楊乾純

(中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部，上海 200540)

對于發(fā)電機(jī)失磁故障，《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》(DL/T 684—2012)描述了發(fā)電機(jī)失磁故障發(fā)生后的系統(tǒng)的特征量、發(fā)電機(jī)失磁后造成的危害。對于失磁保護(hù)的整定，文獻(xiàn)[1-3]提出阻抗動作邊界映射至P-Q平面的方法，確定發(fā)電機(jī)失磁故障時功率動作邊界。對于失磁保護(hù)和低勵限制的配合，文獻(xiàn)[4-5]對發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)和低勵限制之間的配合整定計(jì)算問題進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，以指導(dǎo)二者的配合整定計(jì)算。以上文獻(xiàn)對電力企業(yè)的發(fā)電機(jī)整定和配合具有一定指導(dǎo)作用，但未就具體的保護(hù)裝置應(yīng)如何進(jìn)行整定配置予以詳細(xì)說明，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，要結(jié)合現(xiàn)有的保護(hù)裝置進(jìn)行整定。文章結(jié)合煉化企業(yè)自備發(fā)電廠的典型繼電保護(hù)和自動調(diào)節(jié)勵磁裝置配置，介紹了勵磁系統(tǒng)保護(hù)動作的條件和工程實(shí)際應(yīng)用中的整定方案以及保護(hù)之間的配合關(guān)系。以某煉化企業(yè)自備發(fā)電廠6號汽輪發(fā)電機(jī)為例，對其勵磁系統(tǒng)進(jìn)行研究，其具體配置如下：發(fā)電機(jī)型號QF-125-2，發(fā)電機(jī)額定容量147.1 MVA，定子繞組額定電流為6 154.4 A，轉(zhuǎn)子繞組額定電流1 325 A，發(fā)電機(jī)保護(hù)采用SEL300G微機(jī)保護(hù)裝置，雙重化配置，勵磁系統(tǒng)采用勵磁變靜止勵磁方式，勵磁調(diào)節(jié)裝置采用ABB UNITROL F微機(jī)靜態(tài)勵磁調(diào)節(jié)裝置。

1 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)

1.1 基本工作原理

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中失去勵磁，其電動勢有一個衰減的過程，在這個衰減過程中由于有功功率保持不變，因此功率角會不斷增大，當(dāng)功率角增大到90度時，發(fā)電機(jī)開始進(jìn)入不穩(wěn)定失步運(yùn)行狀態(tài)，直至進(jìn)入穩(wěn)定異步運(yùn)行狀態(tài)。

發(fā)電機(jī)失磁后的電氣量特征為：發(fā)電機(jī)勵磁電壓降低，發(fā)電機(jī)從為系統(tǒng)提供感性無功變成從系統(tǒng)吸收感性無功，定子電流上升，機(jī)端電壓降低。

發(fā)電機(jī)失磁后導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，危及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)端電壓降低會影響接在機(jī)端的廠用電負(fù)荷，危及發(fā)電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。定子過電流造成定子繞組溫度上升，危及繞組絕緣。另外，發(fā)電機(jī)失磁還會造成機(jī)組振動和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子局部過熱，影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

根據(jù)發(fā)電機(jī)失磁的基本電氣特征，可檢測到發(fā)電機(jī)失磁狀態(tài)。以失磁后發(fā)電機(jī)機(jī)端測量阻抗的變化、失磁阻抗特性作為失磁的判據(jù)[6]。

(1)失磁后機(jī)端測量阻抗Zm的變化。設(shè)機(jī)端電壓為Ug，發(fā)電機(jī)送出電流為Ig(Ug取線電壓，則Ig為線電流)，發(fā)電機(jī)的有功功率為P，發(fā)電機(jī)的無功功率為jQ，由于失磁前輸出感性無功功率，所以測量阻抗位于復(fù)平面中的第一象限。

(2)靜穩(wěn)阻抗邊界圓。為了使失磁后測量阻抗落入設(shè)置的阻抗動作特性內(nèi)，顯然該阻抗動作特性應(yīng)包含第四象限部分區(qū)域。通常采用的阻抗動作特性是靜穩(wěn)阻抗邊界圓和異步阻抗邊界圓。

發(fā)電機(jī)失磁后，測量阻抗Zm進(jìn)入第四象限，到達(dá)A點(diǎn)，表示δ=90°，即為臨界失步，再進(jìn)入靜穩(wěn)阻抗邊界圓內(nèi)，發(fā)電機(jī)便失步運(yùn)行。

由圖1不難看到：發(fā)電機(jī)失磁時，機(jī)端測量阻抗容易進(jìn)入靜穩(wěn)阻抗邊界圓內(nèi)，當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的聯(lián)系電抗Xcon較大時，更容易進(jìn)入。對異步阻抗邊界圓來說，當(dāng)Xcon較大時，失磁時機(jī)端測量阻抗可能不能進(jìn)入該邊界圓內(nèi)。但是，發(fā)電機(jī)在正常進(jìn)相運(yùn)行時，異步阻抗邊界圓比靜穩(wěn)阻抗邊界圓有較好的躲負(fù)荷阻抗的能力；此外，振蕩時機(jī)端測量阻抗不會落入該特性圓內(nèi)。作為兩邊界圓的折中，檢測失磁的阻抗特性可取以-jXd為直徑的一個圓，如圖1中的圓4。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)失磁阻抗特性

由此可見，應(yīng)采用雙阻抗圓判別發(fā)電機(jī)失磁具有異步阻抗圓判別發(fā)電機(jī)失磁的特性。

圖2 雙阻抗特性圓檢測發(fā)電機(jī)失磁

1.2 整定計(jì)算

靜止勵磁方式下的失磁保護(hù)為阻抗型失磁保護(hù)，保護(hù)裝置的輸入量有：機(jī)端三相電壓(電壓互感器變比為nTV)、發(fā)電機(jī)三相電流(電流互感器變比為nTA)。

整定計(jì)算中需要對定子阻抗判據(jù)進(jìn)行選擇，靜穩(wěn)阻抗判據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是失磁時動作早、靈敏度高，但發(fā)電機(jī)振蕩時阻抗判據(jù)要誤動作；異步阻抗判據(jù)或雙阻抗圓判據(jù)失磁時動作相對晚一些，但發(fā)電機(jī)振蕩時肯定不會誤動作。阻抗判據(jù)的選擇應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間聯(lián)系阻抗大小、系統(tǒng)運(yùn)行狀況確定。一般情況下，當(dāng)電廠與系統(tǒng)聯(lián)系緊密(線路大于或等于3回，或較短線路2回)時，宜優(yōu)先采用異步阻抗圓或雙阻抗圓；當(dāng)電廠與系統(tǒng)聯(lián)系比較薄弱(如發(fā)變線與系統(tǒng)相連)時，宜優(yōu)先采用靜穩(wěn)圓；當(dāng)無法判別聯(lián)系緊密程度時，可采用過坐標(biāo)原點(diǎn)的下拋圓或?qū)㈧o穩(wěn)圓切去相應(yīng)部分。由于該煉化企業(yè)自備發(fā)電廠擁有3回與系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)線，因此采用雙阻抗圓作為發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的定子阻抗判據(jù)。

該煉化企業(yè)自備發(fā)電廠6號發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的整定計(jì)算過程如下：

SEL300G保護(hù)裝置失磁保護(hù)下拋雙阻抗圓動作特性如圖3所示，失磁保護(hù)動作區(qū)由兩個下拋?zhàn)杩箞AZone 1和Zone 2組成，Zone 1圓內(nèi)為下拋?zhàn)杩固匦詧A1保護(hù)動作區(qū)，Zone 2圓內(nèi)為下拋?zhàn)杩固匦詧A2保護(hù)動作區(qū)。

SEL300G保護(hù)裝置下拋?zhàn)杩固匦詧A1的定值整定方法如下：

40Z1P=Zgn=15.0102 Ω

時限40Z1D=1 s跳閘。

SEL300G保護(hù)裝置下拋?zhàn)杩固匦詧A2的定值整定方法如下：

40XD2=40XD1=-1.748 7 Ω

時限40Z2D=1 s發(fā)信。

圖3 SEL300G保護(hù)裝置失磁保護(hù)動作特性(下拋雙阻抗圓)

2 勵磁調(diào)節(jié)裝置和失磁保護(hù)的配合

2.1 勵磁調(diào)節(jié)裝置低勵保護(hù)的整定要求

發(fā)電機(jī)失磁指的是發(fā)電機(jī)磁極剩磁很弱或沒有，在旋轉(zhuǎn)過程中建立不了勵磁電壓，失磁時發(fā)電機(jī)沒有電壓輸出。而發(fā)電機(jī)低勵是指發(fā)電機(jī)有勵磁電壓，只是電壓低，達(dá)不到要求，是發(fā)電機(jī)的一種非正常運(yùn)行狀態(tài)。在低勵情況下發(fā)電機(jī)輸出的電壓比額定電壓低一些。發(fā)電機(jī)低勵運(yùn)行，其定、轉(zhuǎn)子間磁場聯(lián)系減弱，發(fā)電機(jī)易失去靜態(tài)穩(wěn)定。為了確保一定的靜態(tài)穩(wěn)定裕度，勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上均配置了低勵限制回路，即當(dāng)發(fā)電機(jī)一定的有功功率下，無功功率滯相低于某一值或進(jìn)相大于某一值時，在勵磁調(diào)節(jié)裝置綜合放大回路中輸出一增加機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)信號，使勵磁增加，起到保護(hù)作用。

在發(fā)電機(jī)勵磁電流減小直至失磁的過程中，勵磁調(diào)節(jié)裝置的低勵限制保護(hù)應(yīng)首先動作，如未起到限制作用，則應(yīng)切到備用通道；如切到備用通道仍然未能起限制作用，則應(yīng)該由失磁保護(hù)判斷后動作停機(jī)。低勵限制單元應(yīng)先于失磁保護(hù)動作，以滿足低勵限制和失磁保護(hù)的整定配合，這是對低勵限制整定的基本要求。

發(fā)電機(jī)組勵磁調(diào)節(jié)器低勵限制單元的限制曲線主要有兩種形式：一種是圓弧限制曲線(如ABB UNITROL5000型勵磁調(diào)節(jié)器的低勵限制曲線)；另一種是直線限制曲線(如南瑞的SAVR2000勵磁調(diào)節(jié)器的低勵限制曲線)。不論是圓弧限制曲線，還是直線限制曲線，低勵限制動作曲線都是按照發(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，它們的原理分析以及動作曲線的整定計(jì)算分析也都是在功率平面(P-Q平面)上進(jìn)行的，而以發(fā)電機(jī)端阻抗圓構(gòu)成的失磁保護(hù)，其原理分析以及定值的整定計(jì)算分析卻是在阻抗平面(R-X平面)上進(jìn)行的。因此，為使低勵限制和失磁保護(hù)能符合正確的動作順序，就必須分析低勵限制和失磁保護(hù)之間的關(guān)系，將兩者歸算至同一個平面進(jìn)行比較，從而探討整定配合的合理性，此處將低勵限制和失磁保護(hù)兩者歸算到同一個功率平面進(jìn)行整定配合的討論。

2.2 勵磁調(diào)節(jié)裝置低勵保護(hù)的整定配合

2.2.1 理論計(jì)算

(1)將失磁保護(hù)曲線映射至P-Q平面

通過上節(jié)的綜述，我們可以統(tǒng)一阻抗型失磁保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)圓方程：

(1)

其中，X0為失磁保護(hù)阻抗圓的圓心，R0為失磁保護(hù)阻抗圓的半徑。

將R=(Ucosφ)/I,X=(Usinφ)/I代入式(1)并化簡得：

(2)

將sinφ=Q/(UI),I2=(P2+Q2)/U2代入式(2)得：

(3)

化簡后得：

(4)

以該煉化企業(yè)6號發(fā)電機(jī)低勵限制與失磁保護(hù)的整定計(jì)算為例。

發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定容量SGN=147.1 MVA，額定功率PGN=125 MW，機(jī)端電壓UGN=13.8 kV，電流互感器變比nTA=8 000/5，電壓互感器變比nTV=13.8/0.1。發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的低勵限制曲線參數(shù)設(shè)定值如下所示。

PQ IEMIN LIM:

1501 REF0Q(P) LIM-10.0%

1502 REF25Q(P) LIM-10.0%

1503 REF50Q(P)LIM-10.0%

1504 REF75Q(P)LIM-5.0%

1505 REF100Q(P)LIM-0%

以發(fā)電機(jī)額定容量SGN=147.1 MVA為基準(zhǔn)值，將以上以百分比表示的數(shù)值換算為一次實(shí)際值后如表1所示。

表1 低勵限制P-Q換算

圖4 失磁保護(hù)動作特性示意

根據(jù)上節(jié)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)整定計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算阻抗圓的圓心和半徑，阻抗圓1反映發(fā)電機(jī)在負(fù)荷較高時的失磁情況，

阻抗圓2反映發(fā)電機(jī)在任意負(fù)荷時的失磁情況，

經(jīng)計(jì)算，得到異步圓1與Q軸交點(diǎn)為(0,-118.90 MVar)。

經(jīng)計(jì)算，得到異步圓2與Q軸交點(diǎn)為(0,-61.344 MVar)。

(2)低勵限制曲線

根據(jù)表1中換算后的P、Q值數(shù)據(jù)繪制。

2.2.2 校核結(jié)論

將各曲線按相同比例畫在同一平面上，如圖5所示。由圖5可知：在機(jī)端電壓最低允許值為0.95UGN的情況下，所有失磁保護(hù)阻抗圓均位于低勵限制線的下方，且有一定的裕度，低勵磁限制與失磁保護(hù)可以配合，整定關(guān)系滿足相關(guān)要求。

圖5 低勵限制曲線與失磁保護(hù)配合整定示意

3 過勵磁保護(hù)及勵磁限制器

同發(fā)電機(jī)低勵磁一樣，過勵磁也是發(fā)電機(jī)的一種非正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生過勵磁時，鐵芯的工作磁密升高導(dǎo)致其出現(xiàn)飽和使得鐵損增加。鐵芯飽和還會使漏磁場增強(qiáng)，漏磁通在穿過鐵芯表面和相應(yīng)結(jié)構(gòu)件中引起的渦流損耗也相應(yīng)增加。由這些附加損耗引起的溫升有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組絕緣的損壞。因此勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上均配置了過勵磁限制器，在發(fā)電機(jī)過勵磁時起到限制勵磁和保護(hù)發(fā)電機(jī)的作用。

過勵磁限制器在正常情況下是不參與自動勵磁控制的，而當(dāng)發(fā)生異常運(yùn)行工況，投入某些特殊的限制功能，對提高勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定及保護(hù)一次設(shè)備的安全運(yùn)行有重要作用。

過勵磁電流限制器由最大勵磁電流瞬時限制和反時限延時過勵磁電流限制兩部分組成，其整定與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱特性相互配合。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障導(dǎo)致母線電壓降低時，為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)迅速將發(fā)電機(jī)勵磁增加到最大值進(jìn)行強(qiáng)勵。最大勵磁電流限制瞬時動作，用于限制發(fā)電機(jī)勵磁電流的頂值，防止超出允許的強(qiáng)勵倍數(shù)，避免勵磁功率單元和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組超限制運(yùn)行而損壞[7]。反時限延時過勵磁電流限制主要的功能為最大勵磁電流延時限制，按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子容許發(fā)熱極限曲線對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行限制，防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組因長時間過流而過熱。受轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱的限制，當(dāng)強(qiáng)勵時間超過允許時間，勵磁電流仍不能自動下降，反時限延時過勵磁電流限制應(yīng)動作退出強(qiáng)勵，自動將勵磁減小到最大允許值附近。強(qiáng)勵的頂值電流(在ABB UNITROL F裝置中為1303參數(shù)，即IEMAX)是額定勵磁電流的2倍，強(qiáng)勵時間(在ABB UNITROL F裝置中為1305參數(shù)，即IEMAX.SEL)是10 s，允許的最大連續(xù)運(yùn)行勵磁電流(在ABB UNITROL F裝置中為1301參數(shù)，即IETH)為額定勵磁電流的1.05倍。在ABB UNITROL F裝置中，1307參數(shù)定義為過熱積分器的散熱時間常數(shù)。1306參數(shù)是強(qiáng)勵結(jié)束后，勵磁電流限制器送到疊加點(diǎn)的參考值REF IE LIM ACT(11303)降低到IETH的延時。1309參數(shù)是當(dāng)勵磁電流限制器動作時對應(yīng)的增益，與其他參數(shù)一起形成一組PID調(diào)節(jié)參數(shù)。實(shí)際勵磁電流與REF IE LIM ACT(11303)的差值超過額定勵磁電流的5%，即實(shí)際勵磁電流超過1.1倍，2 s內(nèi)勵磁電流限制器仍不奏效，發(fā)勵磁過流一級信號(A106，10905=1)，過勵切換動作；再經(jīng)3 s仍不奏效，發(fā)勵磁過流延時啟動跳閘信號(F3，10906=1)，過勵保護(hù)動作。

在發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷條件下進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試時，先記錄勵磁電流實(shí)際值，再根據(jù)這個值，臨時調(diào)小1301，1303，1307參數(shù)，增加勵磁電流使限制器動作，再減少勵磁，使其退出限制，待裝置充分散熱后再在限制點(diǎn)附近做+1%或+2%階躍試驗(yàn)，觀察勵磁電流限制器的動態(tài)響應(yīng)情況，對機(jī)端電壓、有功、無功、勵磁電流、勵磁電壓進(jìn)行錄波，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況，適當(dāng)調(diào)整PID參數(shù)，可以使限制器在動作時，調(diào)節(jié)器具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)性能力[8]。過勵磁限制在ABB UNITROL F型裝置中的參數(shù)設(shè)定值如下：

1301REF1IETH(勵磁電流限制器啟動值)105%(1.05倍額定)

1303REF1IEMAX(勵磁電流限制器最大值)200%(2倍額定)

1305TIMEIEMAX.SEL(勵磁電流設(shè)定最大延時)10 s

1306TCIEREDMAX-TH1.00 s

1307TIMEIEBACKINT100.0 s

1309KOELIE50%

表2 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流的反時限特性的匹配關(guān)系

4 結(jié)語

以某煉化企業(yè)的自備發(fā)電機(jī)組為例，介紹了125 MW發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的典型保護(hù)配置，分析了失磁保護(hù)和勵磁調(diào)節(jié)裝置兩者之間協(xié)調(diào)配合的必要性，并提出將發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與勵磁系統(tǒng)低勵限制曲線都?xì)w算到P-Q平面上進(jìn)行比較的方法，驗(yàn)證了失磁保護(hù)與低勵限制的配合關(guān)系符合國家電網(wǎng)公司《發(fā)電廠并網(wǎng)安全性評價》中低勵限制優(yōu)先于失磁保護(hù)動作的要求，提出了過勵磁保護(hù)參數(shù)整定無法同時滿足發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷的技術(shù)要求和電網(wǎng)對并網(wǎng)機(jī)組強(qiáng)勵能力的要求，以及對此采取的相應(yīng)措施。