張方慶,李 敏，張成峰

(湖南瀟湘水電站，湖南省永州市 425000)

0 前 言

湖南瀟湘水電站地處永州市中心，共設(shè)計(jì)4臺單機(jī)容量為13 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)通過110 kV升壓變與5.2 km外的中心樞紐變電站并聯(lián)。發(fā)電機(jī)額定電壓為6 300 V，額定電流為1 324 A，同步電抗為1.029，暫態(tài)電抗為0.43，額定勵(lì)磁電壓為213 V，額定勵(lì)磁電流為686 A，采用可控硅自并勵(lì)勵(lì)磁方式。 為防止水輪發(fā)電機(jī)在失磁故障下運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一套失磁保護(hù)回路：利用異步邊界阻抗作為主判據(jù)延時(shí)出口使發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列，機(jī)組按電氣事故停機(jī)程序停機(jī)。

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行后，失磁保護(hù)在2周內(nèi)連續(xù)5次動(dòng)作導(dǎo)致事故停機(jī)，對機(jī)組產(chǎn)生了嚴(yán)重的機(jī)械沖擊。事后對勵(lì)磁系統(tǒng)裝置進(jìn)行全面檢查，無任何不正?，F(xiàn)象，保護(hù)裝置進(jìn)行校驗(yàn)動(dòng)作可靠，排除了裝置本身存在誤動(dòng)的可能，確認(rèn)是失磁保護(hù)因系統(tǒng)波動(dòng)而引起誤動(dòng)。在全面地分析了導(dǎo)致失磁保護(hù)誤動(dòng)原因的基礎(chǔ)上，著重討論了利用異步阻抗圓作為主判據(jù)、勵(lì)磁電壓作輔助判據(jù)來反映與系統(tǒng)連接緊密的水輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的可靠性和靈敏性，通過試運(yùn)行后取得較好的效果[1-7]。

1 異步阻抗圓作為主判據(jù)

異步邊界圓是目前使用較多的失磁保護(hù)主判據(jù)，它是根據(jù)發(fā)電機(jī)失磁后會(huì)最終進(jìn)入異步運(yùn)行，異步阻抗圓會(huì)落入阻抗平面的第三、四象限動(dòng)作區(qū)而使阻抗繼電器動(dòng)作。而發(fā)電機(jī)的機(jī)端阻抗為：

(1)

式中：Us為發(fā)電機(jī)電壓；Ps為發(fā)電機(jī)有功功率；Qs為發(fā)電機(jī)無功功率；Xs為系統(tǒng)阻抗；φ為發(fā)電功功率因數(shù)角。

2 勵(lì)磁電壓作為輔助判據(jù)

利用異步邊界圓作為與系統(tǒng)連接緊密的水輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作主判據(jù)時(shí)，為防止保護(hù)誤動(dòng)必須加以輔助判據(jù)。

發(fā)電機(jī)失磁后異步邊界阻抗圓完全落在阻抗平面的第三、四象限內(nèi)，有利于減少非失磁時(shí)的誤動(dòng)作，且在電源兩則電動(dòng)勢相等的系統(tǒng)振蕩時(shí)，失磁保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。但是與發(fā)電機(jī)連接緊密的系統(tǒng)中對空載長距離線路充電，線路對地電容的影響導(dǎo)致機(jī)端測量阻抗呈容性，落在阻抗平面的第四象限，失磁繼電器很可能誤動(dòng)。在PT回路斷線、系統(tǒng)出現(xiàn)相間、接地短路故障引起的振蕩以及系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)并列與解列都可能使保護(hù)誤動(dòng)。特別是與系統(tǒng)連接阻抗X越小，阻抗動(dòng)作區(qū)越大，誤動(dòng)的幾率越大。瀟湘水電站原設(shè)計(jì)的失磁保護(hù)無輔助動(dòng)作判據(jù)，共出現(xiàn)了5次誤動(dòng)；其中2次因?yàn)橄到y(tǒng)倒閘操作(空投大型變壓器、空投長線路)而誤動(dòng)；2次因?yàn)榈鼐W(wǎng)發(fā)電機(jī)組在晚上頂峰完后與系統(tǒng)解列時(shí)的誤動(dòng)；1次因?yàn)榈鼐W(wǎng)短路故障而誤動(dòng)。而失磁阻抗圓的整定計(jì)算為：

=3.94∠-90° (Ω)

(2)

=22.6∠-90° (Ω)

(3)

式中：Xd′為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗；Uef為發(fā)電機(jī)額定電壓；Ief為發(fā)電機(jī)額定電壓；KLY為發(fā)電機(jī)PT變比(本式取6000/100 V)；KLH為發(fā)電機(jī)CT變比(本式取2000/5 A)；Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗；Krel為可靠系數(shù)(本式取1.2)。

當(dāng)時(shí)失磁保護(hù)阻抗整定值為ZA=4 Ω、ZB=23 Ω，其整定值計(jì)算從理論上講是正確的，不存在整定值取小的可能性。所以為防止失磁保護(hù)的誤動(dòng)，必須加以輔助判據(jù)[10-14]。

3 方案選擇

(1) 針對為防止失磁保護(hù)誤動(dòng)，我們討論了負(fù)序分量閉鎖、增加延時(shí)及減小動(dòng)作區(qū)、倒閘操作閉鎖、電壓回路斷線閉鎖失磁保護(hù)的誤動(dòng)作。

以上各種方案都不能保證各種非失磁工況下均能可靠閉鎖——負(fù)序分量閉鎖只能閉鎖外部短路引起的誤動(dòng)，而倒閘操作閉鎖只能防止空投大型變壓器、空投長線路引起的誤動(dòng)；斷線閉鎖只能防止PT回路斷線時(shí)引起的誤動(dòng)；而無謂的延時(shí)保護(hù)出口時(shí)間或是減小保護(hù)動(dòng)作區(qū)將使發(fā)電機(jī)失磁時(shí)，不能快速、準(zhǔn)確地動(dòng)作。如果要保證水輪發(fā)電機(jī)在各種非失磁工況下均能可靠閉鎖，必須將以上各閉鎖措施全部采用，這必將增加了保護(hù)的復(fù)雜性及增加相應(yīng)的投資。

(2) 采用勵(lì)磁電壓的輔助(閉鎖)判據(jù)能夠保證與系統(tǒng)連接緊密的水輪發(fā)電機(jī)在各種非失磁工況下均能可靠閉鎖，并能滿足繼電保護(hù)靈敏性、可靠性、快速性、選擇性的要求。

根據(jù)電力系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，勵(lì)磁電壓、電流不但不減小反而要進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁使保護(hù)裝置快速將故障從電力系統(tǒng)切除，而系統(tǒng)振蕩時(shí)也將增加勵(lì)磁來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上我們設(shè)計(jì)了失磁保護(hù)回路(如圖1)。

圖1 采用勵(lì)磁電壓輔助判據(jù)構(gòu)成的失磁保護(hù)回路圖

該保護(hù)回路是由異步邊界特性圓的阻抗繼電器構(gòu)成失磁的定子主判據(jù)，由勵(lì)磁電壓構(gòu)成失磁保護(hù)的轉(zhuǎn)子輔助判據(jù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁時(shí)，機(jī)端測量阻抗進(jìn)入阻抗繼電器整定的異步邊界圓內(nèi)，使繼電器動(dòng)作，而轉(zhuǎn)子電壓因失磁故障下降使轉(zhuǎn)子低電壓繼電器返回，阻抗繼電器出口延時(shí)后與低電壓繼電器組成與的邏輯關(guān)系，當(dāng)兩者滿足要求時(shí)，失磁保護(hù)動(dòng)作出口使故障發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列，同時(shí)PLC執(zhí)行事故停機(jī)程序。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，即使阻抗繼電器誤動(dòng)，也只是發(fā)中央信號，而不會(huì)使整套保護(hù)出口，因?yàn)榇藭r(shí)的勵(lì)磁電壓不可能低于發(fā)電機(jī)的空載的勵(lì)磁電壓而使轉(zhuǎn)子低電壓繼電器返回。

經(jīng)過進(jìn)一步討論分析，此種失磁保護(hù)方案還存在以下幾個(gè)凝問：

1) 系統(tǒng)波動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓在某種情況下(如大量的容性負(fù)載)可能波動(dòng)較嚴(yán)重，有可能使主判據(jù)和輔助判據(jù)同時(shí)滿足要求而誤動(dòng)；

2) 發(fā)電機(jī)剛并入電網(wǎng)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)帶有功、無功需要過程，開始勵(lì)磁電壓很低，如果調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速率較慢或人為原因使有功、無功增加較慢時(shí)使發(fā)電機(jī)處于低勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)有可能使主判據(jù)和輔助判據(jù)同時(shí)滿足要求而使失磁保護(hù)誤動(dòng)作；

3) 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置在滅磁開關(guān)跳閘時(shí)，是采用消弧柵和對常數(shù)電阻放電相結(jié)合的方式滅磁，在滅磁開關(guān)跳閘導(dǎo)致失磁時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組是一大電感線圈，滅磁過程中轉(zhuǎn)子電壓的暫態(tài)過程中會(huì)作周期不同的正負(fù)交變，或是可控硅交流側(cè)電源故障時(shí)，在轉(zhuǎn)子繞組中也會(huì)出現(xiàn)很大的暫態(tài)呈間斷波形的過電壓，加上轉(zhuǎn)子繞組的時(shí)間常數(shù)較大，這些將造成發(fā)電機(jī)真正失磁時(shí)，輔助判據(jù)的轉(zhuǎn)子低電壓繼電器出現(xiàn)來回抖動(dòng)，使失磁保護(hù)拒動(dòng)。

針對問題1),采取將定子主判據(jù)的失磁繼電器動(dòng)作經(jīng)1.5 s延時(shí)(大于電力系統(tǒng)安全自動(dòng)裝置動(dòng)作時(shí)間)后,再與轉(zhuǎn)子輔助判據(jù)的低電壓繼電器組成“與”的邏輯關(guān)系使整組保護(hù)出口。在整定勵(lì)磁低電壓繼電器時(shí)，應(yīng)采取的方法是：只要保證發(fā)電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，低電壓繼電器不返回即可。而該電站發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電壓為76 V，所以低電壓繼電器動(dòng)作值整定為80%Uf=60 V,這樣保證了失磁保護(hù)裝置在系統(tǒng)波動(dòng)時(shí)不誤動(dòng)造成事故停機(jī)。此外，為防止勵(lì)磁電壓因系統(tǒng)的無功波動(dòng)而大幅度的波動(dòng)，將調(diào)節(jié)器的調(diào)差系數(shù)由原來的第6檔調(diào)小至第3檔，減小勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的靈敏性，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)無功波動(dòng)時(shí)根據(jù)發(fā)電機(jī)的容量來調(diào)節(jié)無功的輸出。

針對問題2)采取對機(jī)組的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序進(jìn)行修改的措施，機(jī)組采用PLC控制時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后立即帶3 000 W的有功和1 000 Var的無功，保證發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)不導(dǎo)致有功、無功的進(jìn)相。

針對問題3)，一方面增加了利用滅磁開關(guān)常閉輔助觸頭延時(shí)出口使發(fā)電機(jī)解列、停機(jī)的回路，即并網(wǎng)后的發(fā)電機(jī)不管在什么情況下，只要滅磁開關(guān)跳閘不由定子主判據(jù)和轉(zhuǎn)子輔助判據(jù)來啟動(dòng)保護(hù)回路，直接連跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。這樣完全甩開了因滅磁開關(guān)跳閘時(shí)正負(fù)變化的轉(zhuǎn)子電壓導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁故障時(shí)失磁保護(hù)的拒動(dòng)，能夠保證保護(hù)正確、快速動(dòng)作。另一方面在轉(zhuǎn)子低電壓繼電器動(dòng)作返回不延時(shí)的基礎(chǔ)上，在其線圈中串接反相二極管 ，這樣可以防止勵(lì)磁系統(tǒng)交流故障或是可控硅故障出現(xiàn)失磁時(shí)，至少可以保證轉(zhuǎn)子反相暫態(tài)電壓使低電壓繼電器可靠返回，使失磁保護(hù)主、輔動(dòng)作判據(jù)同時(shí)滿足要求而出口。

為了確認(rèn)更改后的失磁保護(hù)能夠滿足繼電保護(hù)的要求，將并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了低勵(lì)失磁、交流故障失磁試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明保護(hù)裝置在失磁故障時(shí)能可靠動(dòng)作。而通過1 a的運(yùn)行實(shí)踐證明在系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)失磁保護(hù)能可靠閉鎖，保證了機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行。

4 結(jié) 語

(1) 與電力系統(tǒng)緊密的水輪發(fā)電機(jī)，采用異步阻抗圓的定子主判據(jù)和勵(lì)磁電壓的輔助判據(jù)相結(jié)合的方式，在設(shè)計(jì)合理的情況下，可以保證保護(hù)在因系統(tǒng)波動(dòng)的非失磁故障情況下， 失磁保護(hù)不因誤動(dòng)作而事故停機(jī)；而在失磁故障時(shí)保護(hù)能夠快速、可靠地反映故障并將失磁故障的發(fā)電機(jī)從電力系統(tǒng)中切除。該動(dòng)作判據(jù)在整流型的保護(hù)裝置上有著結(jié)構(gòu)簡單、原理清析、動(dòng)作可靠的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足繼電保護(hù)“四性”的要求。

(2) 利用定子主判據(jù)、轉(zhuǎn)子輔助判據(jù)構(gòu)成的失磁保護(hù)方案時(shí)，要特別對轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和電流在不同勵(lì)磁方式和不同故障類型時(shí)暫態(tài)特性了解清楚，要防止發(fā)電機(jī)失磁故障時(shí)保護(hù)的拒動(dòng)，正確把握準(zhǔn)確性和可靠性。

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