T35保護與發電機轉子過負荷能力配合分析

周道軍

（1.神華國華太倉發電有限公司，江蘇省太倉市，215433；2.神華國華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽區，100025）

發電機組轉子過負荷綜合能力關系到發電機的電壓安全以及用電安全，并且影響電網的功角穩定、電壓穩定，是網源協調的一個重要支撐因素。

發電機轉子過負荷能力與轉子過負荷保護二者之間的匹配原則應遵循：“轉子過負荷保護定值小于轉子過負荷能力”。轉子過負荷保護定值與發電機轉子過負荷能力之間應留合理級差。若轉子過負荷保護定值過大，則不利于機組安全；若保護定值過小，系統故障時可能導致機組過早跳機，不利于電網安全穩定運行。

2012年2 月，國調中心印發了 《關于開展并網機組網源協調重要參數專項核查工作的通知》，2013年4月中國電力科學研究院對全網范圍內近1150臺大容量機組完成核查，其中火電600 MW以上 （含）、水電50 MW 以上 （含）、燃機100 MW 以上 （含）共664 臺。核查報告顯示，系統內多臺發電機轉子過負荷能力與過負荷保護之間協調配合關系不滿足規程要求。由于生產廠家提供的過負荷保護曲線與發電機組轉子過負荷能力曲線不一致，在定值整定計算時，若保護特性曲線選擇不當，兩者之間極易發生不匹配現象。本文以T35保護為例展開分析。

1 過負荷保護整定技術要求

1.1 轉子過負荷能力技術要求

規程規定：汽輪發電機轉子繞組應具備下列規定的過負荷能力 （時間為10～120s）。

式中：I＊——轉子電流標幺值；

t——時間，s。

1.2 繼電保護整定計算要求

《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》附錄D 說明，“實際應用時，可以近似認為勵磁繞組的過負荷特性與過電壓能力相同”。

轉子過負荷保護由定時限和反時限兩部分組成。

1.2.1 定時限過負荷保護

動作電流按正常運行額定勵磁電流下能可靠返回的條件整定。

式中：Krel——可靠系數，取1.05；

Kr——返回系數，取0.85～0.95，條件允許應取較大值；

na——電流互感器變比；

I-——交流側額定勵磁電流，A。

1.2.2 反時限過負荷保護

反時限過負荷倍數與相應允許持續時間的關系曲線，由制造廠家提供的轉子繞組允許過熱條件決定。

最大動作時間對應的最小動作電流，按與定時限過負荷保護相同條件整定。

反時限動作特性上限動作電流與強勵頂值倍數匹配。如果強勵倍數為2倍，則在2倍額定勵磁電流下持續時間達到允許持續時間時，保護動作是跳閘。當小于強勵頂值而大于過負荷允許電流時，保護按反時限特性動作。

1.3 國產發電機轉子繞組過負荷能力

以上海發電機廠生產的QFSN 型600～660 MW水氫氫汽輪發電機為例，轉子繞組具有規定的短時過電壓能力：勵磁電壓為208%、146%、125%、112%時，過電壓時間分別為10s、30s、60s、120s。

2 過負荷保護返回系數Kr 的選擇

轉子反時限過負荷保護啟動電流Ipickup按與定時限過負荷保護相同的條件整定，如式 （2），取Ipickup=Iop，則有：

式中：Ipickup——轉子反時限過負荷保護啟動電流；

Ipu——輸入電流，A；

K ——過電流倍數。

式（3）中返回系數Kr的選擇影響T35 過負荷保護動作曲線協調配合關系，其選擇應考慮下列原則：

（1）返回系數Kr取0.85～0.95，條件允許應取較大值。

綜上所述，整定計算時宜取Kr=0.95。

3 T35過負荷保護特性曲線分析

3.1 T35保護曲線分類

GE T35 發電機過負荷保護提供了IEEE（IEEE Extremely Inverse、IEEE Very Inverse、IEEE Moderately Inverse）、IEC （IEC Curve A、IEC Curve B、IEC Curve C、IEC Short Inverse）和IAC （IAC Extremely Inverse、IAC Very Inverse、IAC Inverse、IAC Short Inverse）標準共11條特性曲線，另外，還提供了I2t和用戶自定義FlexLogicTM（FlexCurve A、FlexCurve B）特性曲線，共計14條特性曲線。

3.2 IEEE特性曲線分析

（1）曲線方程為：

式中：T——動作時間，s；

TDM——時間刻度倍數；

A、B、p——常數。

（2）IEEE 反時限曲線常數。IEEE 反時限曲線常數如表1所示。

表1 IEEE反時限曲線常數

（3）與轉子過負荷能力對比分析。規程規定，當勵磁系統頂值電壓倍數大于2倍時，勵磁系統頂值電流倍數為2倍。勵磁系統允許頂值電流持續時間不低于10s。按照與勵磁系統頂值電流允許持續時間配合，取2 倍勵磁頂值電流時動作時間為10.20s來計算TDM 值，同時取返回系數Kr=0.95，根據式 （4）分別計算3條IEEE 特性曲線在不同過負荷情況下的動作時間，并與發電機轉子過負荷能力對比，如表2所示。

表2 IEEE曲線與發電機轉子過負荷能力對比表

表2反映出IEEE Extremely Inverse和IEEE Very Inverse 曲 線 在1.46 倍 及 其 以 下、IEEE Moderately Inverse曲線在1.17倍及其以下過負荷階段，保護動作時間已經超出發電機轉子繞組過負荷能力要求，如圖1所示，此時機組過負荷運行可能會造成轉子繞組線圈絕緣損壞事故的發生。

圖1 發電機過負荷能力與IEEE特性配合曲線

3.3 IEC特性曲線分析

（1）曲線方程為：

式中：K、E——常數。

（2）IEC反時限曲線常數。IEC反時限曲線常數如表3所示。

表3 IEC反時限曲線常數

（3）與發電機轉子過負荷能力對比分析。按照與勵磁系統頂值電流允許持續時間配合，取2倍勵磁頂值電流時動作時間為10.20s來計算TDM 值，取返回系數Kr=0.95，根據式 （5）分別計算4條IEC特性曲線在不同過負荷情況下的動作時間，并與發電機轉子過負荷能力對比，如表4所示。

圖2 發電機過負荷能力與IEC特性配合曲線

表4反映出IEC Curve C 曲線在1.46倍及其以下、其他3 條曲線在1.2 倍及其以下過負荷階段，保護動作時間已經超出發電機轉子繞組過負荷能力要求，如圖2所示，此時機組過負荷運行可能會造成轉子繞組線圈絕緣損壞的事故發生。

3.4 IAC特性曲線分析

（1）曲線方程為：

式中：G、H、J、K、L——常數。

（2）IAC 反時限曲線常數。IAC 反時限曲線常數如表5所示。

（3）與發電機轉子過負荷能力對比分析。按照與勵磁系統頂值電流允許持續時間配合，取2倍勵磁頂值電流時動作時間為10.20s來計算TDM 值，取返回系數Kr=0.95，根據式 （6）分別計算4條IAC特性曲線在不同過負荷情況下的動作時間，并與發電機轉子過負荷能力對比如表6所示。

表6反映出只有IAC Inverse曲線在1.17倍及其以下過負荷時，保護動作時間超出發電機轉子繞組過負荷能力要求，其他3條曲線均滿足與轉子繞組過負荷能力曲線配合要求，如圖3 所示。圖中IAC Very Inverse和IAC Short Inverse曲線顯示在機組過負荷初期保護動作時間與發電機過負荷能力曲線級差較大，沒有充分發揮發電機轉子繞組過負荷能力，該區間機組過負荷運行將會過早的切除發電機組。

表4 IEC曲線與發電機轉子過負荷能力對比表

表5 IAC反時限曲線常數

表6 IAC曲線與發電機轉子過負荷能力對比表

圖3 發電機過負荷能力與IAC特性配合曲線

4 結論

通過上述分析，GE T35裝置定時限過負荷保護整定計算時返回系數Kr宜取較大值，即Kr=0.95，這樣能消除過負荷保護死區，對保護發電機安全運行最有利。

T35轉子反時限過負荷保護中有8條特性曲線不滿足與轉子過負荷能力協調配合關系，包括3條IEEE曲線、4 條IEC 曲 線 和4 條IAC Inverse曲線。另外3條IAC 曲線與發電機轉子過負荷能力滿足協調配合關系，其中IAC Extreme Inverse特性曲線動作時間與發電機轉子過負荷能力曲線級差始終保持最合理的關系，是最優的協調配合關系曲線。它充分發揮了發電機轉子繞組過負荷限制能力，能在全范圍內保護發電機組過負荷運行時的安全，并留有合理的配合級差，且有利于下一級勵磁系統過勵限制保護定值整定計算。IAC Extreme Inverse與發電機轉子過負荷能力配合關系如圖4所示。

圖4 發電機過負荷能力與保護配合曲線