1 000MW發電機保護定值與勵磁調節器參數的匹配

高培鑫，林晶儒，翟大海，齊鋒光，李傳波

(1.西安交通大學電氣工程學院，西安市710049;2.華能玉環電廠，浙江省玉環市317604)

0 引言

1 000MW發電機組的不斷投運，對機組和電網的穩定、可靠運行提出越來越高的要求，而目前大多數電廠在進行發電機和變壓器組(發變組)保護整定計算時，容易忽略與勵磁調節器參數的配合，導致勵磁系統一旦出現運行異常，發變組保護立即動作，造成發電機組非正常停運事故。本文基于某1 000MW發電機組，分析發電機保護定值整定與勵磁調節器限制參數之間的匹配關系。

1 發電機失勵磁保護與勵磁調節器欠勵磁限制的匹配

發電機的失勵磁保護和自動勵磁調節器的欠勵磁限制都能控制進相運行深度，使機組進相運行深度控制在發電機靜態穩定極限之內，若兩者能夠很好地匹配，就能使機組吸收最大無功，并保證在發電機失去穩定時保護和限制能夠正確動作［1］。

1.1 欠勵磁限制參數設定原則

欠勵磁限制功能用于防止勵磁過低導致發電機失去靜態穩定，欠勵磁限制與發電機失勵磁保護匹配，即要求在任何操作和擾動的情況下，都保證欠勵磁限制先于發電機失勵磁保護動作。

1.2 失勵磁保護與欠勵磁限制匹配整定

失勵磁保護計算是在發電機機端的R-X測量阻抗圓平面上進行，而勵磁調節器的欠勵磁限制P-Q整定曲線是根據靜態穩定極限圓并結合系統的無功儲備整定，二者分別屬于不同的坐標系，因此無法直觀校核其匹配關系，必須將失勵磁保護阻抗圓平面轉換為 P-Q 曲線平面［2］。

1.3 坐標平面轉換

對于汽輪發電機，靜態穩定極限圓在P-Q平面上的表達式為

式中:P、Q分別為發電機的有功功率和無功功率;U為發電機機端電壓;Xe為發電機與系統聯系的電抗;Xd為發電機同步電抗。

由式(1)可知:靜態穩定極限圓的圓心為［0，U2(1/Xe－1/Xd)/2］，半徑為U2(1/Xe－1/Xd)/2。圓內是發電機的穩定運行區域，當發電機運行在圓外時，不能穩定運行，欠勵磁限制單元應限制勵磁電流繼續減少。

設失勵磁保護阻抗圓的圓心坐標為(0，X0)，半徑為R0，圓內為動作區，其方程為

將失勵磁保護動作方程映射至P-Q平面，靜態穩定極限圓為

靜態穩定極限圓與Q軸相交于(0，U2/Xe)和(0，－ U2/Xd)兩點，動作區在圓外［4］。

1.4 某電廠失勵磁保護與欠勵磁限制匹配

某1 000MW機組參數為:發電機額定容量為1 112 MVA;主變額定容量為3×370 MVA;發電機同步電抗Xd=216.4%;發電機暫態電抗X'd=23.8%;變壓器電抗 Xt=18.6%;系統電抗 Xs=0.081 9(1 000 MVA、最小方式)，系統電抗 Xs=0.066 5(1 000 MVA、最大方式);機端電壓 Un=27kV;TA變比為28 000/1;TV變比為27/0.1。

根據式(1)可知，靜態穩定圓在P-Q平面的圓心s00和半徑r00分別為1.46、1.8。考慮可靠系數，計算得到有裕度靜態穩定圓在P-Q平面的圓心s0和半徑r0為1.12、1.385。根據運行經驗，分別選取 s0、r0為1.08、1.4。

將失勵磁保護異步圓按式(2)映射到P-Q平面，得到其圓心s和半徑r分別為－3.96、3.6。

將各曲線按相同比例畫在同一平面上，如圖1所示。由圖1可知，在機端電壓最低允許值為0.95Ue的情況下，失磁保護阻抗圓完全處在欠勵磁限制線的下方，欠勵磁限制曲線與靜態穩定圓和失勵磁保護阻抗圓相互之間有一定的裕度。某電廠1 000MW發電機失勵磁保護和欠勵磁限制的原理和動作行為相互匹配，發電機從失勵磁到最后失穩或失步，機端測量阻抗先進入欠勵磁限制區，然后進入靜態失穩區，最后過渡到失勵磁異步圓［5］。

圖1 發電機失勵磁保護與欠勵磁限制整定計算曲線Fig.1 Setting calculation curve between low excitation limiter and field loss protection in generator

2 發電機變壓器過激磁保護與勵磁調節器電壓/頻率限制之間的匹配

過激磁保護的作用為防止發電機和主變壓器因過激磁引起繞組、鐵芯和靠近的繞組、油箱壁、結構件過熱造成局部變形和損傷絕緣。發電機、變壓器的過激磁一般在未與系統并列時發生，如:發電機在與系統并列前由于操作失誤，誤加勵磁電流;發電機在啟動過程中，轉子低速時誤起勵磁;自動勵磁調節裝置失靈，電壓迅速升高，頻率雖也升高，但相對緩慢引起過激磁［6］。

勵磁調節器的電壓/頻率限制應先于發電機和主變壓器的過激磁保護動作，一般動作后減少電壓給定值來限制電壓/頻率限制比值。在整定勵磁調節器電壓/頻率限制單元定值時，要充分考慮與發電機、變壓器的過激磁保護定值的匹配，電壓/頻率限制定時限定值不得高于發電機、變壓器過激磁保護定值。若是反時限特性，曲線之間要匹配，要保證勵磁調節器電壓/頻率限制先動作［7］。某電廠1 000MW 機組發電機和變壓器配置了過激磁保護，發電機過激磁保護電壓/頻率報警值為1.06，時間為0.5 s;變壓器過激磁跳閘保護反時限特性啟動值為1.09，時間常數為0.63，發電機的過勵磁能力低于主變，所以勵磁調節器電壓/頻率限制主要與發電機的過激磁保護匹配。勵磁調節器中過激磁限制定值為1.06，時間為0 s，能夠與發電機過激磁保護定值匹配(見圖2)，當發生發電機過激磁時首先由勵磁調節器判斷加以限制，當限制失敗時，由發電機過激磁保護跳閘［8］。

圖2 發電機過勵磁保護與V/F限制整定計算曲線Fig.2 Setting calculation curves between V/F limiter and over excitation protection in generator

3 發電機定子繞組過流保護與勵磁調節器定子電流限制之間的匹配

勵磁調節器定子電流限制的作用是監測發電機定子電流給定值，把發電機定子電流限制在預定范圍，當發電機定子電流超過限制區，如果此時發電機在進相運行，則限制器動作，增加勵磁電流;如果此時發電機在遲相運行，則限制器動作，減少勵磁電流。其定子電流限制定值一般不超過額定電流的1.05倍，即調節器定子電流限制值為0.9 pu，時間為0 s，低于發電機定子過流保護整定值，滿足匹配要求(見圖3)。

圖3 發電機過電流保護與定子電流限制整定計算曲線Fig.3 Setting calculation curves between stator current limit and over current protection in generator

4 結論

某電廠4臺機組自正式投產發電以來運行良好，從未發生過因發變組保護定值與勵磁調節器參數匹配不當，造成機組停運。勵磁調節器限制單元的定值整定要結合發變組一次系統運行方式和繼電保護相關保護定值統籌考慮，做到定值之間的匹配優化，從而保證機組的安全穩定運行。

［1］陸繼明.同步微機發電機微機勵磁控制［M］.北京:中國電力出版社，2005:132-136.

［2］竺士章.發電機勵磁系統試驗［M］.北京:中國電力出版社，2005:80-85.

［3］孫宇光，郝亮亮，王祥珩.同步發電機勵磁繞組匝間短路的數學模型與故障特征［J］.電力系統自動化，2011，35(6):45-50.

［4］Morison K，Wang L，Kundur P.Power system security assessment［J］.IEEE Power and Energy Magazine，2004，2(5):30-39.

［5］Q/GDW 143—2006電力系統穩定器整定試驗導則［S］.北京:中國電力出版社，2006.

［6］吳跨宇，周平，高春如，等.基于空載誤強勵滅磁對發電機過電壓保護整定的研究［J］.電力系統保護與控制，2011，39(2):98-103.

［7］楊濤，劉棟.G60發電機保護在大型機組中的應用與運行分析［J］.電力系統保護與控制，2009，37(11):112-115.

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