發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與低勵(lì)限制配合策略研究

肖 明 ，孫承海 ，羅 敏 ，汪鳳月 ，李絢絢

（1.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810000；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；3.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海 西寧 810000）

0 引言

發(fā)電廠機(jī)組工作中，低勵(lì)磁狀態(tài)運(yùn)行時(shí)有發(fā)生，如電網(wǎng)負(fù)荷較低，同時(shí)投入的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置不足以降低系統(tǒng)電壓時(shí)，需要發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行降低系統(tǒng)電壓；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障引起勵(lì)磁電流急速下降，導(dǎo)致機(jī)組低勵(lì)磁運(yùn)行；系統(tǒng)電壓驟升時(shí)，機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)快速響應(yīng)自動(dòng)降低勵(lì)磁［1］。當(dāng)發(fā)電機(jī)組因?yàn)樯鲜鲈蜻\(yùn)行在低勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)，低勵(lì)限制功能啟動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)增加勵(lì)磁輸出，使得機(jī)組回到正常運(yùn)行工況，當(dāng)機(jī)組勵(lì)磁電流過(guò)低時(shí)，失磁保護(hù)也會(huì)動(dòng)作。失磁保護(hù)和低勵(lì)限制之間配合，有著明確的要求，二者之間合理、科學(xué)配合能防止發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)誤動(dòng)作，降低機(jī)組非故障停機(jī)率。《國(guó)家電網(wǎng)公司網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理規(guī)定》要求發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值應(yīng)與勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制配合，保證后者先于失磁保護(hù)動(dòng)作。

由于失磁保護(hù)一般基于R－X平面整定，低勵(lì)限制一般基于P－Q平面整定，為了核算兩者之間的配合關(guān)系，就要采用坐標(biāo)變換的方法，將兩者的整定方法統(tǒng)一歸算到R－X平面或者P－Q平面［2-3］。由于將低勵(lì)限制定值從P－Q平面歸算到R－X平面操作起來(lái)不方便，因此采用將失磁保護(hù)定值從R－X平面歸算到P－Q平面的方法。

1 阻抗動(dòng)作方程歸算方法

假設(shè)失磁保護(hù)阻抗圓基于R－X坐標(biāo)平面整定，且圓心為（R0，X0），半徑為 r，阻抗圓可以用式（1）表 示［4-5］

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況在阻抗圓外部時(shí)可以穩(wěn)定運(yùn)行，在阻抗圓內(nèi)部時(shí)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)I為發(fā)電機(jī)機(jī)端電流，將代入式（1），可得

把有功功率P=UIcosφ，無(wú)功功率Q=UIsinφ，帶入式（2）整定歸納。

由上述公式推導(dǎo)可知，失磁保護(hù)阻抗圓一般為靜穩(wěn)極限圓或者異步圓，因此都可以將R－X平面映射到P－Q平面。

2 異步阻抗圓歸算方法

當(dāng)失磁保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為異步阻抗圓時(shí)，設(shè)其圓心為（R0，X0），半徑為 r，則有

由異步圓的相關(guān)特性能夠得出：r2＜X20，將式（6）、（7）帶入式（5）可得

式 （8）完成了失磁保護(hù)異步圓從R－X平面到P－Q坐標(biāo)平面的歸算，失磁保護(hù)異步圓歸算到P－Q 坐標(biāo)平面后，圓心為半徑為，圓內(nèi)為失磁保護(hù)的動(dòng)作區(qū)。

3 靜穩(wěn)阻抗圓歸算方法

當(dāng)失磁保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為靜穩(wěn)阻抗圓時(shí)，設(shè)其圓心為（R0，X0），半徑為 r，則有

式中：Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗；Xe=Xt+Xs，為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的聯(lián)系電抗。

由靜穩(wěn)圓的相關(guān)特性能夠得出：r2＞X20，將式（9）、（10）帶入式（3）可得

式（11）完成了失磁保護(hù)靜態(tài)圓從R－X平面到P－Q坐標(biāo)平面的歸算，失磁保護(hù)靜穩(wěn)圓歸算到P－Q 坐標(biāo)平面后， 圓心為半徑為，圓外為失磁保護(hù)的動(dòng)作區(qū)。

考慮靜穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)、可靠系數(shù)、參數(shù)誤差等因素，可以將靜穩(wěn)圓的P軸坐標(biāo)值（有功值）和對(duì)應(yīng)的Q軸坐標(biāo)值（無(wú)功值）除以1.2，就可以得到保留裕度后的靜穩(wěn)阻抗圓。同時(shí)根據(jù)Q／GDW 746—2012《同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)導(dǎo)則》中進(jìn)相試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)端電壓的要求，機(jī)端電壓U也應(yīng)該取額定機(jī)端電壓0.9 倍［6-7］。

4 實(shí)例分析

某熱電廠一臺(tái)機(jī)組相關(guān)參數(shù)為：額定視在功率SN=412 MVA，額定有功功率PN=350 MW，額定機(jī)端電壓 UN=20 kV，Xd=2.171 4，X′d=0.233 5，機(jī)端 TV 變比nv=200，機(jī)端TA變比nA=3 000。

由該機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)報(bào)告，得到低勵(lì)限制曲線如表1所示。

表1 低勵(lì)限制曲線

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)判據(jù)為異步阻抗圓，該異步圓的上下邊界分別為Xa=-1.7 Ω，Xb=-33.3 Ω，如圖 1所示。

圖1 某電廠失磁保護(hù)異步阻抗圓

先將各有名值轉(zhuǎn)化為標(biāo)幺值。發(fā)電機(jī)的基值阻抗

圓心坐標(biāo)為

半徑為

考慮到該電廠發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)機(jī)端電壓不低于額定電壓的0.95，取U=0.95。

根據(jù)式（8），異步阻抗圓映射到功率平面的圓心坐標(biāo)和半徑分別為

將發(fā)電機(jī)同步電抗、主變短路阻抗和系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值換算為以412 MVA為基礎(chǔ)的標(biāo)幺值

結(jié)合式（11），同時(shí)取機(jī)端電壓U為額定機(jī)端電壓的0.9倍，可得靜穩(wěn)圓的圓心和半徑分別為

考慮一定的靜穩(wěn)儲(chǔ)備，可以將上述靜穩(wěn)圓的P、Q值除以1.2得到帶有裕度靜穩(wěn)阻抗圓。

至此，已經(jīng)將失磁保護(hù)異步阻抗圓、帶有裕度靜穩(wěn)阻抗圓從R－X平面歸算到了P－Q坐標(biāo)平面，如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)機(jī)組在進(jìn)相運(yùn)行的過(guò)程中低勵(lì)限制先于失磁保護(hù)動(dòng)作，勵(lì)限制曲線與失磁保護(hù)阻抗圓的配合完全滿足DL／T 1309—2013《大型發(fā)電機(jī)組涉網(wǎng)保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的要求。

圖2 勵(lì)磁限制、異步圓和靜穩(wěn)圓配合

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制和發(fā)變組失磁保護(hù)的配合問(wèn)題，從理論依據(jù)、歸算方法、計(jì)算步驟上進(jìn)行了論述。

推導(dǎo)的失磁保護(hù)阻抗圓從R－X平面到P－Q坐標(biāo)平面的歸算方法具有普遍意義，可以用于靜穩(wěn)阻抗圓、異步阻抗圓的歸算。如果失磁保護(hù)按圓特性整定時(shí)，優(yōu)先考慮將阻抗圓從R－X平面歸算到P－Q坐標(biāo)平面；當(dāng)失磁保護(hù)按非圓特性整定時(shí)，優(yōu)先考慮將低勵(lì)限制定值從P－Q坐標(biāo)平面歸算到R－X平面。

機(jī)組從失磁運(yùn)行到失穩(wěn)運(yùn)行最后到失步運(yùn)行的過(guò)程中，相應(yīng)的運(yùn)行工況是從低勵(lì)限制區(qū)移動(dòng)到失磁保護(hù)圓。因此，為了機(jī)組運(yùn)行的安全，要求低勵(lì)限制先于失磁保護(hù)動(dòng)作，在P－Q坐標(biāo)平面上，就是要求低勵(lì)限制曲線應(yīng)該處于失磁保護(hù)阻抗圓的上方。若失磁保護(hù)的判據(jù)為靜穩(wěn)阻抗圓，則應(yīng)考慮靜穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)、可靠系數(shù)、參數(shù)誤差等因素，將靜穩(wěn)阻抗圓留一定的裕度。

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