水輪發電機低勵限制與失磁保護整定配合研究與試驗

劉喜泉，謝燕軍，陳小明，畢欣穎，封孝松（. 溪洛渡水力發電廠，云南 永善 657300；. 國電南瑞科技股份有限公司，南京 06）

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水輪發電機低勵限制與失磁保護整定配合研究與試驗

劉喜泉1，謝燕軍2，陳小明1，畢欣穎1，封孝松1
（1. 溪洛渡水力發電廠，云南 永善 657300；2. 國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

[摘要]本文以溪洛渡電站為例，從理論上分析了水輪發電機低勵限制與失磁保護整定值的配合情況，得出低勵限制先于失磁保護動作，并通過發電機的進相試驗也進一步驗證了發電機低勵限制先于失磁保護動作。這充分證明了發電機低勵限制與失磁保護整定配合的正確性。

[關鍵詞]水輪發電機；低勵限制；失磁保護；整定配合

0　引言

勵磁系統的低勵限制與發電機的失磁保護的配合關系是否正確，尤為重要，同時也是網源協調的一項重要內容。低勵限制又稱為P/Q限制或欠勵限制，低勵限制動作方程采用P-Q坐標平面進行描述，而失磁保護阻抗圓動作方程采用R-X阻抗坐標平面描述，低勵限制與失磁保護間無法直觀地比較兩者之間的配合關系。依據相關技術標準[1]，低勵限制要先于失磁保護動作，但標準中沒有給出二者之間的配合方法。因此本文以溪洛渡電站低勵限制與失磁保護整定值間的配合關系為例，對水輪發電機的低勵限制與失磁保護整定配合進行了研究與試驗。溪洛渡電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江峽谷河段。左、右岸地下電站各裝設9臺最大功率為770MW的水輪發電機組，最大總裝機容量13860MW，年發電量571.2～640.6億千瓦時。溪洛渡電站作為我國第二大水電站，世界第三大水電站。

1　低勵限制與失磁保護整定配合分析

1.1低勵限制與失磁保護的整定

勵磁低勵限制整定為：在發電機進相運行時，通過設定P-Q低勵限制值，使發電機運行在P-Q曲線安全范圍內[1]，低勵限制如圖1所示。

失磁保護的主要判據有如下三項[2]：

（1）定子低電壓判據：一般取母線三相電壓或發電機機端三相電壓。TV斷線時閉鎖本判據。

（2）定子側阻抗判據：阻抗特性：可為異步邊界阻抗圓特性或靜穩極限阻抗圓特性。阻抗電壓取發電機機端正序電壓，電流量取發電機機端正序電流。靜穩極限阻抗圓特性判據：由輸入系統的有功、無功和靜穩極限邊界條件求出機端測量阻抗，它的變化軌跡就是靜穩極限阻抗圓；根據發電機機端正序電壓和機端正序電流計算機端阻抗，當阻抗進入靜穩極限阻抗圓，失磁保護動作。

（3）轉子側判據：轉子低電壓判據，發電機勵磁變電壓判據。

溪洛渡左、右岸電站均是9臺發電機組并聯運行，單臺機組失磁很難導致并聯母線電壓降低，但會導致故障機組機端電壓降低，因此溪洛渡電站失磁保護定子側低電壓判據采用發電機機端三相電壓判據。其中定子低電壓判據整定值為0.85p.u.，而勵磁運行最低電壓值整定為0.9p.u.，失磁保護定子低電壓判據與勵磁運行低電壓非常便于比較。

失磁阻抗整定圓的選擇取決于發電機與系統聯系的緊密程度，異步邊界阻抗圓動作判據主要用于與系統聯系緊密的發電機，廣泛被國內外應用于位于負荷中心、單機容量不大的發電廠；而靜穩極限阻抗圓主要用于與系統聯系不緊密的發電機，當發電廠遠離負荷中心且單機容量較大時宜采用靜穩阻抗圓[2, 3]。

水電站一般與系統聯系比較薄弱，水輪發電機失磁保護宜選用靜穩阻抗圓。為了躲開發電機出口經過渡電阻的相間短路，以及躲開發電機正常進相運行，增加無功反向輔助判據[4]。因此，溪洛渡電站失磁保護定子側阻抗判據為靜穩阻抗圓加無功反向判據相結合，如圖2所示。因水輪發電機（包括大型汽輪發電機）的Xd≠Xq，靜穩極限阻抗曲線由R-X平面向P-Q平面轉化較為復雜，本文重點分析將低勵限制整定值由P-Q平面向R-X平面轉化。

圖1　勵磁運行低勵限制示意圖

1.2低勵限制與失磁保護整定配合

低勵限制整定值從P-Q平面向R-X平面的映射：發電機機端測量阻抗[5, 6]可表達為：

式中：U為發電機機端電壓；P為發電機有功功率；Q為發電機無功功率。

由此可得：

式中：R為發電機機端測量電阻X：發電機機端測量電抗。

圖2　失磁保護靜穩極限阻抗曲線

根據式（2）和式（3）可將設定的低勵限制定值從P-Q平面轉化到R-X平面。利用微軟Excel 軟件繪制出低勵限制定值在R-X平面的映射曲線，與失磁保護阻抗定值曲線比較相對位置，即可確定二者配合是否合理。二者在R-X平面上合理的配合關系應是低勵限制曲線，應該完全在靜穩極限阻抗圓之外。溪洛渡電站勵磁系統的低勵限制值如表1所示，依據溪洛渡電站失磁保護定值如表2所示，利用繼電保護測試儀等設備進行測試，得出溪洛渡電站失磁保護靜穩極限阻抗部分值如表3所示，無功失磁保護整定值配合情況如圖3所示。反向整定值為10%。通過計算將低勵限制值轉化至R-X平面后，溪洛渡電站低勵限制與失磁保護整定值配合情況如圖3所示。

圖3　溪洛渡電站低勵限制與失磁保護整定配合

表1　溪洛渡電站勵磁低勵限制整定值

表2　溪洛渡電站失磁保護整定值

表3　溪洛渡電站失磁保護靜穩極限阻抗值

2　低勵限制與失磁保護整定配合試驗

依據進相試驗相關標準[7]，對溪洛渡電站機組做了進相試驗，在進相試驗過程中，一方面測試了發電機的進相能力，另一方面也驗證了低勵限制與失磁保護的配合情況。在進相試驗過程中，每次到達低勵限制值時，勵磁低勵限制首先瞬時動作，待臨時閉鎖低勵限制后進一步進相，至進相限制條件后停止進相，具體進相數據如表3所示。通過進相試驗，也驗證了溪洛渡電站低勵限制整定值與失磁保護整定值之間存在一定的安全裕度，同時也進一步驗證了低勵限制與失磁保護整定值配合的正確性。

3　結語

通過理論分析，將水輪發電機的低勵限制與失磁保護整定值映射在同一個平面內，可以看出低勵限制與失磁保護整定配合的正確性，且同時證明了失磁保護動作區與低勵限制之間存在著一定的安全裕度，滿足低勵限制先于失磁保護動作要求，并通過發電機進相試驗也驗證了水輪發電機的低勵限制與失磁保護整定配合的正確性。

表3　溪洛渡電站14F進相試驗情況

圖4　溪洛渡電站低勵限制與失磁保護配合試驗

[參 考 文 獻]

[1] GB/T 7409.3-2007, 大、中型同步發電機勵磁系統技術要求[S].

[2] DL/T684-2012, 大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則[S].

[3] 王維儉. 電氣主設備繼電保護原理與應用（第二版）[M]. 中國電力出版社．

[4] 陳俊, 劉洪, 嚴偉, 等. 大型水輪發電機組保護若干技術問題探討[J]. 水電自動化與大壩監測, 2012, 36(4): 41-44．

[5] 賈文雙, 岳雷, 措姆, 等. 發電機失磁保護與低勵磁限制的配合方法[J]. 華北電力技術, 2013(1): 11-13．

[6] 劉偉良, 荀吉輝, 薛瑋. 發電機失磁保護與低勵限制的整定配合[J]. 電力系統自動化, 2008, 32(18): 77-80．

[7] Q / GDW 746-2012, 同步發電機進相試驗導則[S].

劉喜泉（1980-），碩士研究生，主要從事電氣二次設備維護與研究工作，高級工程師。

審稿人：李金香

Research and Practice in Matching Setting of Low Excitation Limit and Loss -of-Excitation Protection for Hydro Generator

LIU Xiquan1, XIE Yanjun2, CHEN Xiaoming1, BI Xinying1, FENG Xiaosong1
(1. Xiluodu Hydropower Plant, Yongshan 657300, China; 2. NARI Technology Co., Ltd, Nanjing 211106, China)

Abstract:Take Xiluodu power station as an example, this paper is analyzed on the matching setting of Low Excitation Limit and Loss -of-Excitation Protection for Hydro Generator in theory. The result is that Low Excitation Limit will act earlier than Loss-of-Excitation Protection for hydro generator by the unit test of leading phase. As result, the setting of Low Excitation Limit and Loss -of-Excitation Protection for hydro generator is correct.

Key words:hydro generator; low excitation limit; loss -of-excitation; matching setting

[作者簡介]

[收稿日期]2015-05-26

[中圖分類號]TM312

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-3983(2016)01-0059-03