解兵，徐珂，周前，劉建坤，趙靜波

（國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，南京211102）

0 引 言

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，由于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)構成較為復雜，機組失磁故障成為同步發(fā)電機較常見的故障形式。失磁后，發(fā)電機將過渡到異步運行，將會破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并威脅發(fā)電機本身的安全。此外，在機組進相試驗中，需考驗機組最大吸收無功的能力，極可能引起失磁保護誤動作造成機組跳機。因此，失磁保護定值的整定尤為重要，一旦整定有誤，將引起保護誤動或拒動，不利于機組運行安全［1－4］。

介紹了一起機組進相試驗時失磁保護發(fā)生動作的情況，從失磁保護整定計算過程、機組進相試驗工況的確定及校核情況、試驗過程中低勵限制參數(shù)設置等方面詳細分析本次失磁保護動作原因，并提出防范類似事故發(fā)生的技術措施。

1 失磁保護動作經過

某廠N號機組勵磁調節(jié)器為國外某公司生產的UNITROL 5000型數(shù)字調節(jié)器，發(fā)變組保護是國外某公司生產的REG216型微機型保護。該機組完成擴容改造后，額定功率由600 MW提升至650 MW，按照進相試驗導則要求，需重新開展進相運行試驗。某日下午，開展進相試驗時，順利完成100%PN和75%PN有功工況試驗后，開展50%PN有功工況試驗，無功進相至－237 Mvar時，該機組發(fā)變組失磁保護動作，引起機組跳機。

2 失磁保護動作原因分析

2.1 失磁保護整定情況

通常發(fā)變組失磁保護判據(jù)有靜穩(wěn)邊界阻抗圓和異步邊界阻抗圓［5－6］，國外某公司的REG126發(fā)變組失磁保護判據(jù)為異步邊界阻抗圓。根據(jù)國外某公司保護整定說明書，首先根據(jù)式（1）、式（2）計算異步邊界阻抗圓上兩個阻抗值。然后根據(jù)式（3）、式（4）計算保護裝置的整定值。

式中UN、IN分別為電壓互感器相電壓額定值和電流互感器額定值。

該廠機組基本參數(shù)如表1所示。

表1 機組基本參數(shù)Tab.1 Basic unit parameter

根據(jù)式（1）～式（4），可計算機組的失磁保護整定值：XA＝－30.86Ω；XB＝－1.89Ω；XA-Setting＝－2.67 p.u.；XB-Setting＝－0.16 p.u.。

機組跳機后，從失磁保護裝置調取了該公司失磁保護定值設置圖，如圖1所示。從圖1可見，國外某公司失磁保護定值和說明書完全一致。

圖1 機組失磁保護定值Fig.1 Parameters of the loss of excitation protection

2.2 試驗前失磁保護校核情況

根據(jù)試驗流程，在進相試驗前，需要針對進相試驗方案工況進行失磁保護校核工作，校核時，將所有試驗工況映射到同一坐標平面［7－8］，確保在試驗方案工況內，失磁保護不發(fā)生動作。

制定試驗方案時，參考發(fā)電機功角計算數(shù)據(jù)和同類型機組試驗時功角實測數(shù)據(jù)，再依據(jù)發(fā)電機P-Q圖，確定最終的試驗工況。發(fā)電機 P-Q圖如圖2所示。

圖2 發(fā)電機P-Q圖Fig.2 Generator P-Q diagram

最終確定的試驗工況如表2所示，并將進相最深時試驗工況點在圖2中標出?？梢姳?中試驗工況在圖2加粗線以上，滿足機組靜穩(wěn)限制。

進行失磁保護校核時，首先根據(jù)式（5）計算出表2中不同運行工況下阻抗值，之后在R-X平面把不同運行工況的阻抗值與失磁保護異步邊界阻抗圓同時標出。若阻抗值進入異步阻抗圓內，則該運行工況將引起失磁保護動作，需要修改試驗工況。

表2 計劃進相試驗工況Tab.2 Planned leading phase test condition

由于國外某公司失磁保護阻抗圓是標幺值形式，所有數(shù)值需轉化成標幺值。根據(jù)該公司保護整定書說明，ZN的計算公式如式（6）所示。

假設機端電壓U不變，保持額定。根據(jù)工況1數(shù)據(jù)，可計算出 R＝0.59Ω，X＝0.122Ω，再根據(jù)式（6）可算出ZN＝0.462Ω，最后算出R′＝1.278 p.u.，X′＝0.263 p.u.。同樣算出剩下11個試驗工況，并投影至R-X平面，如圖3所示。從圖3可看出，當無功大于0時，機組運行在第一象限，隨著機組降低無功，機組逐漸運行至第四象限。所有試驗工況均在阻抗圓外，在表2試驗工況下，失磁保護不會動作。

圖3 機端電壓為額定時校核情況Fig.3 Check results when stator voltage is rated

由于實際機組進相運行時，機端電壓不可能維持額定，隨著機組進相，機端電壓將不斷降低。通過計算，隨著機端電壓降低，各工況的阻抗值將向阻抗圓逼近。由于進相試驗對機端電壓的限制條件為額定電壓的90%，即如果機端電壓降至額定的90%，即使未進相至計劃工況，也需停止試驗，并以此工況作為機組進相能力。因此，為確保進相試驗中失磁保護不動作，在進行校核時，假設0.98功率因數(shù)下機端電壓為額定，進相最深工況機端電壓降至額定的90%，中間工況的機端電壓根據(jù)無功進行插值計算。最后可算機端電壓變化下R、X值及各自標幺值。如表3所示。將表3計算結果投影到R-X阻抗平面，如圖4所示。

表3 試驗工況校核結果Tab.3 Check results of test conditions

圖4 機端電壓變化時校核情況Fig.4 Check results when stator voltage is changed

從圖4看出，隨著機端電壓下降，所有運行工況點的阻抗投影到R-X平面，均逐漸往阻抗圓方向逼近，但包括三個進相最深點，所有工況仍然在阻抗圓外，可見表2試驗工況下失磁保護不會動作。

2.3 低勵限制情況

文獻［9-11］均要求低勵限制應先于勵磁自動切換和失磁保護動作，或低勵限制和失磁保護配合合理。

該機組的勵磁調節(jié)器為國外某公司UNITROL 5000型勵磁調節(jié)器，低勵限制定值由五組有功和無功組成［12］，所有定值采用百分比形式，以視在功率為基準。試驗前，低勵限制定值根據(jù)表2中第3、7、12工況整定。

由于試驗工況有功與定值不一致，需要通過插值計算出定值。假設表2中三個工況的有功和無功分別為（P3，Q3）、（P7，Q7）和（P12，Q12），低勵限制在視在功率的0、25%、50%、75%和100%時的定值分別為 Q0、Q25%、Q50%、Q75%、Q100%。首先根據(jù)試驗工況3和工況7的連接線計算Q75%和Q100%，即：

同樣根據(jù)工況7和工況12的連線計算Q25%和Q50%，如式（6）、式（7）所示。0時的定值設置成跟25%SN時定值一致，即：Q0＝Q25%。

根據(jù)表2試驗工況整定的低勵限制定值如表4所示。試驗時，開展有功488 MW試驗時，當無功進行至－160 Mvar，低勵限制動作?？紤]到國外某公司勵磁調節(jié)器低勵限制整定值和動作值存在一定的偏差，為確保進相試驗不受低勵限制影響，根據(jù)該公司勵磁調節(jié)器動作特性，將低勵限制動作值整定成與表2中3、7、12工況一致。整定后，低勵限制定值見表4優(yōu)化后定值。

表4 低勵限制定值設置Tab.4 The parameters setting of low excitation limit

由于表2試驗工況通過了失磁保護校核，而低勵限制根據(jù)表2試驗工況進行整定，這樣確保了低勵限制與失磁保護的配合合理。

2.4 失磁保護動作原因分析

通過失磁保護定值復核、試驗工況校核以及低勵限制整定，試驗中失磁保護不應動作。試驗過程中，失磁保護動作時，有功P＝328 MW，Q＝－237 Mvar，U＝18.6 kV，未超出表2工況范圍。可見在失磁保護整定環(huán)節(jié)或試驗工況校核環(huán)節(jié)出現(xiàn)了不正確的地方。

汽輪發(fā)電機失磁保護異步邊界阻抗圓下端定值存在 －Xd與 －（1.1～1.25）Xd之爭［13］，文獻［14］認為：由于發(fā)電機失磁故障時有滑差（s），其平均異步阻抗 Xd（j s）≤Xd（s＝0），失磁保護中的阻抗元件下端定值為－Xd已有足夠余度。而異步邊界阻抗圓的上端定值?。璛′d/2已成為共識，不但允許一定量的無功進相運行，而且當兩側電勢相等、發(fā)生系統(tǒng)振蕩時，振蕩阻抗軌跡不進入失磁保護異步邊界阻抗圓。

目前按照REG216型微機保護說明書整定后，下端定值為－2.67 p.u.，等于 －Xd×1.236，上端定值為 －0.16 p.u.，等于 －X′d/2×1.236，可見當前整定的失磁保護定值存在一個固定偏差。在與國外某公司保護廠家人員溝通后，國外某公司保護廠家確定失磁保護定值整定中，式（3）和式（4）中的IN中少乘了一個系數(shù)r。因為機端電流為額定時，電流互感器的額定二次電流要小于5 A。系數(shù)r應該為發(fā)電機的額定電流時對應的電流互感器二次電流除以5 A，計算可得 r＝0.808。IN乘以系數(shù) r后，通過式（3）計算出下端定值為－2.16 p.u.，剛好等于－Xd，通過式（4）計算出上端定值為 －0.13 p.u.，剛好等于 －X′d/2，符合失磁保護通常整定方法。

同樣在式（6）中計算ZN時，IN也需要乘上這個系數(shù)r。隨著IN發(fā)生改變，阻抗標幺值計算發(fā)生改變，需要重新進行失磁保護校核。通過圖3、圖4可看出，每一個有功，無功從正降至負的過程中，投影到R-X平面的阻抗點逐漸往阻抗圓方向逼近，因此失磁保護校核只要表2中工況3、7、12滿足要求，所有工況均能滿足要求。失磁保護校核時，分別計算U＝UN和U＝90%UN下工況3、7、12的阻抗值，并投影到R-X平面，如圖5所示。

圖5 R-X平面上進相工況點及失磁動作點Fig.5 Leading phase test conditions points and the loss of excitation protection action point in the R-X reference frame

圖5中，較小的圓是乘上系數(shù)r后正確失磁保護定值對應的異步阻抗圓，較大的圓是當前失磁保護定值對應的異步阻抗圓。從圖5可見，如果失磁保護整定正確，即使機端電壓降至90%額定電壓，所有工況離異步阻抗圓均有一段距離。根據(jù)當前的失磁保護定值，機端電壓為額定時，所有工況點離異步阻抗圓有一定距離，但機端電壓降至90%額定電壓時，工況12剛好在阻抗圓上。

另外，根據(jù)失磁保護動作時P、Q和U，計算出失磁保護動作時的阻抗標幺值。R＝1.211 p.u.，X＝－0.875 p.u.，投影到圖5的R-X平面?？煽闯?，失磁保護動作點在圓外，計算出該點到圓心 O（0，－j1.415）p.u.的距離為1.326 p.u.，是異步阻抗圓半徑的1.057倍?？梢姡撌Т疟Ｗo動作有5%左右的誤差，失磁保護校核中，需留足夠的裕度。在實際操作中，由于不能確定最終機端電壓水平，工程上可以機端電壓為90%UN進行失磁保護校核，并留有5%的裕度。

綜上分析，本次進相試驗中失磁保護動作原因主要有以下幾點：

（1）由于國外某公司的REG126發(fā)變組保護說明書關于失磁保護的整定方法有誤，導致實際采用的異步邊界阻抗圓比正確的異步邊界阻抗圓大，容易引起失磁保護誤動；

（2）進行機組進相工況失磁保護校核時，采用說明書中錯誤的標幺值計算方法，導致IN偏大，ZN偏小，從而得出錯誤的結論；

（3）REG126失磁保護裝置存在一定的偏差，使得實際工況對應的阻抗點離圓心距離達到半徑的1.057倍，仍然發(fā)生失磁保護動作。

3 結束語

針對機組進相試驗中發(fā)生的失磁保護動作事件展開分析，從失磁保護整定情況、進相試驗工況確定及校核情況、低勵限制整定情況以及一般失磁保護整定原則等逐步展開分析，得出本次失磁保護動作原因為：保護說明書中整定方法有誤、校核過程中標幺值計算方法有誤以及失磁保護裝置本身有誤差。文中開展的失磁保護整定方法、進相試驗工況確定方法、低勵限制整定方法、進相工況失磁保護校核方法對工程上應用有一定的借鑒意義。為避免出現(xiàn)類似問題，給出建議如下：

（1）所有采用國外某公司生產的REG126型保護裝置的電廠，應開展失磁保護定值核查，確保失磁保護定值整定正確；

（2）針對進相試驗工況進行失磁保護校核時，機端電壓可設為額定電壓的90%，并留有5%的裕度；

（3）進相試驗時的低勵限制整定可參照校核過的進相試驗工況確定，使得低勵限制動作值與試驗工況接近，確保與失磁保護配合合理；

（4）對于不熟悉、不確定的失磁保護裝置，可在進相試驗中將失磁保護投信號，并做好機組失磁預案，試驗期間由專人監(jiān)視勵磁等機組參數(shù)，一旦發(fā)生失磁事故，立刻拍停機組，確保設備安全。