一起大型發電機失磁保護整定計算

代剛

摘 要：發電機失磁保護作為發電機勵磁電流下降或消失的保護，可檢測發電機是否因失磁而失去靜態穩定。本文針對采用靜穩阻抗、系統三相低電壓和轉子靜穩極限低電壓等判據的某大型發電機失磁保護進行整定計算，并對進相等運行方式下該保護的靈敏度進行驗算，以期為相關學者提供參考。

關鍵詞：勵磁電流；聯系電抗；靜穩阻抗；進相運行；靜穩極限

中圖分類號：TM772 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0133-03

Calculation of a Large Generator Loss Excitation Protection

DAI Gang

（NanJing SAC Valmet Automation Co.，Ltd.，NanJing JiangSu 211800）

Abstract： As the protection of the generator's excitation current falling or disappearing， the generator loss protection can detect whether the generator loses static stability due to the loss of magnetic flux. In this paper， a large generator loss of excitation protection based on static stability， three-phase low voltage and rotor static stability limit and low voltage criterion was set up， and the sensitivity of the protection was checked under equal operation mode， with a view to provide reference for unrelated scholars.

Keywords： exciting current；contact reactance；static impedance；in phase operation；static stability limit

1 發電機失磁保護

發電機勵磁系統故障使勵磁降低或全部消失，從而導致發電機與系統間失步，對機組本身及電力系統的安全造成重大危害。對于汽輪機組的失磁保護判據可以采用兩種方案：方案一由靜穩阻抗+異步阻抗+系統三相低電壓組成，判據簡單可靠清晰方便；方案二由靜穩阻抗+系統三相低電壓+轉子靜穩極限低電壓等判據組成，判據相對繁雜調試工作多等特點。本文針對采用方案二的某大型發電機失磁保護進行整定計算[1]。失磁保護原理邏輯邏輯圖見圖1。

2 整定計算

2.1 靜穩阻抗值整定

說明：由于整定計算涉及很多參數，限于篇幅，本文直接引用相關數據，不再詳細計算，具體推算過程在整定計算書中有詳細描述，此處只羅列算法，數據引用整定計算書中的數據。

發電機縱軸電抗基準容量下的標幺值為：

[Xd=1.84 × 100 ÷ （600 ÷ 0.9） = 0.276] （1）

按最大運行方式整定，最大運行方式[Xs.min.1]下的系統與機組并聯電抗值為：

[Xs.min=Xs.min//Xd+Xmt+XL =0.012 5//0.276+0.019 4+0.000 41=0.003 17]（2）

失磁機組的聯系電抗：

[Xst=Xt+XL+Xs.min =0.019 4+0.000 41+0.003 17=0.022 98] （3）

機端基準阻抗值是[Zj=4.84Ω]，電流、電壓互感器變比的比值為：

[niv=ni/nv=25 000/522/0.10=22.727 3] （4）

靜穩阻抗上邊界動作阻抗整定值：

[Z1A=XstZjnav=0.022 98×4.84×22.727 3=2.53Ω] （5）

靜穩阻抗下邊界動作阻抗整定值：

[Z1B=XdZjnav=0.276×4.84×22.727 3Ω=30.36Ω]（6）

2.2 系統三相低電壓整定

系統三相低電壓動作值按高壓系統正常運行最低電壓來整定，根據《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》[2]系統，三相低電壓動作整定值為：

[U3ph.<.s=0.9Us.e=0.9×105=94.5V] （7）

2.3 轉子低電壓判據整定

變勵磁電壓的判據為：

[Ufd≤KsetP ] （8）

式（8）中，整定系數：

[Kset=Xd+XstUfd0/UsEd0 ] （9）

其中，[Xd]，[Xst]，[Us]分別為：

[Xd二次=XdZjnav=0.276×4.84×22.727 3Ω=30.36Ω]（10）

[Xst二次=XstZjnav=0.022 98×4.84×22.727 3=2.53Ω]（11）

[Us二次=22×103×1/220=100V=Ed0] （12）

通過具體計算，可得整定系數為：

[Kset=30.36+2.53×126100×100=0.414V/W]

2.4 延時動作值整定

延時動作值整定：[t1=1.5s]，按躲過系統振蕩最長周期時間來計算整定，動作于信號；[t2]延時動作值應按減出力或切換勵磁相應時間來考慮整定，整定值為[t2=1.5s]，動作于解列滅磁或程序跳閘。

3 各元件的可靠性驗算

校驗各元件的可靠性應包括各元件的防誤動性和防拒動性兩部分內容。防誤動性主要考核驗算進相運行是否會安全不誤動，防拒動性主要考核驗算機組真正發生失磁故障時是否能可靠動作，即動作靈敏系數是否滿足《繼電保護和安全自動裝置技術規程》[3]要求。

3.1 進相運行時靜穩阻抗元件是否會誤動

由汽輪發電機組運行極限特性圖可知，進相運行試驗有功功率為0.5倍額定值，最大無功功率為-0.3倍額定有功功率，并考慮電壓下降約0.9倍的裕度，即[P=0.5Pe=300MW]，[Q=-0.3Pe=-180MVar]，機端測量阻抗一次值是：

[Zcl=0.9×222×ejarctg-0.6/3002+1802=1.120 6e-j310Ω]（13）

機端測量阻抗二次值：

[Zcl=1.120 6e-j310×22.727 3=25.47e-j310Ω] （14）

在-31?阻抗角上的靜穩阻抗元件邊界動作值：

一次標幺值：

[Zbj·op=Xd-Xst2sinφ+Xd-Xst2sinφ2+XdXst =0.276-0.022 982sin-31°+0.276-0.022 982sin-31°2+0.276×0.022 98=0.1307]（15）

二次有名值：

[Zbj.op.m=0.130 7×4.84×22.727 3=14.37Ω] （16）

發電機進相試驗有功功率為0.5倍額定值，最大無功功率為-0.3倍額定有功功率（功率因數角-31?）時，機端測量阻抗-25.47Ω大于靜穩阻抗動作邊界值14.37Ω，測量阻抗沒有進入靜穩阻抗圓內，靜穩阻抗元件不會誤動。

3.2 失磁時靜穩阻抗元件可靠性驗算

發電機在滿負荷功率下發生全失磁，機端電壓下降到0.9倍額定電壓時，靜穩阻抗元件是否能可靠、正確動作的驗算。

全失磁運行時測量阻抗是：

[Zcl=0.9Ugn2/P-jQ =0.9×222/600+j600=0.462 0e-j450Ω] （17）

測量阻抗二次有名值：

[Zcl=0.462e-j450×22.727 3=10.50e-j450Ω] （18）

在阻抗角-45?上的靜穩阻抗元件邊界動作值（[Xd]取飽和值計算）：

[Zbj.op=0.276-0.022 982sin-45°+0.276-0.022 982sin-45°2+0.276×0.022 98=0.209 3]（19）

邊界動作二次有名值：[Zbj.op.m=0.209 3×4.84×22.727 3=23.02Ω]，測量阻抗進入靜穩阻抗圓內，其動作靈敏系數：[Ksen=Zbj.op/Zcl=23.02/10.5=2.19>1.3]滿足靈敏度要求，靜穩阻抗元件能可靠動作。

3.3 轉子低電壓判據的可靠性驗算

0.5額定功率是[P0.5=0.5PN=300MW]，額定勵磁電壓：[Udf.n=400.1V]，空載額定勵磁電壓：[Udf.0=153V]。

其二次值：

[P二次=P0.5/nvni=300×106/0.22×103×5×103 =272.73W] （20）

所對應的勵磁電壓動作值：

[Udf.op=KsetP=0.414×272.73=112.91V] （21）

帶負荷的勵磁電壓：

[Udf=KUdf.n+1-KUdf.0] （22）

式（22）中，K是小于1的負荷功率倍數。

半負荷功率的勵磁電壓：

（K=0.5）[Udf.0.5=0.5×400.1+0.5×153=276.55V]（23）

此時該判據動作（可靠）靈敏系數：

[Ksen=Udf.0.5/Udf.op=276.55/112.9=2.44>1.3]，變勵磁電壓判據能可靠動作。

4 結論及建議

從上述計算中得出發電機失磁保護各項定值如表1所示。

從驗算中不難看出，發電機在額定功率或在半額定功率發生失磁事故時，靜穩阻抗+靜穩極限轉子電壓判據都能可靠動作反應，系統低電壓元件會可靠不動作。所以該失磁方案能滿足現場運行的條件。

參考文獻：

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理和應用[M].2版.北京：中國電力出版社，2002.

[2]國家能源局.DL/T 684—2012，大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則[S].北京：中國電力出版社，2012.

[3]國家能源局.GB/T 14285—2006，繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].北京：中國電力出版社，2006.