發電機失磁保護定值與欠勵限制參數的校核方法

李 楠，馮 偉，王秀霞

(1.華電電力科學研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179;2.國網公司東北分部調度中心，遼寧 沈陽 110180;3.國網新源水電豐滿發電廠，吉林 吉林 132108)

1 隱極發電機勵磁調節器限制功能的整定原則

發電機運行容量圖表達了發電機在端電壓和冷卻介質溫度為額定值條件下，其有功功率和無功功率的關系。圖1表明發電機在不同的功率因數運行工況下，保證發電機長期安全運行的范圍。

圖1 發電機運行容量圖

1.1 發電機滯相運行勵磁調節器主要限制功能

隱極發電機滯相運行并保持冷卻介質溫度不變時，為了保證發電機定子、轉子繞組的溫升不超過允許值而造成過熱，其定子、轉子電流不得超過額定值。在發電機滯相區運行時，勵磁調節器限制器其主要限制包括轉子電流限制、定子電流限制、原動機出力限制。

1.2 發電機進相運行勵磁調節器主要限制功能

有功功率恒定發電機轉入進相運行時，此時發電機處于低勵磁狀態，內電勢降低，電磁轉矩減小，功角增大，發電機靜穩定裕度減小,易失去靜穩定。同時，發電機定子端部漏磁也趨于嚴重，損耗增加。進相運行容量由定子鐵芯端部過熱、靜態穩定極限或動態穩定極限三者中的最小限制確定。在發電機進相區運行時，勵磁調節器限制器其主要限制曲線包括靜穩容量限制曲線、欠勵限制曲線、最小勵磁電流限制曲線[1]。

2 勵磁調節器限制參數整定原則

根據勵磁系統相關國家及行業標準，要求勵磁調節器限制器應在發變組保護動作前起到限制作用。勵磁調節器主要利用附加功能環節，將發電機的定子電壓、電流、轉子電流等運行參數控制在允許范圍內，設定有過勵限制器、欠勵限制器、V/Hz限制器、定子電流限制器、最小電流限制器等[2]。

對于過勵限制、V/Hz限制、定子電流限制等應分別與發變組勵磁回路過負荷保護、發電機過激磁保護、定子回路過負荷保護相配合，其參數值不應大于相對應的保護，防止由于保護先動作，導致機組的停機事故，限制器則起不到應有的限制作用。但上述勵磁限制參數與發變組保護定值校核計算較為簡單，為相同單位下數值的比較。由于發電機失磁保護定值采用RX坐標系，欠勵限制參數采用PQ坐標系，兩者不在一個坐標系下核算較為復雜，因此本文主要針對發電機失磁保護與欠勵限制參數校核進行詳細的推導分析。

2.1 欠勵限制的整定原則

發電機失磁保護是指為防止發電機的勵磁突然全部消失或部分消失，使發電機進入異步運行狀態導致發電機轉子過熱而損壞的保護功能。失磁保護是根據發電機在不同的運行狀態和不同的系統故障時，其機端的測量阻抗是不同的。因此失磁保護是利用發電機定子參數的變化，如機端測量阻抗由第一象限進入第四象限和無功功率改變方向、機端電壓下降、功角δ增大、勵磁電壓降低等[3]。

欠勵限制器是勵磁調節器中一種電壓調節器的附加功能環節，在勵磁系統輸出電流減少時，防止發電機超越靜態穩定極限或超越由定子端部鐵芯發熱所要求的發電及容量。欠勵限制動作曲線是按發電機不同有功功率靜穩定極限及發電機端部發熱條件確定的[4]。

因此當發電機運行至進相區內時，應保證發電機勵磁欠勵限制器應在發變組失磁保護動作前起到限制作用。勵磁欠勵限制器定值參數可根據進相運行深度或靜穩極限進行整定。當依據靜穩極限值整定時，按靜穩定極限值留10%左右儲備系數整定，但不能超過制造廠提供的P-Q運行曲線[5]。本文不推薦按靜穩極限值進行整定欠勵限制器定值，因為如果欠勵限制器定值超過進相試驗深度進行整定，當系統進相運行時，如果發電機電壓及母線電壓過低，限制器不動作，起不到相應的限制作用。

依據阻抗原理的失磁保護和勵磁調節器欠勵限制存在一定的匹配關系，只有兩者定值匹配正確，才能防止失磁保護誤動作。但是阻抗型失磁保護是在發電機機端的RX測量阻抗圓平面上計算的，而勵磁調節器的欠勵限制PQ整定曲線是根據靜態穩定極限圓并結合系統無功儲備整定的，二者分別屬于不同的坐標系，無法直觀地校核它們之間的配合關系，為此，必須將欠勵限制PQ整定曲線轉化為低勵限制阻抗圓。

2.2 RX坐標系與PQ坐標系間的轉換

將發電機失磁保護動作方程為RX坐標平面映射至PQ平面，設失磁保護阻抗圓的圓心坐標為(0，X0)，半徑為R0，發電機有功功率為P，發電機無功功率為Q，發電機機端電壓為U，發電機定子電流為I，發電機功率因數角為φ，失磁保護圓內為動作區域，其方程為

(1)

(2)

(3)

分子分母同乘以I4，整理得：

(4)

(5)

(6)

將P=UIcosφ，Q=UIsinφ代入式(6)中,得：

(7)

(8)

2.3 發變組失磁保護定值坐標平面轉換

根據DL/T684—2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》關于發電機失磁保護整定要求，定子側阻抗判據可分為異步邊界阻抗圓和靜穩極限阻抗圓，阻抗平面如圖2所示。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失磁故障檢測，它能反映失磁發電機機端的最終阻抗，但動作可能較晚。

圖2 發電機失磁阻抗動作特性

2.3.1 靜穩邊界圓坐標轉換

(9)

整理得：

(10)

式中:Xe為發電機與系統的聯系電抗；Xd為發電機同步電抗(不飽和值)。

圖3 發電機失磁PQ特性圖

2.3.2 異步邊界圓坐標轉換

(11)

整理得：

(12)

3 算例分析

針對上述論證，通過國內配置較為普遍的發變組保護及勵磁設備算例進行計算對比分析，得出相應的結論。根據國內某電廠300 MW機組發變組保護失磁保護定值與勵磁調節器欠勵限制參數進行核算。發變組保護為國電南自生產的DGT801A保護裝置，勵磁調節器設備為南瑞科技生產的NES5100勵磁系統設備。發電機失磁保護定值單如表1所示，勵磁調節器欠勵限制參數如表2所示，進相試驗數據如表3所示。

表1 發電機失磁保護定值參數

表2 NES5100勵磁調節器欠勵限制五點擬合參數

表3 進相試驗數據分析

根據表1中參數可知，發電機同步電抗為2.2，發電機暫態電抗值為0.37，發電機機端電壓20 kV，計算可知異步邊界圓在PQ坐標系的圓心為(0，-1 170 Mvar)，與Q軸的交點為(0，181 Mvar)，通過與欠勵限制擬合曲線滿足勵磁調節器限制功能要求。通過比較進相試驗3點試驗數據，有功功率200 MW、250.7 MW、298.7 MW相對應的欠勵限制無功功率分別為-35 Mvar、-26.2 Mvar、-15.3Mvar，均小于進相試驗深度，如圖4所示，滿足規程要求。

圖4 發電機失磁與勵磁參數限制校核圖

通過上述算例分析，可以看出通過異步邊界原理計算的失磁保護定值與勵磁調節器欠勵限制參數配合符合定值計算要求。且從數據上分析，其失磁保護定值折算到PQ坐標平面上，與欠勵限制參數有較大的裕度。因此可以推斷，如果發電機失磁保護定值依據異步邊界圓原理計算時，且勵磁調節器欠勵限制參數依據進相試驗數據整定時，可以不必進行發變組保護定值與欠勵限制參數的校驗。

4 結束語

由上述分析可知，發電機勵磁調節器定值的整定不僅要依據發電機一次系統的運行方式及主要參數，還要根據發變組保護定值統籌考慮。建議火力發電廠技術人員應依據DL/T684—2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》及上述勵磁調節器定值整定方法對發變組保護定值與勵磁調節器定值進行重新校核，以防止由于兩者定值之間不配合導致的機組不能穩定運行。依據異步邊界圓原理進行整定的失磁保護定值可不必與欠勵限制定值進行校核，但依據靜穩邊界圓原理整定的失磁保護定值建議按本文計算方法進行校核計算。

[1] 高培鑫，翟大海，齊鋒光，等.1 000 MW發電機保護定值與勵磁調節器參數的匹配研究[J].華東電力，2013，41(1)：224-227.

[2] 孫孜平，高春如，沈 儉，等.自動勵磁調節器整定計算的探討[J].電力系統自動化，2003，27(3)：68-71.

[3] 黃 龍，方昌勇，胡凱波.勵磁調節器過勵限制與發電機轉子繞組過負荷保護的整定配合分析[J].浙江電力，2012，34(7)：21-23.

[4] 王慧敏.發變組保護與勵磁調節器的配合整定[J].電工技術,2014，35(6)：23-25.

[5] 李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].北京：中國電力出版社，2009.