李小龍，張 彬，邢艷平，林羅波

（1.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264312；2.華能海南昌江核電有限公司，海南 昌江 572733）

0 引言

為保證電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，須配置必要的發(fā)電機(jī)勵磁限制和相應(yīng)的保護(hù)功能。當(dāng)設(shè)備故障或系統(tǒng)擾動使機(jī)組運(yùn)行在異常或極限工況時，可通過勵磁限制盡可能維持機(jī)組在安全運(yùn)行狀態(tài)，能夠?yàn)檫\(yùn)行人員提供監(jiān)視、判斷和操作的緩沖時間［1］。一旦勵磁系統(tǒng)運(yùn)行異常或故障，相應(yīng)的勵磁限制失效，則要通過發(fā)電機(jī)保護(hù)將機(jī)組切除，保證機(jī)組和電網(wǎng)的安全。因此勵磁系統(tǒng)的限制功能要與發(fā)電機(jī)保護(hù)功能協(xié)調(diào)匹配，基本原則為：在發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行允許范圍內(nèi)，最大限度發(fā)揮發(fā)電機(jī)組過載能力的同時，確保勵磁先動、保護(hù)后動，并且均在發(fā)電機(jī)允許極限能力范圍內(nèi)。

某機(jī)組產(chǎn)生的高溫蒸汽推動汽輪機(jī)做功產(chǎn)生211 MW 電功率經(jīng)發(fā)電機(jī)出口斷路器通過主變壓器送至220 kV 電網(wǎng)。勵磁系統(tǒng)采用靜止自并勵系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)備采用PCS-985G 發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置。勵磁限制功能及設(shè)定值由勵磁廠家提供，而發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)定值整定計算委托給其他公司完成。由于完成公司不同，勵磁限制和發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)定值的匹配性可能存在問題。

就勵磁限制和發(fā)電機(jī)保護(hù)之間的配合合理性進(jìn)行分析驗(yàn)算，并針對存在的問題提出解決辦法，為發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)

機(jī)組QFKN-211-2 臥式隱極空冷同步發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)

機(jī)組采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，主要功能包括：提供機(jī)端電壓調(diào)節(jié)、磁場電流調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)、功率因數(shù)調(diào)節(jié)4 種運(yùn)行方式；具有磁場電流限制、定子電流限制、低勵限制、伏赫茲限制、整流橋運(yùn)行限制以及增減磁越界限制等各種限制功能；能在模擬量（機(jī)端電壓、機(jī)端電流、轉(zhuǎn)子電流、頻率相位等）測量發(fā)生故障、滅磁開關(guān)狀態(tài)錯誤、直流操作電源消失等狀態(tài)下進(jìn)行報警和保護(hù)；還具有階躍響應(yīng)試驗(yàn)、跟蹤系統(tǒng)電壓、抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、調(diào)差等附加功能。

2 磁場電流限制和轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)配合

2.1 配置說明

勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)置的磁場電流限制即為轉(zhuǎn)子電流限制，包括頂值瞬時限制、定時限限制和強(qiáng)勵反時限限制。頂值瞬時限制是指當(dāng)機(jī)端電壓降低到強(qiáng)勵動作值0.8Un時限制器瞬時動作強(qiáng)勵至2 倍頂值；定時限限制是指在2 倍強(qiáng)勵時經(jīng)過定時10 s 后勵磁電流降至1.1Ifn長期允許運(yùn)行電流；強(qiáng)勵反時限限制是指當(dāng)勵磁電流在1.1Ifn～2Ifn間符合反時限動作特性，其反時限特性方程為，啟動電流為1.11Ifn。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)（勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)）取自勵磁變低壓側(cè)TA 電流，TA 變比3 000／1，分為定時限保護(hù)和反時限保護(hù)。其中定時限保護(hù)整定值為0.53 A（折算為1.113Ifn），定時11 s 動作報警。反時限保護(hù)特性方程為，其熱容量系數(shù)C=31，Ifd為保護(hù)裝置測量的勵磁變壓器低壓側(cè)TA二次電流，轉(zhuǎn)子回路基準(zhǔn)電流Ifz取1.02Ifn換算取值為0.49 A，兩者在保護(hù)裝置中可直接調(diào)整設(shè)定。其下限動作電流為0.56 A（折算為1.176Ifn），延時101.3 s動作全停；上限時間定值為0.5 s，折算上限整定電流值為3.89 A（折算為8.17Ifn）。統(tǒng)一以標(biāo)幺值表示此反時限特性方程為。

2.2 匹配性分析

根據(jù)勵磁限制和保護(hù)配置，取13 個關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)的磁場電流限制和勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)，如表2 所示。

由表2 可知，勵磁限制始終先于保護(hù)動作，單純就勵磁和保護(hù)匹配性而言配置合理。但是保護(hù)特性和允許能力出現(xiàn)了交叉，交叉點(diǎn)為3.765Ifn。轉(zhuǎn)子電流小于3.765Ifn時，保護(hù)在允許能力以外，t允

2.3 改進(jìn)措施

由于勵磁系統(tǒng)對2 倍強(qiáng)勵10 s 的要求，強(qiáng)勵反時限的動作特性不變。需將勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)重新進(jìn)行整定計算。

2.3.1 勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)重新整定

表2 磁場電流限制和勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)對比

按照躲過2 倍強(qiáng)勵時10 s 考慮，計算得C=29.336，C 要大于此值并留一定裕度?？紤]在保護(hù)反時限下限動作值0.56 A（1.176Ifn）時t保≤t允來計算，，求得C≤31.11，綜上可取C=31。最終的勵磁繞組反時限保護(hù)動作特性方程為，定時限和反時限保護(hù)的動作電流和時間整定不變。

2.3.2 整定后匹配性

根據(jù)保護(hù)整定方案，取13 個關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)的磁場電流限制和勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)，如表3 和圖1 所示。

可見磁場電流限制先于保護(hù)動作，且二者都在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子允許過電流能力范圍內(nèi)，配置合理。

勵磁變配置了電流速斷保護(hù)和過流保護(hù)，這2段電流保護(hù)均取自勵磁變壓器高壓側(cè)TA 電流，TA變比為100／1，其中速斷保護(hù)定值按照低壓側(cè)兩相短路故障電流整定為4.1 A，延時0.3 s 全停。過流保護(hù)躲過2 倍強(qiáng)勵來整定為1.2 A，延時0.6 s 全停。

表3 磁場電流限制和改進(jìn)后的勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)對比

圖1 磁場電流限制和勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力趨勢

當(dāng)達(dá)到速斷保護(hù)定值4.1 A 時，勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)測得的低壓側(cè)電流值為4.4 A，超過了反時限上限時間定值0.5 s 對應(yīng)的整定值3.8 A，因此此時勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)動作時間為上限定值0.5 s，大于勵磁變電流速斷時限0.3 s，可見勵磁繞組反時限保護(hù)可作為勵磁變速斷保護(hù)失效的后備保護(hù)。

勵磁變過流定值1.2 A，對應(yīng)為轉(zhuǎn)子電流的2.7倍，延時0.6 s 全停，因此可作為強(qiáng)勵限制失效的后備保護(hù)［2］。

3 定子電流限制和定子繞組過負(fù)荷保護(hù)配合

3.1 配置說明

定子電流限制采用定時限限制特性，為防止在進(jìn)相運(yùn)行時定子電流限制和欠勵限制的影響，取消進(jìn)相運(yùn)行時的定子電流限制功能，僅在滯相運(yùn)行時當(dāng)定子電流超過限制定值1.2In，定時20 s 動作減少勵磁電流。

發(fā)電機(jī)定子繞組過負(fù)荷保護(hù)分為定時限保護(hù)和反時限保護(hù)，TA 變比12 000／1。其中定時限整定值為0.74 A（換算為1.11In），定時9 s 動作報警。反時限保護(hù)特性方程，下限動作電流0.78 A（換算為1.17In），延時112.2 s 動作全停，反時限上限時間定值為0.5 s，折算上限整定電流值為5.8 A（8.72In）。

3.2 匹配性分析

根據(jù)勵磁限制和保護(hù)配置，取11 個關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)的定子電流限制和定子繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)，如表4 所示。

可見當(dāng)定子電流達(dá)到1.11In時，發(fā)電機(jī)定子過負(fù)荷定時限保護(hù)延時9 s 報警；當(dāng)定子電流達(dá)到1.17In，反時限保護(hù)延時112.2 s 跳閘；而定子電流達(dá)到1.2In時，勵磁定子電流限制才定時20 s 減少勵磁電流。保護(hù)先于限制動作，配合有問題。而且保護(hù)和允許能力曲線出現(xiàn)了交叉，交叉點(diǎn)為1.213 8In，定子電流在1.17In～1.213 8In范圍內(nèi)，保護(hù)在允許能力以外，配置不合理。

3.3 改進(jìn)措施

3.3.1 定子電流限制重新整定

定子電流限制采用定時限特性已寫入調(diào)節(jié)器內(nèi)部程序中，且受汽輪機(jī)功率限制有些勵磁調(diào)節(jié)器中不設(shè)置定子電流限制。建議將定子電流限制整定為1.17In，定時20 s，確保勵磁限制先動作。

3.3.2 發(fā)電機(jī)定子繞組過負(fù)荷保護(hù)重新整定

由于熱容量系數(shù)C 及散熱系數(shù)Ksr可整定調(diào)整，可采取2 種整定方案。

表4 定子電流限制和定子繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)對比

方案Ⅰ：不考慮繞組的散熱效應(yīng)，在考慮裕度后熱容量系數(shù)取37.5。此時，可見始終小于定子允許能力。定時限和反時限動作整定值均不變。

方案Ⅱ：考慮繞組的散熱效應(yīng)取Ksr=1.02 不變，求取C 值。按照在反時限動作下限電流1.17In時t允＝t保，計算，得C=36.5，保護(hù)特性為，定時限和反時限動作整定值均不變。

3.3.3 整定后匹配性分析

根據(jù)限制和保護(hù)整定方案，取10 個關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)的定子電流限制和定子繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)，如表5 和圖2 所示。

勵磁定子電流限制始終先于保護(hù)先動作，并且限制和保護(hù)都在發(fā)電能力允許范圍內(nèi)；方案Ⅰ和方案Ⅱ交叉點(diǎn)為1.586In，電流為1.17In～1.586In時方案Ⅱ更接近能力曲線，可充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)的過載能力，電流超過1.586In時方案Ⅱ又能更快動作以保護(hù)發(fā)電機(jī)；另外考慮散熱系數(shù)可防止保護(hù)裝置受熱造成誤動，因此建議采用方案Ⅱ的保護(hù)特性。

表5 改進(jìn)后的定子電流限制和改進(jìn)后的定子繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力數(shù)據(jù)對比

圖2 定子電流限制和定子繞組過負(fù)荷保護(hù)及允許能力趨勢

4 欠勵限制和發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)配合

4.1 配置說明

欠勵限制為5 點(diǎn)組合成的4 段折線型，有功部分給定為0、0.25Pn、0.50Pn、0.75Pn、Pn，對應(yīng)的無功定值為-0.3Sn、-0.25Sn、-0.2Sn、-0.15Sn、-0.1Sn，勵磁調(diào)節(jié)器中只能修改對應(yīng)的無功定值。一旦檢測到發(fā)電機(jī)越過低勵限制曲線，瞬時立即增加勵磁電流，直到離開限制區(qū)。

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)采用定子側(cè)異步阻抗圓（圖3），并與轉(zhuǎn)子低電壓（0.8Ufo和變勵磁電壓判據(jù)）、機(jī)端低電壓（0.85Un）、系統(tǒng)低電壓（0.9Usn）組合構(gòu)成3 段失磁保護(hù)。I 段由阻抗+轉(zhuǎn)子低電壓+系統(tǒng)低電壓構(gòu)成，延時0.5 s 全停；II 段由阻抗+轉(zhuǎn)子低電壓+機(jī)端低電壓構(gòu)成，延時0.8 s 全停；III 段單獨(dú)由阻抗判據(jù)構(gòu)成，延時1.5 s 程跳。

圖3 定子異步阻抗圓

異步阻抗圓的整定一次值為：

失磁異步阻抗動作方程為

4.2 匹配性分析

將失磁保護(hù)曲線由R-X 平面映射至低勵限制P-Q 平面。

當(dāng)不考慮進(jìn)相導(dǎo)致機(jī)端電壓降低，電壓取額定電壓時，表達(dá)式為

當(dāng)進(jìn)相運(yùn)行時，機(jī)端電壓的降低會使失磁保護(hù)曲線上移，即更容易導(dǎo)致失磁保護(hù)的動作，因此要考慮機(jī)端電壓降低的情況，按照機(jī)端電壓降低要求不低于0.95Un計算。表達(dá)式為

考慮到最嚴(yán)重情況，采用失磁保護(hù)“機(jī)端三相低電壓輔助判據(jù)整定的電壓0.85Un”進(jìn)行換算［3］，表達(dá)式為

根據(jù)失磁保護(hù)動作方程在0.85Un和0.95Un下對低勵限制的5 個功率值進(jìn)行點(diǎn)的折算，計算結(jié)果見表6，同時將該圓與低勵限制曲線映射到同一張P-Q 平面上，如圖4 所示。

圖4 低勵限制與失磁保護(hù)配合P-Q 曲線

表6 欠勵限制和失磁保護(hù)數(shù)據(jù)對比

由圖4 可知，隨著電壓的降低失磁保護(hù)曲線上移，在0.85Un下失磁保護(hù)仍然滿足在欠勵限制后動作。由于機(jī)組正在安裝調(diào)試期，未做過發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)，因此欠勵限制的合理性有待檢驗(yàn)及整定，可以根據(jù)進(jìn)相試驗(yàn)實(shí)測的進(jìn)相能力保留一定裕度來整定欠勵限制。因?yàn)閷?shí)測的進(jìn)相能力已經(jīng)綜合檢驗(yàn)了發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)極限、失磁保護(hù)、定子溫升以及廠用電壓等情況，在進(jìn)相能力范圍內(nèi)整定欠勵限制定值，既能保證與失磁保護(hù)配合的正確性，又能夠使機(jī)組在達(dá)到進(jìn)相能力前提前動作，防止機(jī)組運(yùn)行到進(jìn)相能力外的不安全區(qū)域，充分發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相能力［4］。如果實(shí)測的進(jìn)相能力與欠勵限制有交叉，可以在保留一定的裕度情況下參照考慮一定裕度低勵限制曲線整定低勵限制。

5 伏赫茲限制和發(fā)變組過激磁保護(hù)配合

5.1 配置說明

勵磁調(diào)節(jié)器的伏赫茲限制采用定時限動作特性，廠家設(shè)定值為1.1，延時5 s 動作減勵磁。

根據(jù)發(fā)電機(jī)和主變壓器提供的過激磁能力曲線（如圖5 和圖6 所示）整定［5］，發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)分為定時限保護(hù)和反時限保護(hù)，其中定時限保護(hù)為發(fā)信段，反時限保護(hù)由8 點(diǎn)定值組成反時限曲線，動作全停；主變過激磁保護(hù)分為定時限保護(hù)和反時限保護(hù)，其中定時限保護(hù)共分為2 段，1 段發(fā)信1 段跳閘，反時限特性由8 點(diǎn)定值組成反時限曲線，動作全停。具體定值如表7—表9 所示。

圖5 發(fā)電機(jī)過激磁能力曲線

圖6 主變壓器過激磁能力曲線

表7 伏赫茲限制定值

表8 發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)定值

表9 主變壓器過激磁保護(hù)定值

5.2 匹配性分析

伏赫茲限制器的整定值為1.1，高于發(fā)電機(jī)和主變過激磁保護(hù)定時限告警段定值1.06 和反時限下限定值1.07，伏赫茲限制要晚于發(fā)電機(jī)和主變壓器過激磁保護(hù)動作，配置錯誤。另外可知主變壓器過激磁能力強(qiáng)于發(fā)電機(jī)，因此發(fā)電機(jī)和主變壓器過激磁反時限保護(hù)中，在時間上發(fā)電機(jī)先于主變壓器動作。但是主變壓器過激磁保護(hù)定時限跳閘段，定值為1.15定時5 s 與反時限保護(hù)中定值1.15 延時100 s 的整定時間沖突，根據(jù)主變壓器過激磁能力曲線，主變壓器具有1.15 倍約270 s 的能力，因此定值設(shè)置有誤。

5.3 改進(jìn)措施

建議將伏赫茲限制器整定為1.06，定時5 s 減勵磁，早于發(fā)電機(jī)過勵磁報警及動作停機(jī)。主變壓器定時限跳閘段1.15 定時5 s 改為100 s，保持與反時限動作特性一致；或者將此控制字投0，取消定時限跳閘段。建議改進(jìn)的限制和保護(hù)如圖7 所示。

圖7 伏赫茲限制與發(fā)電機(jī)和主變壓器過激磁保護(hù)趨勢

6 結(jié)語

就勵磁限制和發(fā)電機(jī)保護(hù)之間的配合合理性進(jìn)行了分析驗(yàn)算，并對發(fā)現(xiàn)存在的勵磁限制問題和發(fā)電機(jī)保護(hù)整定問題，給出了相應(yīng)的建議措施和具體的計算過程，為后續(xù)的機(jī)組安全調(diào)試及運(yùn)行提供參考。