蘇家財　任更新　黃帆　馬紹郎　李繼平

摘 要：合理整定調(diào)相機勵磁裝置限制器定值，與調(diào)變組保護裝置對應的保護形成配合，才能充分發(fā)揮調(diào)相機在滯相、進相兩個方向的作用，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鑒于此，首先分析了勵磁限制器與調(diào)變組保護的配合要求，然后介紹了限制器與保護的配合整定原則和計算方法，以期為調(diào)相機勵磁系統(tǒng)定值整定提供參考和借鑒。

關鍵詞：調(diào)相機勵磁限制器；調(diào)變組保護；配合整定

中圖分類號：TM342? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0019-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.006

0? ? 引言

調(diào)相機，一種既可以發(fā)出無功（也稱“吐無功”），也可以吸收無功（也稱“吞無功”）的同步電機，它可以增加系統(tǒng)的短路容量和轉動慣量，受系統(tǒng)電壓和不對稱短路影響小，在系統(tǒng)暫態(tài)、動態(tài)過程中的調(diào)節(jié)性能好，其動態(tài)無功輸出能力可達額定容量的2倍以上，同時具備深度進相能力，可以有效解決無功支撐不足、系統(tǒng)電壓多變等系統(tǒng)性問題[1-2]。目前，已有大批量新一代300 Mvar、分布式50 Mvar調(diào)相機得到應用，它們在換流站、變電站、新能源區(qū)發(fā)揮著電網(wǎng)穩(wěn)定器的作用。未來，發(fā)展以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為主旋律，調(diào)相機在提供無功支撐、抑制過電壓、維持系統(tǒng)穩(wěn)定方面將發(fā)揮更大的作用。

調(diào)相機的功能發(fā)揮很大程度上取決于二次控制、保護系統(tǒng)工作情況，調(diào)相機暫態(tài)調(diào)節(jié)、吞吐容量和安全運行邊界受勵磁系統(tǒng)和調(diào)相機變壓器組保護（以下簡稱“調(diào)變組保護”）制約，如何在保證調(diào)相機充分發(fā)揮自身能力的同時，保障調(diào)相機安全，成為調(diào)相機應用實踐的焦點，其中調(diào)相機勵磁限制器與調(diào)變組保護的配合尤為重要。本文將以國內(nèi)一線調(diào)相機廠家生產(chǎn)的300 Mvar調(diào)相機和國內(nèi)一線勵磁廠家生產(chǎn)的PCS9410系列勵磁調(diào)節(jié)器為例，詳細介紹調(diào)相機勵磁裝置限制器與調(diào)變組保護在關鍵定值上的整定與配合。

1? ? 勵磁限制器與調(diào)變組保護配合要求

1.1? ? 調(diào)相機勵磁限制器

調(diào)相機勵磁限制器用于在調(diào)相機運行至接近安全邊界時，觸發(fā)限制器動作后將調(diào)相機往回拉，控制調(diào)相機運行回安全范圍。調(diào)相機勵磁限制器主要有無功功率低勵限制、磁場過流過熱限制、滯相定子電流限制、伏赫茲限制[3-4]。

1.2? ? 調(diào)變組保護

調(diào)變組保護用于調(diào)相機運行至超出安全邊界時，觸發(fā)保護動作后跳機和解列。由于保護動作后作用于跳機和解列，對系統(tǒng)安全運行的影響比較大，故除去與運行工況無關的本體故障和系統(tǒng)故障以外，在調(diào)相機暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行過程中，與勵磁系統(tǒng)控制相關的保護均需與勵磁限制器形成配合，主要包含調(diào)相機失磁保護、勵磁繞組過負荷保護、調(diào)相機定子過負荷保護、調(diào)相機過勵磁保護。

1.3? ? 配合原則

要保障調(diào)相機安全，需提前整定調(diào)變組保護的定值，確定安全運行邊界。一般根據(jù)調(diào)相機的管理和調(diào)度權限，由管理單位整定、管理和維護調(diào)變組定值。在保障調(diào)相機安全的前提下，要充分發(fā)揮調(diào)相機的調(diào)節(jié)能力和吞吐能力，起到穩(wěn)定器的作用，則需要勵磁限制器在調(diào)相機接近安全邊界時早于調(diào)變組保護動作，將調(diào)相機限制回安全范圍。故勵磁限制器與調(diào)變組保護配合的原則大致為：

（1）被監(jiān)視的模擬量一致、工況接近、功能原理相近、整定原則類似的勵磁限制器和調(diào)變組保護進行配合，對應關系為：無功功率低勵限制與調(diào)相機失磁保護，磁場過流過熱限制與勵磁繞組過負荷保護，滯相定子電流限制與調(diào)相機定子過負荷保護，伏赫茲限制與調(diào)相機過勵磁保護。

（2）勵磁限制器的啟動值和動作值小于對應的保護，限制器的動作時間小于對應的保護，保證勵磁限制器先于調(diào)變組保護動作，即勵磁限制器的動作曲線要小于調(diào)變組保護。

2? ? 勵磁限制器與調(diào)變組保護配合整定

2.1? ? 無功功率低勵限制調(diào)相機失磁保護

無功功率低勵限制用于限制調(diào)相機無功功率不低于整定值，防止調(diào)相機進入深度進相的非安全狀態(tài)，主要定值包含“無功功率低勵限值”和“無功低勵動作時間”。勵磁調(diào)節(jié)器實時監(jiān)測調(diào)相機無功功率，當無功功率小于“無功功率低勵限值”且持續(xù)時間達到“無功低勵動作時間”，則無功功率低勵限制動作，將調(diào)相機無功功率限制回整定值以上。

調(diào)相機失磁保護反映調(diào)相機勵磁回路異常引起的調(diào)相機異常運行，與勵磁無功功率低勵限制一樣，重點監(jiān)視調(diào)相機的無功功率進相運行情況，當調(diào)相機無功降低到接近不安全區(qū)域時，無功功率低勵限制器先動作，將調(diào)相機無功功率限制回安全范圍。如果限制器動作后異常工況繼續(xù)發(fā)展至保護動作值后，調(diào)變組保護再動作跳閘。

為發(fā)揮調(diào)相機具備的深度進相能力，調(diào)相機失磁保護只投入失磁Ⅱ段，需要與勵磁限制器配合的是逆無功功率判據(jù)，主要定值包含“逆無功功率Ⅱ段百分比”和“失磁Ⅱ段動作時間”，其中“失磁Ⅱ段動作時間”固定整定為2 s。

參照文獻[5]要求，300 Mvar調(diào)相機進相運行額定功率為-150 Mvar（即50%），故“無功功率低勵限值”應小于-150 Mvar。根據(jù)配合原則，勵磁限制器動作值應小于調(diào)變組保護，故“無功功率低勵限值”應小于-150 Mvar且大于“逆無功功率Ⅱ段百分比”對應的無功功率值。根據(jù)文獻[6]，“逆無功功率Ⅱ段百分比”取為調(diào)相機進相運行額定功率的1.1～1.2倍，一般取1.1倍，即55%，則對應的無功功率值為-165 Mvar，故“無功功率低勵限值”應整定在-150～165 Mvar，一般整定為-155 Mvar。根據(jù)配合原則，勵磁限制器動作時間應小于調(diào)變組保護，故“無功低勵動作時間”應小于2 s，考慮需要發(fā)揮調(diào)相機深度進相能力和抑制系統(tǒng)過電壓能力，一般整定為0.5 s。

2.2? ? 磁場過流過熱限制與勵磁繞組過負荷保護

磁場過流過熱限制是用于調(diào)相機勵磁電流超過其最大長期連續(xù)運行電流時對勵磁電流的限制，防止長時間過流導致過熱，損壞調(diào)相機勵磁繞組。勵磁繞組發(fā)熱與勵磁電流二次方和持續(xù)時間的乘積成正比關系，即勵磁電流及其允許運行時間成反時限特性曲線，如圖1所示。

當調(diào)相機勵磁電流超過啟動值時，熱容量計算方法如下：

[（if/ifN）²-1]×t=C（1）

式中：if為調(diào)相機實際勵磁電流值；ifN為調(diào)相機額定勵磁電流值；t為熱積累持續(xù)時間；C為熱容量。

調(diào)變組的勵磁繞組過負荷保護反映勵磁繞組的平均發(fā)熱狀況，熱積累原理與磁場過流過熱限制相同。故配合原則為磁場過流過熱限制的啟動值和熱容量均應小于勵磁繞組過負荷保護，涉及定值為勵磁限制“強勵限制啟動定值”應小于保護“勵磁反時限啟動電流”，勵磁限制“磁場熱容計算電流”和“磁場熱容計算時間”對應的熱容量應小于保護的“勵磁繞組熱容量”。

參照文獻[5]要求，勵磁系統(tǒng)在1.1倍額定勵磁電流工況下長期運行，故勵磁限制器啟動值應不小于110%。同時，文獻[6]規(guī)定，保護啟動值應根據(jù)調(diào)相機廠家實際過負荷曲線，按照調(diào)相機長期允許的勵磁過負荷能可靠返回的條件整定，故一般情況下，調(diào)變組勵磁反時限保護啟動值整定為114%，勵磁限制器啟動值應小于調(diào)變組保護啟動值，故參照火電機組整定原則[3]，強勵限制啟動定值一般取110%。文獻[5]規(guī)定，300 Mvar調(diào)相機勵磁繞組能夠耐受2.5倍額定勵磁電流，時間15 s，根據(jù)式（1）得出對應熱容量為：

C=（2.5²-1）×15=78.75

一般地，調(diào)變組勵磁反時限過流保護設置熱容量為78.75，考慮調(diào)變組保護與勵磁限制的配合，即勵磁限制器要先于調(diào)變組保護動作，所以勵磁熱容量取值小于調(diào)變組保護，一般取為0.9×78.75，即70.875。勵磁熱容量計算由“磁場熱容計算電流” “磁場熱容計算時間”決定，其中“磁場熱容計算電流”固定取值為200%，根據(jù)式（1），可計算出“磁場熱容計算時間”為：

t=70.875/（2²-1）≈23.63

故“磁場熱容計算電流”整定為200%，“磁場熱容計算時間”整定為23.63 s。

2.3? ? 滯相定子電流限制與調(diào)相機定子過負荷保護

滯相定子電流限制是用于調(diào)相機定子電流超過其最大長期連續(xù)運行電流時，對定子電流的限制，防止長時間過流導致過熱，損壞調(diào)相機定子繞組。滯相定子電流限制與磁場過流過熱限制一樣，隨發(fā)電機定子電流增加，動作時間反時限減少，其熱容量計算方法如下：

[（i_t/i_tN）²-1]×t=C（2）

式中：it為調(diào)相機實際定子電流值；itN為調(diào)相機額定定子電流值；t為熱積累持續(xù)時間；C為熱容量。

調(diào)變組的定子過負荷保護熱積累原理與滯相定子電流限制相同。故配合原則為滯相定子過流限制的啟動值和熱容量均應小于調(diào)相機定子過負荷保護，涉及定值為勵磁限制“定子過流啟動電流”應小于保護“定子反時限啟動電流”，勵磁限制“定子熱容計算電流”和“定子熱容計算時間”對應的熱容量應小于保護的“定子繞組熱容量系數(shù)”。

以華中地區(qū)300 Mvar調(diào)相機為例，調(diào)變組定子反時限保護啟動值整定為110%，勵磁限制器啟動值應小于調(diào)變組保護啟動值，故定子過流啟動電流一般取109%，即整定為9.439 kA。文獻[5]規(guī)定，300 Mvar調(diào)相機定子繞組能夠耐受3.5倍額定定子電流，時間15 s，根據(jù)式（2）得出對應熱容量為：

C=（3.5²-1）×15=168.75

一般地，調(diào)變組定子反時限過流保護設置熱容量為168.75，考慮調(diào)變組保護與勵磁限制的配合，即勵磁限制器要先于調(diào)變組保護動作，所以勵磁限制器的定子熱容量取值小于調(diào)變組保護，一般取為0.9×168.75，即151.875。勵磁定子熱容量計算由“定子熱容計算電流” “定子熱容計算時間”決定，其中“定子熱容計算電流”固定取值160%，根據(jù)式（2），可計算出“定子熱容計算時間”為：

t=151.875/（1.6²-1）≈97.36

故“定子熱容計算電流”整定為13.856 kA（160%），“定子熱容計算時間”整定為97.36 s。

2.4? ? 伏赫茲限制與調(diào)相機過勵磁保護

當伏赫茲比值超過安全范圍時，容易導致調(diào)相機及主變過激磁和過熱現(xiàn)象，因此當伏赫茲比值超出安全范圍時，必須限制機端電壓幅值，維持伏赫茲比值在安全范圍內(nèi)。伏赫茲（V/F）限制動作時間隨伏赫茲過激磁倍數(shù)增加而減小，呈反時限動作曲線，其動作時間曲線由多點時間定值（按伏赫茲比值等距分布）組成。

調(diào)相機過勵磁保護的動作原理和伏赫茲限制相同，故配合原則為相同的伏赫茲倍數(shù)下，伏赫茲限制動作時間要小于調(diào)相機過勵磁保護，即勵磁伏赫茲限制器多點組成的動作曲線應小于調(diào)變組保護過激磁保護多點組成的曲線。

以典型300 Mvar雙水內(nèi)冷調(diào)相機為例，其過勵磁保護和伏赫茲限制定值如表1所示。

由于每兩點之間的動作關系為線性直線，故可計算出伏赫茲限制在保護動作點對應的動作時間，以便進行直觀比較，如表2所示。

通過表1、表2數(shù)據(jù)對比可見，相同伏赫茲倍數(shù)下，伏赫茲限制器動作時間均小于過勵磁保護。另通過表1定值數(shù)據(jù)畫出伏赫茲限制和過勵磁保護對應的動作曲線，如圖2所示。

由圖2可見，伏赫茲限制器的動作曲線整體小于過勵磁保護動作曲線，即相同伏赫茲倍數(shù)下，伏赫茲限制先于保護動作，定值匹配。

3? ? 結語

在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，調(diào)相機將發(fā)揮越來越大的作用，而勵磁和保護定值的合理整定和配合，將決定調(diào)相機的功能能否充分發(fā)揮。在未來電網(wǎng)發(fā)展和應用過程中，調(diào)變組保護的定值會根據(jù)系統(tǒng)需要進行修改，對應地，勵磁限制器定值也要根據(jù)配合原則進行修改，以確保調(diào)相機在安全范圍內(nèi)充分發(fā)揮其在暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)等多種工況下的無功支撐功能和過電壓抑制功能。

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收稿日期：2023-01-09

作者簡介：蘇家財（1986—），男，重慶人，工程師，研究方向：發(fā)電廠控制保護、特高壓直流輸電、柔性交直流輸電。