòng)作方程的半徑和圓心不同。

針對(duì)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)，文獻(xiàn)[5, 10]中給出了阻抗原理失磁保護(hù)阻抗圓整定導(dǎo)則：

(1) 異步邊界阻抗圓

(2) 靜穩(wěn)極限邊界阻抗圓

由文獻(xiàn)[11]可知：

將式(8)代入式(5)中，可得：

逆無功原理失磁保護(hù)是經(jīng)過多年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)出的一個(gè)保護(hù)原理，在以往的定值整定過程中，更多的是依靠工程經(jīng)驗(yàn)值整定。通過圖7和表1，可以將失磁保護(hù)時(shí)的逆向無功數(shù)值量化，便于定值整定的準(zhǔn)確性。

圖7 阻抗圓映射至 P-Q 平面示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the mapping the action area from impedance plane to P-Q plane

表1 動(dòng)作區(qū)域由阻抗平面映射至 P-Q 平面位置對(duì)照Table 1 Reference of action area between impedance plane and P-Q plane

3.2失磁保護(hù)定值整定實(shí)例

逆無功原理失磁保護(hù)，在實(shí)際工程應(yīng)用中因?yàn)槎ㄖ嫡ɡщy，造成工程應(yīng)用困難。通過將阻抗原理失磁保護(hù)動(dòng)作區(qū)域映射至 P-Q 平面，即可算出機(jī)組在靜穩(wěn)極限和異步運(yùn)行時(shí)逆無功定值。

表2 1 000 MW 發(fā)電機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of a 1 000 MW generator

(1) 阻抗原理失磁保護(hù)定值整定發(fā)電機(jī)額定二次基準(zhǔn)阻抗：

靜穩(wěn)極限邊界阻抗圓動(dòng)作邊界：

(2) 逆無功原理失磁保護(hù)定值整定

將靜穩(wěn)極限邊界式(11)以發(fā)電機(jī)額定值為基值，轉(zhuǎn)換為標(biāo)幺值下靜穩(wěn)極限邊界方程：

取 10%的靜穩(wěn)儲(chǔ)備系數(shù)[13]，可得靜穩(wěn)極限圓動(dòng)作邊界：

4 結(jié)語

本文對(duì)比了兩種失磁保護(hù)原理，通過將阻抗原理平面阻抗圓動(dòng)作邊界映射至P-Q平面，使得失磁故障時(shí)逆向無功的產(chǎn)生過程更加直觀。對(duì)于使用無刷勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)，由于無法直接采集轉(zhuǎn)子電壓，造成保護(hù)容易誤動(dòng)。如果使用逆無功原理，則可以避免使用轉(zhuǎn)子電壓，并且不用將轉(zhuǎn)子電壓引至保護(hù)屏柜。由于逆無功原理失磁保護(hù)在逆無功定值整定上沒有導(dǎo)則可供參考，一般依靠工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定值整定，造成工程應(yīng)用困難。通過本文的阻抗映射至功率方法，獲取數(shù)學(xué)模型，具有定值整定可靠特點(diǎn)。本文的定值整定方法為今后無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)配置或者雙重化雙原理失磁保護(hù)配置提供了參考。

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(編輯 魏小麗)

Discussion on setting calculation of large steam turbine generator loss-of-excitation protection

XU Yerong1,2, BAO Minglei1,2, LI Yuping1,2, SANG Jianbin1,2, LI Ming1,2
(1. Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd., Nanjing 211100, China; 2. Guodian Nanjing Automation Co., Ltd., Nanjing 211100, China)

This paper compares the two criterions of generator loss-of-excitation protection based on impedance principle and inverse reactive power principle, by analyzing the variation of the steam turbine generator’s power output and generator-end impedance. The main criterions of the two protection principles are demonstrated the same principle and trip mode. The main action area of loss-of-excitation protection based on impedance principle is mapped from impedance plane to P-Q plane, in order to get the power action area. The function can save the setting calculation of the latter one from engineering experience. Finally, taking a 1 000 MW steam turbine generator as an example, the setting calculation of the two kinds of protection principles are calculated, which provides a specific reference for the dual principle loss-of-excitation protection configuration.

steam turbine generator; loss-of-excitation protection; impedance principle; inverse reactive power principle; setting calculation

10.7667/PSPC201626

：2016-05-28

徐業(yè)榮( 1986-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；E-mail: xu.yerong@foxmail.com

包明磊(1977-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；

李玉平(1978-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。