二灘水電站低勵限制與失磁保護配合關系研究

季 杰，黃建瓊

（錦屏水力發電廠，四川 西昌 615000）

0 引 言

二灘水電站是川渝電網的骨干電源網點，自1998年投運以來其發變組保護系統已經運行12年，達到了繼電保護裝置使用壽命時限，現改造為南瑞RCS_985發變組保護裝置。鑒于GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》明確要求低勵限制能優先于失磁保護動作，而國網公司發布的《發電廠并網安全性評價》也要求驗證其配合關系，因此有必要對其進行研究。

二灘水電站發電機失磁保護由機端低電壓判據、定子側靜穩極限阻抗圓判據、轉子側電壓判據構成，不同的判據分屬于不同的坐標系，無法直觀地表達失磁保護與低勵限制的配合關系。雖然文獻[1]將失磁保護的定子阻抗圓判據映射到P-Q（有功-無功）坐標系中研究其與低勵限制之間的關系，但并未對失磁保護的機端低電壓判據和轉子側電壓判據進行研究，本文將構成失磁保護的3個判據統一映射到同一坐標系中，以驗證其配合關系。

1 低勵限制

1.1 水輪發電機功率限制曲線

水輪發電機根據發電機定子線棒、發電機端部、轉子繞組發熱和機組最大出力確定其功率允許運行區。當機組運行在功率限制曲線內時，可保證機組有效部件的發熱量不超過允許值。

忽略發電機定子繞組電阻壓降，水輪發電機相量圖如圖1實線所示，其中U為發電機機端電壓，I為定子電流，Id為定子電流直軸分量，Iq為定子電流交軸分量，Xd為直軸同步電抗，Xq為交軸同步電抗，E0為發電機空載電壓，Eq為發電機交軸電壓。在圖1中，延長Eq使AB=IXd，作平行線BC∥E0交OA于點C，以OC為直徑作圓交BC于點D，過Eq點作EqM⊥BC，垂足為點M，可以證明BM=（Xd-Xq） Id=E0-Eq， 因此 DB=E0。[2]

圖1 凸極同步發電機相量

在圖1的基礎上各邊分別乘以U/Xd，則三角形ABC可轉化為功率平面特征三角形，各線段代表含義見圖2中標注。

圖2 功率平面特征三角形

由于E0=IfnXad，因此DB正比于Ifn，OA正比于空載額定勵磁電流If0，AB正比于機端電流Ign。以點A為功率坐標系的原點，建立水輪發電機的功率限制曲線，如圖3所示。當機端電壓低于額定電壓時，該功率曲線隨之等比例縮小。

1.2 二灘水電站發電機低勵限制

二灘水電站發電機勵磁系統采用的是ABB UNITROL5000型勵磁調節器，該系統低勵限制單元包含了額定勵磁電流極限、額定定子電流極限、額定有功功率極限。由于二灘水電站在枯水期進相運行較汛期深，本文以枯水期為例進行研究。

勵磁系統在自動模式時，起勵電流大于空載額定勵磁電流的20%，進相運行低勵限制為直線，由（550 MW， -50 MV·A） 和 （0 MW， -300 MV·A）兩點確定。定子電流限制曲線由發電機額定電流決定且不受機端電壓影響，轉子電流限制曲線由額定勵磁電流決定，由此可以確定P-Q功率限制曲線，如圖4所示。

圖3 功率限制曲線

圖4 PQ限制曲線

在機組運行過程中，機組越過P-Q功率限制曲線時，計算機控制中心會發 “P-Q曲線越限”報警信號，此時必須手動加勵磁以減輕進相深度。

2 失磁保護與低勵限制配合關系

2.1 二灘水電站參數

二灘水電站總裝機容量3 300 MW，主廠房安裝6臺單機容量550 MW混流式水輪發電機組，每臺發電機通過3臺容量214 MV·A的單相變壓器與500 kV系統相連，其主變壓器接線方式為YNd11，發電機中性點接地方式為經變壓器高阻接地。

失磁保護整定所需參數如下：發電機的額定容量 612 MV·A，額定功率550.8 MW，額定電壓 18 kV，額定電流19 629 A，額定功率因數0.9，額定勵磁電壓318 V，額定勵磁電流2 709 A，空載勵磁電壓159.2 V，空載勵磁電流1 559 A，強勵倍數/時間2倍/10 s，直軸同步電抗0.996，交軸同步電抗0.71，升壓主變壓器容量3×214 MV·A，電壓550/18 kV，主變短路電壓標幺值為0.15，系統聯系等值正序電抗標幺值為0.008 0/0.011 4（大方式/小方式，容量基準值100 MV·A）。

本文所有計算公式均采用以發電機額定容量、額定電壓為基值的標幺值進行計算分析，以單臺發電機為研究對象，失磁保護整定計算等值電路如圖5所示。

圖5 失磁保護等值電路

2.2 機端低電壓判據

失磁保護低電壓判據可選擇機端低電壓或者母線低電壓。高壓母線的三相電壓嚴重下降將破壞系統的穩定運行，同時會導致低壓廠用電母線三相電壓嚴重下降引起電廠電機過流。二灘電廠六臺機組并聯運行，一臺機組的失磁難以引起高壓母線的電壓下降，但會導致故障機組機端電壓過低，危及廠用電系統的正常工作，因此采用機端三相同時低電壓判據，其整定值如下

式中，Uop.3ph為機端三相同時低電壓定值；Ugn為發電機額定電壓；nv為機端PT變比。

為了將機端三相同時低電壓判據轉化到P-Q坐標系，首先需計算出其阻抗特性。根據圖5所示等值電路圖，假定無窮大系統在單機失磁時系統電壓Us恒定不變，機端電壓為U，系統負荷為Zl，發電機出口測量阻抗為Z，則有

其中阻抗角均隨負荷變化而變化。

由式（4）可得失磁保護低電壓判據阻抗特性如下

根據二灘電站相關參數代入計算，可計算出機端三相同時低電壓的機端阻抗特性如下

通過文獻[3]可知，在阻抗R-X坐標系中，對于圓心為（0，X0）半徑為 R0的方程可表示為

映射到P-Q坐標系的表達式為

由式（8）可得機端低電壓判據在P-Q坐標系下的失磁軌跡為

由于低勵限制與失磁保護之間的關系位于發電機欠勵區，因此僅繪出欠勵磁區的軌跡，映射到PQ坐標系的動作區如圖6所示。

圖6 機端低電壓P-Q坐標系動作區

2.3 定子側判據

為兼顧失磁保護定子側判據的可靠性，選擇滴狀靜穩阻抗圓作為失磁保護定子側判據時，應與無功反向判據相結合，以消除阻抗平面一、二象限的動作區，防止靜穩圓阻抗判據在非失磁工況下的誤動作。

系統聯系電抗包含升壓變壓器電抗，對應于最小運行方式，二灘水電站定子側判據整定如下

使用作圖法可以作出該判據在P-Q坐標系的動作曲線[4]，如圖7所示。動作區位于曲線2的左側。

2.4 轉子電壓判據

定子阻抗判據在某些非失磁故障時會發生誤動現象，為了彌補這一不足可增加轉子電壓判據，轉子低電壓是失磁過程中電量變化的顯著特征之一，且能與多種非失磁故障相區分，因此二灘水電站增加轉子電壓判據提高了失磁保護的可靠性[5]二灘水電站發電機轉子低電壓判據的定勵磁低電壓判據沿用德國西門子公司的0.8Uf。發電機在重負荷下發生失磁故障時，定勵磁低電壓判據的整定值偏低，導致轉子低電壓判據比靜穩極限判據動作要晚得多，這會嚴重危害系統的穩定運行，因此需增加定值隨功率變化的轉子低電壓判據，以保證在各種工況下的配合關系。

圖7 定子側判據P-Q坐標系動作區

勵磁低電壓判據整定如下

式中，Uf0為發電機空載額定勵磁電壓。

變勵磁電壓判據中對應于某一有功P會有維持靜穩極限所必須的勵磁電壓Uf.op與之對應，動作判據如下

式中，Krel為可靠系數，取0.8；Ufo為發電機空載額定勵磁電壓；P為發電機當前有功功率；Pt為發電機的凸極功率，由下式計算

由二灘水電站的參數和式（12）、（13）可計算出轉子電壓判據如下

從P-Q功率圓推導過程可知，圖2中OA和DE以同一比例正比于U和E0。在派克標幺值系統中Uf=E0，OA可以看作空載額定勵磁電壓Uf0，DB可以看作是產生E0的勵磁電壓Uf。將轉子電壓判據映射到P-Q坐標系的動作區如圖8所示，其中曲線3為定勵磁低電壓判據，曲線4為變勵磁低電壓判據，動作區位于曲線3、4左側。

由圖8可以看出，在重負荷下發生失磁故障時，水輪發電機進入轉子變勵磁電壓判據曲線4的速度要比勵磁低電壓判據曲線3的速度更快。

2.5 失磁保護與低勵限制配合關系

通過失磁保護計算，已經將失磁保護中的三個判據均轉換到P-Q坐標系中，失磁保護三個判據為相與的關系，因此在P-Q坐標系中，四條動作曲線的重疊區即為失磁保護動作區。

機組失磁時，發電機先進入轉子電壓判據，然后進入發電機機端低電壓判據，最后進入定子側判據，延時1.0 s動作出口切機。

圖8 轉子電壓判據映射到PQ平面

圖9 低勵限制與失磁保護配合關系

3 結 論

本文通過將失磁保護的三個判據映射到同一PQ坐標系中，驗證了失磁保護定值整定的正確性，同時證明了失磁保護動作區與低勵限制之間存在著一定的穩定裕度，滿足低勵限制優先于失磁保護動作的關系。

［1］ 劉偉良，荀吉輝，薛瑋.發電機失磁保護與低勵限制的整定配合［J］.電力系統自動化， 2008， 32（18）:77-80.

［2］ 柳煥章.發電機失磁保護的原理及整定計算［J］.電力系統自動化， 2004， 28（14）:72-75.

［3］ 趙華，吳春紅.兩種坐標系下發電機低勵限制整定與失磁保護配合［J］.河南電力， 2010（3）:12-14.

［4］ DL/T 684—1999 大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則［J］.北京：中國電力出版社，2005.

［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，2002:186-262.