二灘水電站低勵(lì)限制與失磁保護(hù)配合關(guān)系研究

季 杰，黃建瓊

（錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000）

0 引 言

二灘水電站是川渝電網(wǎng)的骨干電源網(wǎng)點(diǎn)，自1998年投運(yùn)以來其發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行12年，達(dá)到了繼電保護(hù)裝置使用壽命時(shí)限，現(xiàn)改造為南瑞RCS_985發(fā)變組保護(hù)裝置。鑒于GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》明確要求低勵(lì)限制能優(yōu)先于失磁保護(hù)動作，而國網(wǎng)公司發(fā)布的《發(fā)電廠并網(wǎng)安全性評價(jià)》也要求驗(yàn)證其配合關(guān)系，因此有必要對其進(jìn)行研究。

二灘水電站發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)由機(jī)端低電壓判據(jù)、定子側(cè)靜穩(wěn)極限阻抗圓判據(jù)、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓判據(jù)構(gòu)成，不同的判據(jù)分屬于不同的坐標(biāo)系，無法直觀地表達(dá)失磁保護(hù)與低勵(lì)限制的配合關(guān)系。雖然文獻(xiàn)[1]將失磁保護(hù)的定子阻抗圓判據(jù)映射到P-Q（有功-無功）坐標(biāo)系中研究其與低勵(lì)限制之間的關(guān)系，但并未對失磁保護(hù)的機(jī)端低電壓判據(jù)和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓判據(jù)進(jìn)行研究，本文將構(gòu)成失磁保護(hù)的3個(gè)判據(jù)統(tǒng)一映射到同一坐標(biāo)系中，以驗(yàn)證其配合關(guān)系。

1 低勵(lì)限制

1.1 水輪發(fā)電機(jī)功率限制曲線

水輪發(fā)電機(jī)根據(jù)發(fā)電機(jī)定子線棒、發(fā)電機(jī)端部、轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱和機(jī)組最大出力確定其功率允許運(yùn)行區(qū)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在功率限制曲線內(nèi)時(shí)，可保證機(jī)組有效部件的發(fā)熱量不超過允許值。

忽略發(fā)電機(jī)定子繞組電阻壓降，水輪發(fā)電機(jī)相量圖如圖1實(shí)線所示，其中U為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，I為定子電流，Id為定子電流直軸分量，Iq為定子電流交軸分量，Xd為直軸同步電抗，Xq為交軸同步電抗，E0為發(fā)電機(jī)空載電壓，Eq為發(fā)電機(jī)交軸電壓。在圖1中，延長Eq使AB=IXd，作平行線BC∥E0交OA于點(diǎn)C，以O(shè)C為直徑作圓交BC于點(diǎn)D，過Eq點(diǎn)作EqM⊥BC，垂足為點(diǎn)M，可以證明BM=（Xd-Xq） Id=E0-Eq， 因此 DB=E0。[2]

圖1 凸極同步發(fā)電機(jī)相量

在圖1的基礎(chǔ)上各邊分別乘以U/Xd，則三角形ABC可轉(zhuǎn)化為功率平面特征三角形，各線段代表含義見圖2中標(biāo)注。

圖2 功率平面特征三角形

由于E0=IfnXad，因此DB正比于Ifn，OA正比于空載額定勵(lì)磁電流If0，AB正比于機(jī)端電流Ign。以點(diǎn)A為功率坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立水輪發(fā)電機(jī)的功率限制曲線，如圖3所示。當(dāng)機(jī)端電壓低于額定電壓時(shí)，該功率曲線隨之等比例縮小。

1.2 二灘水電站發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制

二灘水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是ABB UNITROL5000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，該系統(tǒng)低勵(lì)限制單元包含了額定勵(lì)磁電流極限、額定定子電流極限、額定有功功率極限。由于二灘水電站在枯水期進(jìn)相運(yùn)行較汛期深，本文以枯水期為例進(jìn)行研究。

勵(lì)磁系統(tǒng)在自動模式時(shí)，起勵(lì)電流大于空載額定勵(lì)磁電流的20%，進(jìn)相運(yùn)行低勵(lì)限制為直線，由（550 MW， -50 MV·A） 和 （0 MW， -300 MV·A）兩點(diǎn)確定。定子電流限制曲線由發(fā)電機(jī)額定電流決定且不受機(jī)端電壓影響，轉(zhuǎn)子電流限制曲線由額定勵(lì)磁電流決定，由此可以確定P-Q功率限制曲線，如圖4所示。

圖3 功率限制曲線

圖4 PQ限制曲線

在機(jī)組運(yùn)行過程中，機(jī)組越過P-Q功率限制曲線時(shí)，計(jì)算機(jī)控制中心會發(fā) “P-Q曲線越限”報(bào)警信號，此時(shí)必須手動加勵(lì)磁以減輕進(jìn)相深度。

2 失磁保護(hù)與低勵(lì)限制配合關(guān)系

2.1 二灘水電站參數(shù)

二灘水電站總裝機(jī)容量3 300 MW，主廠房安裝6臺單機(jī)容量550 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，每臺發(fā)電機(jī)通過3臺容量214 MV·A的單相變壓器與500 kV系統(tǒng)相連，其主變壓器接線方式為YNd11，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)變壓器高阻接地。

失磁保護(hù)整定所需參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)的額定容量 612 MV·A，額定功率550.8 MW，額定電壓 18 kV，額定電流19 629 A，額定功率因數(shù)0.9，額定勵(lì)磁電壓318 V，額定勵(lì)磁電流2 709 A，空載勵(lì)磁電壓159.2 V，空載勵(lì)磁電流1 559 A，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)/時(shí)間2倍/10 s，直軸同步電抗0.996，交軸同步電抗0.71，升壓主變壓器容量3×214 MV·A，電壓550/18 kV，主變短路電壓標(biāo)幺值為0.15，系統(tǒng)聯(lián)系等值正序電抗標(biāo)幺值為0.008 0/0.011 4（大方式/小方式，容量基準(zhǔn)值100 MV·A）。

本文所有計(jì)算公式均采用以發(fā)電機(jī)額定容量、額定電壓為基值的標(biāo)幺值進(jìn)行計(jì)算分析，以單臺發(fā)電機(jī)為研究對象，失磁保護(hù)整定計(jì)算等值電路如圖5所示。

圖5 失磁保護(hù)等值電路

2.2 機(jī)端低電壓判據(jù)

失磁保護(hù)低電壓判據(jù)可選擇機(jī)端低電壓或者母線低電壓。高壓母線的三相電壓嚴(yán)重下降將破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)會導(dǎo)致低壓廠用電母線三相電壓嚴(yán)重下降引起電廠電機(jī)過流。二灘電廠六臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，一臺機(jī)組的失磁難以引起高壓母線的電壓下降，但會導(dǎo)致故障機(jī)組機(jī)端電壓過低，危及廠用電系統(tǒng)的正常工作，因此采用機(jī)端三相同時(shí)低電壓判據(jù)，其整定值如下

式中，Uop.3ph為機(jī)端三相同時(shí)低電壓定值；Ugn為發(fā)電機(jī)額定電壓；nv為機(jī)端PT變比。

為了將機(jī)端三相同時(shí)低電壓判據(jù)轉(zhuǎn)化到P-Q坐標(biāo)系，首先需計(jì)算出其阻抗特性。根據(jù)圖5所示等值電路圖，假定無窮大系統(tǒng)在單機(jī)失磁時(shí)系統(tǒng)電壓Us恒定不變，機(jī)端電壓為U，系統(tǒng)負(fù)荷為Zl，發(fā)電機(jī)出口測量阻抗為Z，則有

其中阻抗角均隨負(fù)荷變化而變化。

由式（4）可得失磁保護(hù)低電壓判據(jù)阻抗特性如下

根據(jù)二灘電站相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算，可計(jì)算出機(jī)端三相同時(shí)低電壓的機(jī)端阻抗特性如下

通過文獻(xiàn)[3]可知，在阻抗R-X坐標(biāo)系中，對于圓心為（0，X0）半徑為 R0的方程可表示為

映射到P-Q坐標(biāo)系的表達(dá)式為

由式（8）可得機(jī)端低電壓判據(jù)在P-Q坐標(biāo)系下的失磁軌跡為

由于低勵(lì)限制與失磁保護(hù)之間的關(guān)系位于發(fā)電機(jī)欠勵(lì)區(qū)，因此僅繪出欠勵(lì)磁區(qū)的軌跡，映射到PQ坐標(biāo)系的動作區(qū)如圖6所示。

圖6 機(jī)端低電壓P-Q坐標(biāo)系動作區(qū)

2.3 定子側(cè)判據(jù)

為兼顧失磁保護(hù)定子側(cè)判據(jù)的可靠性，選擇滴狀靜穩(wěn)阻抗圓作為失磁保護(hù)定子側(cè)判據(jù)時(shí)，應(yīng)與無功反向判據(jù)相結(jié)合，以消除阻抗平面一、二象限的動作區(qū)，防止靜穩(wěn)圓阻抗判據(jù)在非失磁工況下的誤動作。

系統(tǒng)聯(lián)系電抗包含升壓變壓器電抗，對應(yīng)于最小運(yùn)行方式，二灘水電站定子側(cè)判據(jù)整定如下

使用作圖法可以作出該判據(jù)在P-Q坐標(biāo)系的動作曲線[4]，如圖7所示。動作區(qū)位于曲線2的左側(cè)。

2.4 轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)

定子阻抗判據(jù)在某些非失磁故障時(shí)會發(fā)生誤動現(xiàn)象，為了彌補(bǔ)這一不足可增加轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)，轉(zhuǎn)子低電壓是失磁過程中電量變化的顯著特征之一，且能與多種非失磁故障相區(qū)分，因此二灘水電站增加轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)提高了失磁保護(hù)的可靠性[5]二灘水電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)的定勵(lì)磁低電壓判據(jù)沿用德國西門子公司的0.8Uf。發(fā)電機(jī)在重負(fù)荷下發(fā)生失磁故障時(shí)，定勵(lì)磁低電壓判據(jù)的整定值偏低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)比靜穩(wěn)極限判據(jù)動作要晚得多，這會嚴(yán)重危害系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此需增加定值隨功率變化的轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，以保證在各種工況下的配合關(guān)系。

圖7 定子側(cè)判據(jù)P-Q坐標(biāo)系動作區(qū)

勵(lì)磁低電壓判據(jù)整定如下

式中，Uf0為發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁電壓。

變勵(lì)磁電壓判據(jù)中對應(yīng)于某一有功P會有維持靜穩(wěn)極限所必須的勵(lì)磁電壓Uf.op與之對應(yīng)，動作判據(jù)如下

式中，Krel為可靠系數(shù)，取0.8；Ufo為發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁電壓；P為發(fā)電機(jī)當(dāng)前有功功率；Pt為發(fā)電機(jī)的凸極功率，由下式計(jì)算

由二灘水電站的參數(shù)和式（12）、（13）可計(jì)算出轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)如下

從P-Q功率圓推導(dǎo)過程可知，圖2中OA和DE以同一比例正比于U和E0。在派克標(biāo)幺值系統(tǒng)中Uf=E0，OA可以看作空載額定勵(lì)磁電壓Uf0，DB可以看作是產(chǎn)生E0的勵(lì)磁電壓Uf。將轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)映射到P-Q坐標(biāo)系的動作區(qū)如圖8所示，其中曲線3為定勵(lì)磁低電壓判據(jù)，曲線4為變勵(lì)磁低電壓判據(jù)，動作區(qū)位于曲線3、4左側(cè)。

由圖8可以看出，在重負(fù)荷下發(fā)生失磁故障時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)子變勵(lì)磁電壓判據(jù)曲線4的速度要比勵(lì)磁低電壓判據(jù)曲線3的速度更快。

2.5 失磁保護(hù)與低勵(lì)限制配合關(guān)系

通過失磁保護(hù)計(jì)算，已經(jīng)將失磁保護(hù)中的三個(gè)判據(jù)均轉(zhuǎn)換到P-Q坐標(biāo)系中，失磁保護(hù)三個(gè)判據(jù)為相與的關(guān)系，因此在P-Q坐標(biāo)系中，四條動作曲線的重疊區(qū)即為失磁保護(hù)動作區(qū)。

機(jī)組失磁時(shí)，發(fā)電機(jī)先進(jìn)入轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)，然后進(jìn)入發(fā)電機(jī)機(jī)端低電壓判據(jù)，最后進(jìn)入定子側(cè)判據(jù)，延時(shí)1.0 s動作出口切機(jī)。

圖8 轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)映射到PQ平面

圖9 低勵(lì)限制與失磁保護(hù)配合關(guān)系

3 結(jié) 論

本文通過將失磁保護(hù)的三個(gè)判據(jù)映射到同一PQ坐標(biāo)系中，驗(yàn)證了失磁保護(hù)定值整定的正確性，同時(shí)證明了失磁保護(hù)動作區(qū)與低勵(lì)限制之間存在著一定的穩(wěn)定裕度，滿足低勵(lì)限制優(yōu)先于失磁保護(hù)動作的關(guān)系。

［1］ 劉偉良，荀吉輝，薛瑋.發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與低勵(lì)限制的整定配合［J］.電力系統(tǒng)自動化， 2008， 32（18）:77-80.

［2］ 柳煥章.發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的原理及整定計(jì)算［J］.電力系統(tǒng)自動化， 2004， 28（14）:72-75.

［3］ 趙華，吳春紅.兩種坐標(biāo)系下發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制整定與失磁保護(hù)配合［J］.河南電力， 2010（3）:12-14.

［4］ DL/T 684—1999 大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則［J］.北京：中國電力出版社，2005.

［5］ 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2002:186-262.