300 Mvar調相機繼電保護的分析與改進研究

吳海霞

（云南電網有限責任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

0 引 言

相比以往160 Mvar的調相機，300 Mvar單機容量的調相機的無功補償能力更加顯著，能適用于現下電壓不穩和電網無功環境，為我國電網系統的穩定運行提供保障。為了加強300 Mvar調相機在我國電網事業中的重要輔助作用，還可針對繼電保護功能提出可行性整改建議，便于并網項目順利落實。

1 300 Mvar調相機的特點與原理

1.1 特 點

調相機作為電網運行的穩固器，在電網并行項目中有著重要作用。通常情況下，調相機包含本體、冷卻系統、升壓變、啟動系統以及勵磁與控制保護系統等部分，結構如圖1所示。首先，由于調相機具備抗干擾性，實際應用期間不易受系統電壓不穩等因素影響而出現過載現象。其次，它具有較強的無功支撐能力，可在短時間內快速生成200%的無功功率，從而使系統獲得充足的電壓。再次，300 Mvar調相機相比其他類型的調相機具有突出的無功調節能力，可滿足系統實際需求。最后，調相機具有長達30年的使用年限，且損耗率低于1.5%，具備成本低的特性，可為并網項目的開發帶來重要的輔助作用，從而打造高質量的電網運行環境。

圖1 調相機內部結構圖

1.2 原 理

以300 Mvar同步調相機為研究對象，啟動后轉動速度一般可驟然升至3 150 r/min，之后調相機將過渡到延緩轉動狀態下，進而將轉速調節至3 000 r/min，以此達到強化勵磁的效果，以便順利進行并網操作。新一代300 Mvar調相機早在2017年9月份已被成功研發，雖然增擴了10%的體積，但有效改進了其整體動態性，適當提升了安全性。作為現下容量較大的一款并網發電機，它能展現出良好的無功補償功能，保障超高壓直流電的穩定供應。在實際運行期間，300 Mvar調相機常采用空轉形式實施無功補償。與傳統發電機相比，它無需任何原動機的輔助即可啟動[1]。另外，運行期間它還能進行自動調節，根據電壓調整勵磁電流數值，為電網帶來持續性無功功率的供應。通常情況下，調相機在運行期間還能獲得最優化運行狀態，從而保障電網較強的穩定性。

2 300 Mvar調相機繼電保護的改進策略

2.1 科學制定繼電保護配置方案

在300 Mvar調相機繼電保護的改進過程中，傳統調相機采用的繼電保護方法為阻抗保護，而新型調相機理應采用聯合式繼電保護方式對其實施保護，以免在實際運行期間影響其運行效果，其中應參照母線電壓、機端電壓以及轉子電壓等數值驗證繼電保護性能。此種調相機并未生成有功功率，因此在與電網同步運行期間無需考慮失步故障。在繼電保護期間，需要根據300 Mvar調相機繼電保護需求制定可行性配置方案來輔助實踐工作。例如，在過負荷保護中實施勵磁電流保護，而在過流保護中可根據調相機運行原理對主變高壓或主變復壓實施過流保護，從而促使調相機能在配置后具備良好的繼電保護功能，使其發揮出突出的穩固電網的作用[2]。

此外，還需根據300 Mvar調相機啟動環節產生的影響改進繼電保護功能。在調相機運行期間，它所獲取的動力來源于SFC裝置提供的電力。該裝置在運行期間顯現出低頻性特征，最大值不高于50 Hz，因此應注重低頻對調相機的影響，以保證調相機在低頻運行期間依舊具有良好性能。一般可采用安裝頻率傳感器等方法，監測低頻下形成的模擬電壓與電流數值，以保障實際運行期間的可靠性。300 Mvar調相機只有擁有科學的繼電保護配置方案，才能達到最優化的繼電保護效果。因此，應科學制定繼電保護配置方案。

2.2 優化調相機繼電保護功能

2.2.1 差動保護

300 Mvar調相機繼電保護需要注重差動保護功能的完善，重點是定子繞組短路現象的防護，由此確保調相機在啟動環節不會出現閉鎖現象。差動保護功能與300 Mvar調相機的啟動模式、斷路器安裝情況有著密切關聯，此時相關人員應保證調相機具有適合的斷路器裝置，防止超負荷運行引發危險。機端處還需要設置自動控制開關，否則有可能削弱調相機差動保護效果。差動保護實則是為了杜絕誤動現象，以保障電網系統的穩定性。開關所處位置的不同會使差動保護功能存在差異。開關位置若臨近發電機端口處，理應實施閉鎖差動保護。若位于電網系統臨近處，應當先行閉合開關，然后根據電流差值確定是否開啟縱差保護，之后可在調相機正式運行后予以差動保護，從而在最大程度上強化繼電保護性能[3]。2.2.2 失磁保護

調相機中具有勵磁系統，能夠為其提供定子電源，一旦出現失磁現象，將導致電壓下降問題，從而嚴重破壞系統穩定性，不利于獲得高質量電能。300 Mvar調相機的失磁保護可采用安裝失磁保護裝置的方法，促使調相機能夠隨時應對勵磁消失故障。由于該調相機所形成的電磁功率與勵磁電流、磁阻功率有著重要關聯，因此可以調節電磁轉矩，保證勵磁電流能夠符合調相機預期要求，避免在失磁故障下導致調相機無法提供無功功率而影響系統的運行質量。在失磁保護配置階段，還可參照母線電壓等數值的變化情況判斷調相機是否發生失磁現象，然后提出可行性改進建議。

2.2.3 過流保護

300 Mvar調相機在實施繼電保護時需實施過流保護，以免出現短路故障。具體可采用復壓啟動模式，在調相機內部安裝過流保護元件，從而達到最優化保護效果。在過流保護操作中，相關人員需全面了解調相機故障類型，以此降低內外部短路故障發生率，展現300 Mvar調相機的優勢。此外，若過流保護中傾向于內部防護，此時無需實施電流記憶措施，以降低后續限制調相機啟動行為的發生率。

2.3 合理設計多并聯支路繞組

300 Mvar調相機可應用于高海拔電網建設項目中，此時可利用多并聯支路繞組方法增加其實用性，進而優化繼電保護功能，最大化地擴大300 Mvar調相機的應用范圍。在具體接線期間，需按照圖2的效果圖設置接線方案，以便調相機擁有良好的推廣前景。一方面，需明確300 Mvar調相機各項參數，選出最優化方案。另一方面，可通過對比電動勢不對稱度的方法控制基波頻率，為調相機的應用創造有利條件。

圖2 多并聯支路繞組接線效果圖

300 Mvar調相機作為單機的容量為300 Mvar，額定電壓為20 kV，頻率保持在50 Hz。定子槽數與繞組節距分別為72和29的調相機，在設計接線方案時應避免線圈交叉，可通過標記確定定子繞組方向，促使調相機在并聯下具有較強的運行穩定性。在對比電動勢不對稱度時，發現電動勢不對稱度在定子槽數增加時呈現下降趨勢。此時，可根據電網系統實際需求確定槽數數值。

2.4 注重變壓器防干擾追蹤效果

300 Mvar調相機繼電保護功能的完善可從變壓器防干擾追蹤效果方面進行改進，具體包括頻率追蹤和諧波追蹤兩個部分。

2.4.1 頻率追蹤

在調相機運行時，為了確保頻率追蹤結果更準確，應實施防干擾措施。例如，需以20 Hz為基準將其頻率劃分為兩個部分，然后分別采用濾波器過濾諧波，之后觀察調相機響應時間的變化，由此總結出頻率變化特征，以便采用對應的繼電保護優化措施。

2.4.2 諧波追蹤

在諧波追蹤期間可開展仿真試驗，將試驗條件設定為短路故障，之后利用PW466型號的繼電保護測試儀記錄此環節調相機的頻率和相間電壓基波有效值，記錄結果如表1所示，由此找到調相機出現繼電保護失效現象的原因。一般在啟動后將出現3次諧波，應根據諧波出現的周期確定諧波出現時故障特征顯示的時間，以便在此時間內加強繼電保護，從而有針對性地實現調相機的有效防護。

表1 PW466型號繼電保護測試儀防干擾測試結果

3 結 論

綜上所述，300 Mvar調相機作為單機容量較大的一種電網并行發電機，能穩固我國電網，提升電能質量。因此，應充分結合當前電網運行需求，從繼電保護配置方案、繼電保護功能、多并聯支路繞組以及變壓器防干擾追蹤等方面著手，強化300 Mvar調相機繼電保護的實用性，最大化加快電網并行項目的推行速度，進而營造良好的供電環境。