大型調相機的保護配置及其實現(xiàn)

潘仁秋，何其偉，陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102）

調相機也稱為同步補償機，實質上是接在電力系統(tǒng)上的一種空載運行的同步電動機，它僅從電網吸收少量的有功功率 （通常不超過其額定容量的5%）供電機本身損耗，可向電網提供無極連續(xù)調節(jié)的容性或感性無功，改善功率因數，降低網絡中的損耗，對調整電網電壓和提高電網的穩(wěn)定性具有較好的作用。此外，在電網電壓下降的情況下，調相機的勵磁系統(tǒng)能夠自動調節(jié)實行強行勵磁，保證調相機運行的穩(wěn)定性，可繼續(xù)向系統(tǒng)提供無功功率。目前，北京安定500 kV變電站的160 Mvar調相機為我國正式投入運行的容量最大的調相機，該調相機于1996年7月投入運行，原保護為晶體管型，運行已達十年，元器件嚴重老化，難以保證調相機的安全運行，對其進行微機化改造勢在必行。調相機的保護配置與同容量、同類型的發(fā)電機保護類似，但因調相機的運行工況與發(fā)電機不盡相同，其保護也存在著一定的差異。目前國內系統(tǒng)介紹發(fā)電機保護配置的文獻很詳盡，但有關調相機保護配置及其應用的文獻則較少。

1 調相機的啟動方式及其對保護的影響

由于調相機沒有啟動力矩，不能自啟動，必須借助其他措施。目前，調相機采用最多的是電抗器降壓異步啟動法，電抗器降壓異步啟動法是將系統(tǒng)電源經電抗器加到調相機定子出線端，在工頻電壓的作用下，借助異步轉距啟動起來[1]。為了保持系統(tǒng)電壓在一定的數值并限制啟動電流的數值，在保證調相機具有足夠異步啟動轉距的前提下，在其定子與系統(tǒng)之間串入電抗器。北京安定變電站160 Mvar調相機正是采用該啟動方式，其接線方式如圖1所示，圖中k1為啟動開關，k2為主開關。

調相機的異步啟動過程時間較短，北京安定變電站調相機的整個啟動過程為：啟動時勵磁開關斷開，調相機轉子繞組經滅磁電阻短接。當啟動開關k1合上后，調相機立即經電抗器與系統(tǒng)相聯(lián)而異步啟動，當調相機轉速接近同步轉速（約95%同步轉速，也稱為亞同步轉速），啟動電流下降到接近穩(wěn)態(tài)電流時投入主開關k2，同時勵磁開關閉合，調相機由軸勵磁機加勵磁后依靠同步勵磁轉矩將轉子拖入同步，啟動成功后約1 s斷開啟動開關，整個啟動過程需時約19 s。調相機啟動過程中合啟動開關瞬間，將有很大的沖擊電流，雖然經過電抗器限制啟動電流，但根據現(xiàn)場實測該沖擊電流仍可達2倍額定電流以上，將對過負荷保護產生不利影響；此外沖擊電流還會導致調相機差動保護兩側電流互感器（TA）傳變特性不一致，影響差動保護的性能。

2 調相機的保護配置

2.1 保護功能配置

調相機配置以下保護功能：縱向差動保護、過負荷保護、負序過負荷保護、電抗器后保護、防直合主開關保護、轉子一點接地保護、轉子兩點接地保護、啟動開關非全相保護、同步鑒定功能、方向過流保護、定子接地保護、低電壓保護、失磁保護、主開關非全相保護、主開關失靈啟動、油溫高切機啟動跳閘、油位低切機啟動跳閘以及2號主變過流啟動跳閘。

2.2 調相機區(qū)別于常規(guī)發(fā)電機的保護功能

同步調相機的保護與同容量、同類型的發(fā)電機保護功能配置類似，但因調相機的工況與發(fā)電機不盡相同，其保護功能也有差異。

（1）差動保護。差動保護是調相機的快速主保護，其原理與發(fā)電機差動保護原理相同，所不同的是發(fā)電機差動保護為兩側差動，而調相機由于具有電抗器啟動環(huán)節(jié)，在啟動過程中差動范圍包括三側，因此調相機差動保護應按三側差動設計，差動電流分別取自TA1，TA2和TA3，差動范圍內包括啟動電抗器。此外，安定變調相機機端TA2，TA3與中性點TA1的變比不一致，因此差動保護必須具備軟件自動調平衡功能。

（2）失磁保護。調相機失磁的性質完全不同于同步發(fā)電機失磁，其性質只屬于欠勵范疇，調相機失磁不會導致失步，除了自身過流之外，不會給系統(tǒng)造成大的威脅。

調相機從系統(tǒng)吸收的有功功率始終是一個很小的恒定值，調相機機端測量阻抗的表達式為[2]：

式（1）中：Uxt為系統(tǒng)電壓；Xxt為系統(tǒng)等效電抗；φxt為功率因數角。

機端測量阻抗軌跡落在第II和第III象限，如圖2所示。

調相機主要在過勵狀態(tài)下運行，正常過勵狀態(tài)下，機端測量阻抗Z的運行軌跡在第II象限靠近X軸處；而從過勵狀態(tài)過渡到欠勵或失磁時，機端測量阻抗將沿著阻抗圓滑行，進入第III象限，如圖2箭頭所示。可見發(fā)電機失磁保護的阻抗判據，無論采用靜穩(wěn)阻抗圓或異步阻抗圓，均無法正確反映調相機的失磁故障。安定變電站調相機的失磁保護摒棄常規(guī)發(fā)電機失磁保護阻抗判據，而是由機端低電壓判據和勵磁裝置故障信號共同組合來實現(xiàn)，失磁保護在調相機啟動完成后自動投入，其邏輯如圖3所示。

（3）過負荷保護。調相機的過負荷保護是防止電壓長期降低時，由于電壓調整器和強行勵磁裝置的作用，使調相機可能出現(xiàn)持續(xù)過負荷而設置。調相機過負荷保護的定值通常按1.4倍額定電流整定[3]。調相機啟動時，雖然經過電抗器限制啟動電流，但在啟動開關合閘瞬間，沖擊電流仍然很大，根據現(xiàn)場實測可達2倍額定電流以上，可能導致過負荷保護誤動作，為了確保過負荷保護正確工作，應在調相機啟動過程中將其退出運行，待調相機啟動完畢后再自動投入。本工程過負荷反映TA2和TA3的和電流，以主開關處于合位作為調相機啟動完成的標志。

（4）低電壓保護。當系統(tǒng)電壓消失時，調相機轉速下降，為防止系統(tǒng)再次出現(xiàn)電壓后，調相機在無啟動電抗器的情況下啟動，導致系統(tǒng)電壓降低，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，要求低電壓保護動作后，經時限將低速運行的調相機從電網中切除或使滅磁開關跳閘，同時投入啟動電抗器，使其處于準備啟動狀態(tài)[3]，本工程采用前一種方式。低電壓保護只在調相機啟動完成后投入，經主開關的位置接點閉鎖。為了防止調相機機端電壓互感器（TV）二次小開關誤跳導致低電壓保護誤動作，引入TV二次小開關的位置接點作為輔助判據，提高保護的可靠性。

（5）方向過流保護。為了防止反應調相機內部故障的后備保護在外部故障時誤動作，設置方向過流保護，方向元件采用90°接線方式，電壓取自主變高壓側母線TV，電流取自TA2。

（6）電抗器后保護。調相機啟動完成后，啟動開關跳開，TA3與啟動開關之間的電纜在縱差動保護的范圍外，這段電纜一旦發(fā)生故障將沒有保護來反映，電抗器后保護正是針對此而設置，保護反映TA3的電流大小，只在調相機啟動完畢后投入。

（7）防直合主開關保護。調相機的啟動電流很大，為了防止未經電抗器啟動，而直接誤合主開關k2，導致設備損壞而設置。保護直接反映TA2的過電流，保護動作于跳閘。防直合主開關保護只在調相機啟動過程中投入，啟動完畢后退出該保護。

（8）同步鑒定功能。調相機啟動過程中，合上啟動開關后，當定子電流下降到一定值時，認為轉速接近同步轉速，保護發(fā)出同步信號接點，用于控制合主開關。同步鑒定功能反映電抗器支路TA3的電流，在啟動成功后自動退出運行。

3 保護投運和運行情況

2005年11月15日7∶30北京安定變電站調相機開機成功投入運行，保護運行至今一切正常，未出現(xiàn)任何異常情況。調相機啟動過程中，啟動開關合上瞬間，調相機差動保護C相啟動，而A，B相差流略小于啟動定值，這是因調相機兩側TA的三相剩磁存在差異。據錄波數據分析啟動時間約120 ms，考慮機端TA和中性點TA變比不一致，機端TA變比8 000/5，中性點TA變比6 000/5，以中性點側為基準，機端電流需進行校正。C相差動電流相關波形如圖4—6所示。圖4中InC為中性點C相電流；圖5中I'fC為機端校正電流；圖6中IdC為C相差流。

調相機啟動時，反同步的轉子旋轉磁場在定子繞組中會感應出一個三相對稱的電勢，其頻率為（1-2s）f1，s為滑差，f1為工頻。 此時，定子電流中除了工頻電流外，還有一個由上述頻率為（1-2s）f1的電勢所引起的電流[4]。由于合閘瞬間沖擊電流很大，據實測可達2倍額定電流以上，兩側TA暫態(tài)傳變特性不一致，導致差流的產生。

4 結束語

調相機比同容量、同類型發(fā)電機的運行工況復雜，其保護也不盡相同，要保證調相機保護的可靠運行，需要處理好以下技術環(huán)節(jié)。

（1）調相機啟動過程對保護的影響；

（2）失磁保護、過負荷保護、低電壓保護等調相機特殊保護功能的正確配置和實現(xiàn)。

北京安定變電站160 Mvar調相機保護的成功改造，為國內相關工程提供了參考。

[1]崔 剛.對金昌變調相機運行的分析和探討[J].甘肅電力，1993（3）：39-43.

[2]周 鶚.電機學[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3]能源部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊2（電氣二次部分）[M].北京：中國電力出版社，1991.

[4]林其煌.調相機失磁保護的分析研究[J].福建電力與電工，1994，14（1）：1-5.

[5]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京：中國電力出版社，2002.