鄒東霞，余 銳，聶娟紅，蘇 毅

(北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

300 Mvar大型同步調(diào)相機的啟動及繼電保護

鄒東霞，余 銳，聶娟紅，蘇 毅

(北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

隨著直流輸電、新能源、大電網(wǎng)、特高壓等技術的發(fā)展，同步調(diào)相機重新得到關注，300 Mvar大型同步調(diào)相機即將使用。綜述了我國調(diào)相機的以往應用狀況及大型同步調(diào)相機的需求背景，介紹大型調(diào)相機的靜止變頻 SFC啟動方式。重點分析幾種特殊的調(diào)相機保護功能及原理。首次提出了 300 Mvar調(diào)相機的繼電保護功能配置方案、原理及實現(xiàn)等。

同步調(diào)相機；SFC 啟動；調(diào)相機繼電保護

0 引言

目前國內(nèi)同步調(diào)相機最大單機容量為160 Mvar，尚未使用過 300 Mvar調(diào)相機，本文調(diào)相機繼電保護配置方案及原理等為首次提出(2016 年3 月)，屬拋磚引玉。實際上，國內(nèi)運行中的大型調(diào)相機很少，上世紀投運的 100 Mvar以上級調(diào)相機后來也部分拆除。GB/T 14285《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》的 1993 版尚有同步調(diào)相機保護要求，而 2006 版已無調(diào)相機保護內(nèi)容。

1 無功補償與調(diào)相機

1.1 無功補償與我國同步調(diào)相機的應用狀況

電力系統(tǒng)的無功源，主要有同步調(diào)相機、并聯(lián)電容器、電抗器、靜止補償器等多種；發(fā)電機既是有功源，又是最基本的無功源。調(diào)相機在我國電網(wǎng)中的應用有過一番變遷。作為專用的無功功率源，調(diào)相機與其他幾種無功源相比，其輸出的無功功率可連續(xù)控制、靈活調(diào)節(jié)無功數(shù)值，精度高，無差調(diào)節(jié)，易于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。當出現(xiàn)短路故障、電壓降低時，換流站里其他電容型補償設備的出力也下降，容量與電壓平方成正比，而調(diào)相機無此問題。但是，調(diào)相機的各種成本相對較高，加之負荷側的就地無功補償、系統(tǒng)的同步電動機等逐漸廣泛應用，調(diào)相機受到制約，所占系統(tǒng)補償容量之比日益下降。曾有上世紀八九十年代投入使用的 100 Mvar 以上級別的同步調(diào)相機，但后來已部分棄用。

現(xiàn)在大容量的電力同步調(diào)相機又引起重視，300 Mvar調(diào)相機工作已啟動，投入使用應是指日可待。

1.2 300 Mvar大型同步調(diào)相機的需求背景

同步調(diào)相機是專用無功功率源，對于大電網(wǎng)系統(tǒng)中受電端、送電端的無功不足都可動態(tài)補償，可加強系統(tǒng)的無功儲備，維持電壓和系統(tǒng)穩(wěn)定。其調(diào)節(jié)范圍可滯后/可超前(滯相/進相)，能發(fā)出或吸收感性無功；是旋轉設備，可向系統(tǒng)提供轉動慣量……當成本不再是最首要因素時，大型同步調(diào)相機即將在特高壓、直流系統(tǒng)、大電網(wǎng)系統(tǒng)中獲得應用，國家電網(wǎng)公司規(guī)劃“十三五”期間投運一批大型調(diào)相機組。

我國可生產(chǎn)的調(diào)相機最大單機容量約100 Mvar(凸極式)、300 Mvar(隱極式)。國網(wǎng)計劃建設的為 300 Mvar調(diào)相機組，其進相無功調(diào)節(jié)深度優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)相機。

2 300 Mvar大型同步調(diào)相機的啟動

2.1 啟動方式—SFC

調(diào)相機的啟動只能借助外部方式，不能直接自啟動，目前所用啟動方式有異步啟動、低頻啟動、同軸勵磁啟動、同軸電動機啟動等，都只適用于容量較小的調(diào)相機(目前最大為 160 Mvar)。

對于 300 Mvar大型調(diào)相機，優(yōu)先采用靜止變頻SFC 啟動方式(Static Frequency Converter)，利用晶閘管變頻器產(chǎn)生頻率可變的交流電源對調(diào)相機進行啟動，并在其并網(wǎng)后退出運行。此方式在多機啟動時可互為備用，多機共享，也降低成本。SFC 啟動的調(diào)速范圍廣，頻率控制精度高，并網(wǎng)沖擊小，具有軟啟動性能。另外，靜止設備 SFC 也具有操作簡便、運行成本低、日常維護方便等優(yōu)點。

圖1 調(diào)相機的 SFC 靜止變頻啟動示意圖Fig. 1 Static frequency converter (SFC) of synchronous condenser

如圖1所示，調(diào)相機啟動時，先由勵磁建立轉子磁場。啟動電源從外部電網(wǎng)引接(如引自 10 kV 廠用電)，經(jīng)由專用的隔離變壓器后通過 SFC 變頻啟動設備進行整流和變頻，再經(jīng)隔離開關輸出給調(diào)相機定子，拖動整個機組升速至同步速以上(105%額定轉速)。再斷開變頻器開關，轉子進入惰轉模式。在轉速降到額定值 3 000 rpm 前，增加勵磁使調(diào)相機電壓升到額定值，調(diào)相機滿足同期條件后與系統(tǒng)并網(wǎng)，完成啟動。

2.2 調(diào)相機啟動過程對繼電保護的影響

調(diào)相機啟動是由外部 SFC 裝置來輸送電力將電機拖動的，在啟動過程中，輸入到繼電保護裝置的電流、電壓模擬量，為明顯的低頻特性、而且其頻率處于變化中，從 0～50 Hz 范圍都有。相應地在調(diào)相機保護配置及實現(xiàn)方法里，需充分考慮低頻特性、且能滿足此特殊工況下對調(diào)相機的保護。

保護需配置一些特殊功能應對低頻工況，如調(diào)相機的低頻過流保護、啟停機差動保護、啟停機定子接地保護等，相關的保護算法應與信號的頻率無關，采用低頻傳變特性良好的傳感器，能夠正確計算低頻狀態(tài)下的電流電壓模擬量。

另外，有的保護功能在調(diào)相機啟動過程中可能誤動，應在啟動過程中閉鎖，待調(diào)相機并網(wǎng)后再自動投入這些保護功能，詳見后文。

3 300 Mvar同步調(diào)相機的繼電保護

3.1 幾種特殊的調(diào)相機保護功能

現(xiàn) GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》(以下簡稱“規(guī)程”)里沒有專門的調(diào)相機保護內(nèi)容。1993 老版規(guī)程對調(diào)相機保護的部分要求：“可參照同容量、同類型的發(fā)電機保護的規(guī)定裝設保護……”。但是有幾種特殊的調(diào)相機保護功能，與發(fā)電機保護是不同的，分析如下：

3.1.1 縱聯(lián)差動保護

這是反映調(diào)相機內(nèi)部定子繞組相間短路的主保護，可采用比率制動特性，原理與發(fā)電機縱差保護基本相似，但需考慮在調(diào)相機啟動過程中是否退出(閉鎖)差動的問題。

調(diào)相機縱差保護與其啟動方式、機端是否設置斷路器等都有關。SFC 啟動的大型調(diào)相機之前未曾有過，這里以 SFC 啟動的燃氣輪發(fā)電機為例分析。

發(fā)電機機端有可能帶出口開關GCB，也有可能不帶，帶和不帶的情況都有，各有利弊。已有大型機組帶 GCB 的多個應用，其中不乏 1 000 MW 汽輪機組、480 MW 燃機級別的。對于帶機端 GCB、由SFC 啟動的燃氣輪機組，差動保護有兩種情況：

(1) 若發(fā)電機差動保護 87G 的機端電流取自GCB 上口 CT(即圖2 的 A 點，靠近系統(tǒng)側)。

在機端出口開關 GCB 未合、SFC 正常啟動過程中，該機端 CT 沒有電流流過，而中性點 CT 有電流，從而保護能感受到差流。此時發(fā)電機縱差保護應閉鎖以防誤動，而由低頻過流保護反應發(fā)電機短路故障。待 SFC 啟動結束、GCB 合上、機組并網(wǎng)后再自動投入差動保護。

圖2 縱聯(lián)差動保護 87 G 示意圖Fig. 2 Generator differential protection (87 G) with SFC connection

(2) 若差動保護的機端電流若取自 GCB 下口CT(即圖2 的 B 點，靠發(fā)電機側)。

SFC 接入點在發(fā)電機差動保護 87G 范圍以外，在 SFC 啟動過程中差動保護不會誤動，可以投入 87G。

以上對燃機縱差保護的分析，對調(diào)相機仍適用，國外有大型調(diào)相機帶 GCB 的應用。若機端有GCB，要對上述兩種情況不同處理：前者需在啟動過程中閉鎖縱差保護，后者不需。若機端無斷路器，同上類似，如果 SFC 注入點的位置在差動保護 87G范圍內(nèi)，則啟動過程中需閉鎖差動以防誤動；否則啟動時可投入 87G。保護應可設置啟動時是否閉鎖，如通過控制字方式。

另外，縱差保護里還進行電流互感器 CT異常及飽和等判別，可選擇 CT異常時是否閉鎖差動，當差動電流過大時自動解除閉鎖。

3.1.2 逆功率保護、頻率異常保護

這兩種保護在大型發(fā)電機組中較常見，但主要目的都是用于保護汽輪機的。

發(fā)電機逆功率時，發(fā)電機從系統(tǒng)吸收有功功率，轉為電動機運行，這對發(fā)電機本身基本沒有危害，但是汽輪機葉片卻可能由于過熱等而損壞。在發(fā)電機頻率異常時，汽輪機葉片及其拉金可能因疲勞損傷累積而斷裂；限制汽輪機組低頻運行的主要因素是汽輪機而不是發(fā)電機。

這類用于保護汽輪機的功能模塊，由于是反應發(fā)電機電氣參數(shù)的變化，所以集成在發(fā)電機保護裝置里，這樣更易于實現(xiàn)。但是，同步調(diào)相機則與發(fā)電機不同，發(fā)電機必須有原動機(如汽輪機)拖動，而調(diào)相機則沒有原動機，所以不需配置這些保護。

3.1.3 低電壓解列保護

規(guī)程 1993 老版里要求裝設調(diào)相機的解列保護，并就其實現(xiàn)方式給出“可選用下列方式：a. 低頻閉鎖的功率方向保護；b. 反應頻率變化率的保護”。

本文認為解列保護對調(diào)相機是必要的，以防當調(diào)相機供電電源因故斷開后，在變電所裝設的低頻減載裝置可能因調(diào)相機的反饋而誤動作，或電源側的自動重合閘動作，將造成非同步合閘。但是就其實現(xiàn)方式，可考慮更簡單可靠的低電壓元件，動作于解列。當調(diào)相機供電電源斷開后，通過低電壓保護動作以實現(xiàn)對調(diào)相機的解列。

保護在自動低頻減載和自動重合閘動作前將調(diào)相機斷開。

3.1.4 失磁保護和失步保護

調(diào)相機的同步電磁功率，含基本分量、附加分量兩部分，基本電磁功率與勵磁電流有關，而附加分量是與勵磁無關的磁阻功率，在勵磁消失后(即失磁)仍存在。隱極調(diào)相機雖理論上直交軸電抗相同，但實際上有工藝、制造離散性等導致的微小偏差，且轉子有大、小齒的差別(如圖3)，所以存在著另一方面，因調(diào)相機不發(fā)有功、不帶負載、也無原動機等，各種損耗及其產(chǎn)生的制動轉矩都很小，上述附加分量對應的電磁轉矩足以克服制動轉矩，驅(qū)動調(diào)相機保持同步運轉；而且剩磁建立的同步轉矩也增加了同步運行的穩(wěn)定性。所以，調(diào)相機具備無勵磁同步運行的能力，這也為實踐所證實

圖3 隱極機轉子示意圖[8]Fig. 3 Schematic diagram of the non-salient rotor pole

調(diào)相機的無勵磁運行本質(zhì)為欠勵的極限，從系統(tǒng)吸收無功的能力達到最大。失磁前調(diào)相機向系統(tǒng)發(fā)出額定無功，完全失磁后自系統(tǒng)吸收最大無功導致電網(wǎng)出現(xiàn)的無功缺額，可能引起系統(tǒng)電壓下降。失磁保護在反應勵磁系統(tǒng)的故障的同時，也消除對系統(tǒng)無功、電壓的影響。

調(diào)相機失磁后沒有靜態(tài)穩(wěn)定和失步問題。發(fā)電機失磁保護里的定子阻抗判據(jù)，無論是靜穩(wěn)阻抗圓還是異步圓，在調(diào)相機失磁保護里可不必設置。

調(diào)相機的失磁保護，電氣量判據(jù)可以由無功方向元件、低電壓元件組成。保護還應配置閉鎖元件，以防在振蕩、短路或電壓回路斷線等異常情況下的誤動。

由于調(diào)相機在失磁后仍可維持同步運行，不會導致失步，因此調(diào)相機保護里可不必配置失步保護功能。

3.1.5 GCB 失靈啟動(若有 GCB)

若調(diào)相機有機端出口斷路器 GCB(見前面 3.1.1節(jié))，此功能作為 GCB 失靈時的啟動元件。在并網(wǎng)前需將此該功能退出，并網(wǎng)后再投入。

此功能通過常規(guī)的機端相電流、負序電流元件相“或”，并結合保護動作觸點開入等實現(xiàn)。

3.1.6 方向過流保護

反應調(diào)相機內(nèi)部短路的后備保護，可采用方向過流保護。為提高靈敏度，可用復壓啟動的過流及負序過流保護。為保證外部故障時保護的可靠性，可采用 °90 接線的方向元件。

調(diào)相機的過流保護，還需考慮以下方面：

(1) 只作為調(diào)相機內(nèi)部故障的后備保護，不需要做外部故障的后備，1993 老版規(guī)程里，調(diào)相機過流保護“可不反應外部短路”。這與發(fā)電機保護有所不同，發(fā)電機過流保護通常也兼做外部故障的后備，為“對發(fā)電機外部相間短路故障和作為發(fā)電機主保護的后備”。

(2) 調(diào)相機保護在只反映內(nèi)部故障時，可不必具備電流“記憶(保持)”功能。這與發(fā)電機保護“宜采用帶電流記憶(保持)……”不同，帶記憶是以防自并勵發(fā)電機在外部靠近機端故障時，因機端電壓下降導致短路電流衰減、從而后備保護可能拒動。

3.1.7 低頻過流保護

此功能用于反應調(diào)相機在低頻啟動過程中的短路故障，判別電流異常增大。在 SFC 啟動過程中投入，這時未并網(wǎng)、頻率還未穩(wěn)定到工頻、機端GCB(若有)也未合閘，保護受主斷路器位置狀態(tài)與低頻元件控制。調(diào)相機并網(wǎng)后處于正常工頻狀態(tài)時，該保護自動退出。

保護反應低頻下的電氣量，所以實現(xiàn)時需采用與頻率無關的算法。

3.1.8 啟停機保護

用于反應調(diào)相機在啟動和停機過程中的主要故障，如相間短路和定子接地故障，可配置啟停機差動保護和基波零壓定子接地保護各一套。此為低頻工況的保護，受主斷路器位置狀態(tài)與低頻元件控制，在正常工頻運行時自動退出。保護所采用的算法與信號的頻率完全無關。

若調(diào)相機縱差保護需要在啟動時退出(見 3.1.1節(jié))，則也應同時退出啟停機差動保護部分，這兩者的CT配置是一致的。

3.2 保護配置方案及說明

300 Mvar大型同步調(diào)相機的保護配置，參照同容量、同類型的發(fā)電機保護，并根據(jù)調(diào)相機的特點設計保護(見 3.1 節(jié))，主要保護配置及說明如下。

1) 縱聯(lián)差動保護

見 3.1.1 節(jié)。

2) 定子繞組匝間短路保護

如果調(diào)相機定子繞組有并聯(lián)分支、且引出到機外的引線上能安裝橫聯(lián)差動 CT時，可首選單元件橫差保護反應匝間短路，此方案簡單可靠，靈敏度高。因取自發(fā)電機雙Y接線兩中性點連線上的電流，從而可反映內(nèi)部匝間、相間短路和分支開焊故障。

如果調(diào)相機結構上無法裝設一次橫差 CT，可采用縱向零壓匝間保護，取自機端的專用縱向零壓互感器的開口。增設負序方向閉鎖元件，以防保護在外部故障等情況下誤動。

3) 定子繞組接地保護

300 Mvar大容量調(diào)相機上，需要裝設保護區(qū)為100%的定子接地保護，無死區(qū)。

4) 定子繞組過電壓保護

用于反應定子繞組的過電壓或絕緣狀況變化。5) 定子繞組過負荷保護

即調(diào)相機的對稱過負荷保護，反映定子繞組的發(fā)熱狀況，由定時限和反時限段組成，反時限特性反映定子電流變化時的熱積累，隨定子繞組所允許的過載能力確定。

當啟動時，如過負荷保護可能動作，應使它暫時退出運行(以下同)。

6) 轉子表層(負序)過負荷保護

不對稱過負荷保護，反應定子繞組的負序電流大小，保護轉子以防表面過熱，含定時限和反時限段。

7) 勵磁繞組過負荷保護

反映調(diào)相機勵磁系統(tǒng)故障或強勵時間過長，與勵磁繞組的過熱特性相匹配，可由定時限和反時限段組成。

8) 勵磁回路接地保護

調(diào)相機轉子一點接地保護，反應轉子對大軸絕緣電阻的下降。常見的有“乒乓式”變電橋原理，也可采用注入式原理，在未加勵磁時也能起保護作用。

9) 過激磁保護

10) 誤上電保護

即突然加電壓保護，應能區(qū)分調(diào)相機誤合閘(誤上電)和正常并網(wǎng)狀態(tài)。該保護在調(diào)相機解列后投入運行，并網(wǎng)后自動退出。

11) 低電壓解列保護

見第 3.1.3 節(jié)。

12) 失磁保護

反應調(diào)相機的勵磁異常下降或消失，見第3.1.4 節(jié)。

13) GCB 失靈啟動(若有 GCB)

見第 3.1.5 節(jié)。

14) 后備保護

采用方向過流保護，見第 3.1.6 節(jié)。

15) 低頻過流保護

見第 3.1.7 節(jié)。

16) 啟停機保護

見第 3.1.8 節(jié)。

17) 非電量保護

18) 其他故障和異常運行判別

如CT和PT異常判別等，與發(fā)電機保護的類似。

4 結束語

大型同步調(diào)相機可動態(tài)補償無功，加強系統(tǒng)的無功功率儲備。300 Mvar大型調(diào)相機即將在國內(nèi)電網(wǎng)應用，本文從其靜止變頻 SFC 啟動、繼電保護的配置方案及原理等方面加以論述，重點分析了幾種特殊的調(diào)相機保護功能。

由于國內(nèi)已多年沒投運大型調(diào)相機，300 Mvar同步調(diào)相機及其繼電保護、調(diào)相機的 SFC 啟動等方面都是新事物，文中一些觀點為首次提出(2016年 3 月)，為引玉之磚。

[1]GB/T 14285 繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程[S].

[2]李曄, 張保會, 薄志謙. 低頻低壓繼電器聯(lián)合減載方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(24): 48-54. LI Ye, ZHANG Baohui, BO Zhiqian. A combined deloading method based on the underfrequency and undervoltage relay[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(24): 48-54.

[3]張順, 葛智平, 郭濤, 等. 大規(guī)模新能源接入后系統(tǒng)調(diào)峰能力與常規(guī)電源開機方式關系研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2016, 44(1): 106-110. ZHANG Shun, GE Zhiping, GUO Tao, et al. Research on relationship between the capacity of systematic peak regulation and conventional power startup mode after access to large-scale new energy[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(1): 106-110.

[4]姜自強, 劉建勇. 南陽特高壓斷路器失靈保護的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(12): 117-122. JIANG Ziqiang, LIU Jianyong. Study on Nanyang substation of UHV circuit breaker failure protection[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(12): 117-122.

[5]王維儉, 侯炳蘊. 大型機組繼電保護理論基礎[M]. 2 版.北京: 中國電力出版社, 1989.

[6]吳大榕. 電機學(下冊)[M]. 北京: 水利電力出版社, 1979.

[7]周德貴. 發(fā)電機組作調(diào)相機運行的分析與實踐[J]. 四川電力技術, 2001, 24(3): 1-6.

[8]高中德. 電力系統(tǒng)基礎-電氣二次人員入門必讀[M].北京: 中國電力出版社, 2012.

(編輯 周金梅)

SFC start and relay protection of 300 Mvar large synchronous condenser

ZOU Dongxia, YU Rui, NIE Juanhong, SU Yi
(Beijing Sifang Automation Co., Ltd., Beijing 100085, China)

More attention is paid to synchronous condenser nowadays with developing of DC transmission, new energy resources, large HV power grid and EHV technology. 300 Mvar synchronous condenser (CS) will be put into service soon in China. This paper summarizes CS present applying status, as well as requirement background and SFC (static frequency converter) start mode of large CS. Some special relay protective functions for CS are analyzed in detail. Relay configuration scheme, principle and implement method of the 300 Mvar CS are put forward.

synchronous condenser; SFC (static frequency converter) start; relay protection of condenser

10.7667/PSPC201638

：2016-06-15

鄒東霞(1969-)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護；E-mail: zoudongxia@sf-auto.com

余 銳(1977-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護；E-mail: yurui@sf-auto.com

聶娟紅(1978-)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。E-mail: niejuanhong@sf-auto.com