李 楠，馮 偉，王秀霞

(1.華電電力科學(xué)研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179;2.國網(wǎng)公司東北分部調(diào)度中心，遼寧 沈陽 110180;3.國網(wǎng)新源水電豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132108)

1 隱極發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器限制功能的整定原則

發(fā)電機(jī)運(yùn)行容量圖表達(dá)了發(fā)電機(jī)在端電壓和冷卻介質(zhì)溫度為額定值條件下，其有功功率和無功功率的關(guān)系。圖1表明發(fā)電機(jī)在不同的功率因數(shù)運(yùn)行工況下，保證發(fā)電機(jī)長期安全運(yùn)行的范圍。

圖1 發(fā)電機(jī)運(yùn)行容量圖

1.1 發(fā)電機(jī)滯相運(yùn)行勵磁調(diào)節(jié)器主要限制功能

隱極發(fā)電機(jī)滯相運(yùn)行并保持冷卻介質(zhì)溫度不變時，為了保證發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組的溫升不超過允許值而造成過熱，其定子、轉(zhuǎn)子電流不得超過額定值。在發(fā)電機(jī)滯相區(qū)運(yùn)行時，勵磁調(diào)節(jié)器限制器其主要限制包括轉(zhuǎn)子電流限制、定子電流限制、原動機(jī)出力限制。

1.2 發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行勵磁調(diào)節(jié)器主要限制功能

有功功率恒定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入進(jìn)相運(yùn)行時，此時發(fā)電機(jī)處于低勵磁狀態(tài)，內(nèi)電勢降低，電磁轉(zhuǎn)矩減小，功角增大，發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)定裕度減小,易失去靜穩(wěn)定。同時，發(fā)電機(jī)定子端部漏磁也趨于嚴(yán)重，損耗增加。進(jìn)相運(yùn)行容量由定子鐵芯端部過熱、靜態(tài)穩(wěn)定極限或動態(tài)穩(wěn)定極限三者中的最小限制確定。在發(fā)電機(jī)進(jìn)相區(qū)運(yùn)行時，勵磁調(diào)節(jié)器限制器其主要限制曲線包括靜穩(wěn)容量限制曲線、欠勵限制曲線、最小勵磁電流限制曲線[1]。

2 勵磁調(diào)節(jié)器限制參數(shù)整定原則

根據(jù)勵磁系統(tǒng)相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要求勵磁調(diào)節(jié)器限制器應(yīng)在發(fā)變組保護(hù)動作前起到限制作用。勵磁調(diào)節(jié)器主要利用附加功能環(huán)節(jié)，將發(fā)電機(jī)的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)子電流等運(yùn)行參數(shù)控制在允許范圍內(nèi)，設(shè)定有過勵限制器、欠勵限制器、V/Hz限制器、定子電流限制器、最小電流限制器等[2]。

對于過勵限制、V/Hz限制、定子電流限制等應(yīng)分別與發(fā)變組勵磁回路過負(fù)荷保護(hù)、發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)、定子回路過負(fù)荷保護(hù)相配合，其參數(shù)值不應(yīng)大于相對應(yīng)的保護(hù)，防止由于保護(hù)先動作，導(dǎo)致機(jī)組的停機(jī)事故，限制器則起不到應(yīng)有的限制作用。但上述勵磁限制參數(shù)與發(fā)變組保護(hù)定值校核計(jì)算較為簡單，為相同單位下數(shù)值的比較。由于發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值采用RX坐標(biāo)系，欠勵限制參數(shù)采用PQ坐標(biāo)系，兩者不在一個坐標(biāo)系下核算較為復(fù)雜，因此本文主要針對發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與欠勵限制參數(shù)校核進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)分析。

2.1 欠勵限制的整定原則

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)是指為防止發(fā)電機(jī)的勵磁突然全部消失或部分消失，使發(fā)電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過熱而損壞的保護(hù)功能。失磁保護(hù)是根據(jù)發(fā)電機(jī)在不同的運(yùn)行狀態(tài)和不同的系統(tǒng)故障時，其機(jī)端的測量阻抗是不同的。因此失磁保護(hù)是利用發(fā)電機(jī)定子參數(shù)的變化，如機(jī)端測量阻抗由第一象限進(jìn)入第四象限和無功功率改變方向、機(jī)端電壓下降、功角δ增大、勵磁電壓降低等[3]。

欠勵限制器是勵磁調(diào)節(jié)器中一種電壓調(diào)節(jié)器的附加功能環(huán)節(jié)，在勵磁系統(tǒng)輸出電流減少時，防止發(fā)電機(jī)超越靜態(tài)穩(wěn)定極限或超越由定子端部鐵芯發(fā)熱所要求的發(fā)電及容量。欠勵限制動作曲線是按發(fā)電機(jī)不同有功功率靜穩(wěn)定極限及發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱條件確定的[4]。

因此當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行至進(jìn)相區(qū)內(nèi)時，應(yīng)保證發(fā)電機(jī)勵磁欠勵限制器應(yīng)在發(fā)變組失磁保護(hù)動作前起到限制作用。勵磁欠勵限制器定值參數(shù)可根據(jù)進(jìn)相運(yùn)行深度或靜穩(wěn)極限進(jìn)行整定。當(dāng)依據(jù)靜穩(wěn)極限值整定時，按靜穩(wěn)定極限值留10%左右儲備系數(shù)整定，但不能超過制造廠提供的P-Q運(yùn)行曲線[5]。本文不推薦按靜穩(wěn)極限值進(jìn)行整定欠勵限制器定值，因?yàn)槿绻穭钕拗破鞫ㄖ党^進(jìn)相試驗(yàn)深度進(jìn)行整定，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)相運(yùn)行時，如果發(fā)電機(jī)電壓及母線電壓過低，限制器不動作，起不到相應(yīng)的限制作用。

依據(jù)阻抗原理的失磁保護(hù)和勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制存在一定的匹配關(guān)系，只有兩者定值匹配正確，才能防止失磁保護(hù)誤動作。但是阻抗型失磁保護(hù)是在發(fā)電機(jī)機(jī)端的RX測量阻抗圓平面上計(jì)算的，而勵磁調(diào)節(jié)器的欠勵限制PQ整定曲線是根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定極限圓并結(jié)合系統(tǒng)無功儲備整定的，二者分別屬于不同的坐標(biāo)系，無法直觀地校核它們之間的配合關(guān)系，為此，必須將欠勵限制PQ整定曲線轉(zhuǎn)化為低勵限制阻抗圓。

2.2 RX坐標(biāo)系與PQ坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換

將發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作方程為RX坐標(biāo)平面映射至PQ平面，設(shè)失磁保護(hù)阻抗圓的圓心坐標(biāo)為(0，X0)，半徑為R0，發(fā)電機(jī)有功功率為P，發(fā)電機(jī)無功功率為Q，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為U，發(fā)電機(jī)定子電流為I，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)角為φ，失磁保護(hù)圓內(nèi)為動作區(qū)域，其方程為

(1)

(2)

(3)

分子分母同乘以I4，整理得：

(4)

(5)

(6)

將P=UIcosφ，Q=UIsinφ代入式(6)中,得：

(7)

(8)

2.3 發(fā)變組失磁保護(hù)定值坐標(biāo)平面轉(zhuǎn)換

根據(jù)DL/T684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》關(guān)于發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)整定要求，定子側(cè)阻抗判據(jù)可分為異步邊界阻抗圓和靜穩(wěn)極限阻抗圓，阻抗平面如圖2所示。異步邊界阻抗圓動作判據(jù)主要用于與系統(tǒng)聯(lián)系緊密的發(fā)電機(jī)失磁故障檢測，它能反映失磁發(fā)電機(jī)機(jī)端的最終阻抗，但動作可能較晚。

圖2 發(fā)電機(jī)失磁阻抗動作特性

2.3.1 靜穩(wěn)邊界圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(9)

整理得：

(10)

式中:Xe為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的聯(lián)系電抗；Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗(不飽和值)。

圖3 發(fā)電機(jī)失磁PQ特性圖

2.3.2 異步邊界圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(11)

整理得：

(12)

3 算例分析

針對上述論證，通過國內(nèi)配置較為普遍的發(fā)變組保護(hù)及勵磁設(shè)備算例進(jìn)行計(jì)算對比分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。根據(jù)國內(nèi)某電廠300 MW機(jī)組發(fā)變組保護(hù)失磁保護(hù)定值與勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制參數(shù)進(jìn)行核算。發(fā)變組保護(hù)為國電南自生產(chǎn)的DGT801A保護(hù)裝置，勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)備為南瑞科技生產(chǎn)的NES5100勵磁系統(tǒng)設(shè)備。發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值單如表1所示，勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制參數(shù)如表2所示，進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值參數(shù)

表2 NES5100勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制五點(diǎn)擬合參數(shù)

表3 進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1中參數(shù)可知，發(fā)電機(jī)同步電抗為2.2，發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗值為0.37，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓20 kV，計(jì)算可知異步邊界圓在PQ坐標(biāo)系的圓心為(0，-1 170 Mvar)，與Q軸的交點(diǎn)為(0，181 Mvar)，通過與欠勵限制擬合曲線滿足勵磁調(diào)節(jié)器限制功能要求。通過比較進(jìn)相試驗(yàn)3點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有功功率200 MW、250.7 MW、298.7 MW相對應(yīng)的欠勵限制無功功率分別為-35 Mvar、-26.2 Mvar、-15.3Mvar，均小于進(jìn)相試驗(yàn)深度，如圖4所示，滿足規(guī)程要求。

圖4 發(fā)電機(jī)失磁與勵磁參數(shù)限制校核圖

通過上述算例分析，可以看出通過異步邊界原理計(jì)算的失磁保護(hù)定值與勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制參數(shù)配合符合定值計(jì)算要求。且從數(shù)據(jù)上分析，其失磁保護(hù)定值折算到PQ坐標(biāo)平面上，與欠勵限制參數(shù)有較大的裕度。因此可以推斷，如果發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值依據(jù)異步邊界圓原理計(jì)算時，且勵磁調(diào)節(jié)器欠勵限制參數(shù)依據(jù)進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)整定時，可以不必進(jìn)行發(fā)變組保護(hù)定值與欠勵限制參數(shù)的校驗(yàn)。

4 結(jié)束語

由上述分析可知，發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器定值的整定不僅要依據(jù)發(fā)電機(jī)一次系統(tǒng)的運(yùn)行方式及主要參數(shù)，還要根據(jù)發(fā)變組保護(hù)定值統(tǒng)籌考慮。建議火力發(fā)電廠技術(shù)人員應(yīng)依據(jù)DL/T684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》及上述勵磁調(diào)節(jié)器定值整定方法對發(fā)變組保護(hù)定值與勵磁調(diào)節(jié)器定值進(jìn)行重新校核，以防止由于兩者定值之間不配合導(dǎo)致的機(jī)組不能穩(wěn)定運(yùn)行。依據(jù)異步邊界圓原理進(jìn)行整定的失磁保護(hù)定值可不必與欠勵限制定值進(jìn)行校核，但依據(jù)靜穩(wěn)邊界圓原理整定的失磁保護(hù)定值建議按本文計(jì)算方法進(jìn)行校核計(jì)算。

[1] 高培鑫，翟大海，齊鋒光，等.1 000 MW發(fā)電機(jī)保護(hù)定值與勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)的匹配研究[J].華東電力，2013，41(1)：224-227.

[2] 孫孜平，高春如，沈 儉，等.自動勵磁調(diào)節(jié)器整定計(jì)算的探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(3)：68-71.

[3] 黃 龍，方昌勇，胡凱波.勵磁調(diào)節(jié)器過勵限制與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷保護(hù)的整定配合分析[J].浙江電力，2012，34(7)：21-23.

[4] 王慧敏.發(fā)變組保護(hù)與勵磁調(diào)節(jié)器的配合整定[J].電工技術(shù),2014，35(6)：23-25.

[5] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2009.