發電機轉子過負荷保護定值整定探討

摘? 要：提出了一種準確配置轉子過負荷保護的方法，該方法考慮勵磁逆變過程中直流和交流之間的轉化關系，得出轉子過負荷保護定值整定方法，進而實現發電機轉子過負荷保護的精確整定。仿真結果表明，該方法可以更加準確地反映發電機過負荷特性，給發電機轉子過負荷保護的實際整定提供依據。

關鍵詞：轉子過負荷保護;交直流轉化;發電機過負荷特性

0? ? 引言

隨著新能源接入電網的容量不斷增大，其大規模遠距離輸送成為電網需要面對的問題。實踐中，為解決此問題，我國建造了大規模的直流輸電系統，然而，直流輸電系統中需要配置大量同步發電機電源，且對配套電源的過負荷特性提出了較高要求，準確合理配置轉子過負荷保護成為維護電網穩定的保證。

目前，國內專家對轉子過負荷保護已進行深入研究，并得到了大量的研究成果，文獻[1]研究了水輪發電機的轉子過負荷保護配置，為同類型的保護整定提供了計算依據。文獻[2]研究了600 MW機組的轉子過負荷保護整定。文獻[3]研究了發電機保護與限制配合的問題。上述文獻針對轉子過負荷保護進行了深刻研究，為同步發電機保護的實際實現提供了許多運行經驗，但這些文獻均未考慮從發電機直流側和交流側轉化關系去分析同步發電機的轉子過負荷保護配合問題。

在前人研究的基礎上，為解決轉子過負荷保護的準確配置問題，使同步發電機運行在安全范圍，本文推導了勵磁交流電流和直流電流的模型，通過仿真分析給出了強勵時交流電流和直流電流關系，然后進行仿真建模，對理論推導進行驗證，仿真結果表明該方法可以保證發電機過載時的安全。

1? ? 轉子過負荷保護

發電機轉子過負荷保護的主要作用是在發電機過負荷時告警或切除發電機，但在系統電壓過低時，需要發電機在繞組熱容量允許的情況下發揮一定的過載能力，所以需要配置適當的參數來協調過載和設備安全。轉子過負荷保護主要配置依據是發電機的轉子過負荷容量，文獻[4]規定的隱極發電機的轉子過載能力為t=33.75/（If2-1），If為發電機勵磁電流，t為發電機允許過載時間。

轉子過負荷保護作用是保護發電機的轉子繞組安全，發電機轉子電流為直流電流，而轉子過負荷保護屬于發變組保護范圍，一般采用勵磁變高壓側或低壓側電流。

交流側電流和直流側電流存在一定比例關系，目前一般采用觸發角等于0時的關系進行計算，轉化關系為Iac=0.816Id，該轉化關系為觸發角等于0時的交直流電流關系，而在正常運行時交直流電流關系大約為Iac=0.78Id，可以認為發電機在強勵期間交直流電流關系在上述兩種關系之間，即Iac=0.78～0.816Id。

常用的發電機轉子過負荷保護表達式為：

式中：Ijz為基準電流;C為發電機轉子過負荷保護熱容量系數，一般按照2倍基準勵磁電流時允許過載時間10 s整定。

經過計算可知，在當前的保護配置方案下，發電機轉子過負荷保護可能超過發電機轉子過載能力，并且規律為發電機強勵程度越高，超出熱容量系數的概率越小;而強勵程度較輕時，超出熱容量系數的概率較大。

2? ? 交直流電流關系

根據逆變器的規律，得出交直流電流表達式為：

其中：

式中：α為觸發角;γ為換相角。

觸發角α的表達式如下：

式中：U2為勵磁變低壓側交流電壓有效值;Ufd為勵磁電壓;Kc為換弧壓降系數;Id為勵磁直流電流。

換相角γ的表達式如下：

由式（4）和式（5）可以計算出勵磁換相角γ和觸發角α，得出換相角γ和觸發角α后，可以得出交直流電流之間關系。

發電機發生強勵后，勵磁電壓和勵磁電流都會快速放大，觸發角電壓和電流也在實時變化，說明發電機在強勵時，兩者之間比例并不是恒定常數。故假設交直流電流是常數的話，會在不同故障時出現一定的誤差。當誤差過大時，會導致發電機過熱時間超長，發電機設備出現損壞;當誤差較小時，發電機則過勵時間不夠，影響電力系統穩定。

發電機轉子過負荷保護首先要考慮轉子過負荷的能力，保護配置不僅要考慮發電機主體設備安全，而且需要考慮充分發揮發電機的過載能力，在系統故障時，電壓會出現下降，勵磁需要適當過載，用于支撐系統電壓。但在超出發電機過載能力后，需要限制勵磁電流在合理水平。如果勵磁電流限制失敗，需要發電機過負荷保護迅速動作，這樣才能實現電網電壓支撐和設備安全之間的合理權衡。

所以，發電機轉子過負荷保護不僅要考慮轉子本體安全，還需要進一步與勵磁設備的過勵限制環節相配合，但勵磁規范中對過勵限制的性能提出了明確要求，即在發電機2倍額定電流水平下，過載時間不少于10 s。根據該持續時間可以計算出過勵限制對應的熱容量系數為30，而發電機轉子過負荷最大熱容量對應最大過載時間為11.25 s。兩者之間的最大極差為1.25 s，這樣的極差對于實際極差是偏小的，但兩者都表現出不可協調性。一方面是電網設備安全，超出11.25 s后會造成發電設備過載，增加發電機損壞的可能性;而過勵限制的10 s是用于保證故障時發電設備的電壓支撐能力，少于10 s電網電壓可能會過早崩潰。

綜上所述，基于目前各種條件的限制，發電機的電網支撐能力和安全之間存在不可調和的矛盾，即勵磁限制和發電機轉子過負荷保護之間極差過小，該問題的解決思路主要有兩個方向：一是適當降低對勵磁限制過勵時間的要求，可以適當縮短過勵限制的過載時間，保證過勵限制和轉子過負荷保護之間的極差保持在1.5～2 s。縮短過勵限制的時間，對電網安全會產生不利影響，需要進行大量和充分的計算驗證，如果經驗證計算后，縮短過勵限制后仍然可以滿足電網安全要求，可以采用縮短過勵限制的方案。二是通過改造現有發電機設備，提供發電機轉子過載能力，將現有的發電機轉子過負荷能力提高到11.5～12 s，即熱容量系數提高到34.5～36，就可以滿足安全極差的要求，但需要進一步評估改造發電機設備的成本以及改造對發電機參數的影響，是否需要重新進行發電機參數計算，是否需要進行全套的涉網試驗，如果改造成本在發電廠承受范圍內，說明該方案也是一種可行辦法。但最后采取哪種方案，需要多種主體綜合權衡后才能決定。

3? ? 結論

本文重新研究了發電機轉子過負荷保護，考慮了勵磁交直流側關系，與以往相比，本文的創新主要有以下方面：

（1）依據現有整定方案，發電機轉子過負荷特性可能超出轉子過負荷允許范圍。

（2）發電機轉子過負荷保護盡量選取直流量作為保護判別量，這樣可以保證發電機轉子安全和動作的準確性。

[參考文獻]

[1] 馬靜，黃小冬，何澤勝.水輪發電機過負荷保護整定計算分析[J].水電廠自動化，2016，37（2）：15-17.

[2] 俞美忠，竺士章.600 MW發電機組轉子過負荷能力與相關保護的配合分析[J].浙江電力，2008（1）：42-44.

[3] 丁燁楠，孫育哲.保護與勵磁對發電電動機運行的限制[J].水電站機電技術，2019，42（11）：10-11.

[4] 隱極同步發電機技術要求：GB/T 7064—2008[S].

收稿日期：2020-04-01

作者簡介：王鵬（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，研究方向：電力系統繼電保護。