鄒晗高波
(江蘇省電力設(shè)計(jì)院,江蘇南京211102)
目前1 000 MW級(jí)的發(fā)電機(jī)變壓器組通常工作在磁密飽和點(diǎn)附近,過(guò)勵(lì)磁一旦發(fā)生將引發(fā)嚴(yán)重后果[1]。因此,《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14285—2006)規(guī)定:300 MW及以上發(fā)電機(jī),應(yīng)裝設(shè)過(guò)勵(lì)磁保護(hù);對(duì)于高壓側(cè)為330 kV及以上的變壓器,為防止由于頻率降低和/或電壓升高引起變壓器磁密過(guò)高而損壞變壓器,應(yīng)裝設(shè)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)。
本文重點(diǎn)討論在設(shè)計(jì)江蘇華電句容二期(2×1 000 MW)擴(kuò)建工程中利用半波積分累積式算法替代前期工程中的硬件電路、采用軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的具體方法[2-6]。
由工程電磁場(chǎng)理論可知,以變壓器為例,其工作時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)E=4.44fWSB×10-4,其中f為頻率。不計(jì)及變壓器繞組漏抗壓降,變壓器電壓U與感應(yīng)電勢(shì)E相等,即E=U,則:
由式(1)可知,B正比于U/f,對(duì)于指定的變壓器或發(fā)電機(jī)而言,104/4.44WS都將是一個(gè)定值。過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)n如式(2)所示:
其中,B和Be分別是鐵芯工作磁密和額定磁密,U、f、Ue、fe、U*、f*分別是電壓和頻率、額定電壓和額定頻率、電壓和頻率標(biāo)幺值。只要得到U與f,就可以由微機(jī)保護(hù)裝置計(jì)算出過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)n,當(dāng)n大于保護(hù)定值時(shí)保護(hù)動(dòng)作。為實(shí)現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁保護(hù),保護(hù)的動(dòng)作特性應(yīng)與過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線(xiàn)(能力)相配合。U根據(jù)不同保護(hù)對(duì)象,可選取發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和變壓器高壓側(cè)電壓。
前一期工程使用的發(fā)電機(jī)變壓器組過(guò)勵(lì)磁保護(hù)方法,是將發(fā)電機(jī)機(jī)端或變壓器高壓側(cè)的電壓互感器二次相間電壓傳到繼電保護(hù)裝置中特有的U/f測(cè)量回路。該回路通常集成在繼電保護(hù)裝置的CPU上,包括中間相關(guān)的電壓互感器、整流回路等,由此測(cè)得的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)作為過(guò)勵(lì)磁保護(hù)判據(jù),因而可稱(chēng)之為“低通濾波式過(guò)勵(lì)磁保護(hù)方法”,如圖1所示。
圖1 低通濾波式
根據(jù)前期工程的運(yùn)行情況來(lái)看,低通濾波式方法存在的問(wèn)題如下:
(1)保護(hù)裝置為過(guò)勵(lì)磁一種保護(hù)信號(hào)采集而單獨(dú)配置電路及相應(yīng)的采樣通道,硬件繁瑣,當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)也不易更換,通常需要停機(jī)進(jìn)行更換,代價(jià)很大。
(2)裝置在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)后,保護(hù)裝置會(huì)由于電磁干擾、元器件老化等因素導(dǎo)致n測(cè)量值偏移或晃動(dòng)大,易引發(fā)保護(hù)誤動(dòng)。
(3)對(duì)電壓互感器傳送的電壓幅值變化的靈敏度較高,n計(jì)算準(zhǔn)確度較高;而對(duì)其頻率變化的靈敏度較差,n計(jì)算準(zhǔn)確度較差,尤其是頻率偏離額定值較大時(shí)測(cè)得的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)誤差明顯增大,也易引起保護(hù)誤動(dòng)。
(4)前期工程頻率跟蹤測(cè)量方法主要采用硬件電路,通過(guò)濾波整形電路和鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn),成本較高,且實(shí)現(xiàn)過(guò)程較復(fù)雜,有悖于微機(jī)保護(hù)裝置微型化的發(fā)展方向。
因此,現(xiàn)有的低通濾波式過(guò)勵(lì)磁保護(hù)方法不能完全有效地保護(hù)發(fā)電機(jī)、變壓器設(shè)備。
為了解決上述問(wèn)題,保護(hù)裝置通過(guò)半波積分式軟件算法,直接將電壓互感器二次側(cè)電壓接入CPU而不再單獨(dú)設(shè)計(jì)特殊測(cè)量回路,計(jì)算得出過(guò)勵(lì)磁倍數(shù),這種方法可稱(chēng)之為“半波積分累積式過(guò)勵(lì)磁保護(hù)方法”。
半波積分累積式的有益效果如下:可以不再使用上文提到的復(fù)雜繁瑣、易受干擾的模擬電路,能夠完全避開(kāi)前期工程模擬電路引起的問(wèn)題。同時(shí),軟件實(shí)現(xiàn)的半波積分累積式方法通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn),方便靈活,在現(xiàn)場(chǎng)修改容易。最顯著的是,提高了過(guò)勵(lì)磁保護(hù)對(duì)電壓頻率變化的靈敏度,保證了保護(hù)測(cè)量頻率范圍內(nèi)頻率變化大時(shí)的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性,從而提高了過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的可靠性。
具體算法如下:
可得到:
同理,負(fù)半周波積分:
可得到:
因此,電壓兩個(gè)半周波的積分絕對(duì)值之和僅需要乘以一個(gè)系數(shù)就可以得到過(guò)勵(lì)磁倍數(shù):
繼電保護(hù)裝置基于恒定頻率fs采樣,保護(hù)處理器對(duì)電壓互感器二次側(cè)的連續(xù)電壓信號(hào)u= 2 Usin(2πft+φ)進(jìn)行等時(shí)間間隔ts=1/fs采樣,假設(shè)一個(gè)周波采樣N點(diǎn),得到離散電壓信號(hào)u(k),k=1,2,…,N。根據(jù)高等數(shù)學(xué)與數(shù)值分析中關(guān)于近似計(jì)算定積分的復(fù)合梯形法(Composite Trapezoidal Rule),電壓積分為:
采樣離散正弦電壓信號(hào)一般不可能正好得到零采樣值,即實(shí)際難以出現(xiàn)u(k)=0,而是從負(fù)到正過(guò)零u(k)<0且u(k+1)≥0,或者從正到負(fù)過(guò)零u(k)>0且u(k+1)≤0。更精確的計(jì)算積分,應(yīng)該是復(fù)合梯形面積加上過(guò)零處的補(bǔ)償面積,如圖2所示。
圖2 復(fù)合梯形面積和與過(guò)零處三角形面積補(bǔ)償
采用近似三角形法計(jì)算過(guò)零處的面積:
或:
對(duì)于一個(gè)周波的離散電壓信號(hào)會(huì)有3次過(guò)零,4個(gè)三角形,依次取面積S△1~S△4,則實(shí)際過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)的計(jì)算公式是:
本文介紹了發(fā)電機(jī)、機(jī)組主變壓器的反時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法,可不再使用易受干擾的模擬電路,能夠完全避開(kāi)前期工程模擬電路引起的元件更換等可導(dǎo)致停機(jī)事故的缺陷。同時(shí),半波積分累積式方法通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn),方便靈活,在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、修改程序方便、快捷。同時(shí),提高了過(guò)勵(lì)磁保護(hù)對(duì)電壓頻率變化的靈敏度,保證了頻率變化大時(shí)的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性,從而提高了過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的可靠性。