大型發電機繞組過負荷保護和勵磁限制配合整定分析

張忠翼+劉明

摘 要：大型發電機組發變組轉子和定子繞組過負荷保護與勵磁調節器轉子、定子繞組過負荷限制正確的動作配合關系應為勵磁調節器限制功能先于發變組保護動作，但當前多數機組在進行整定計算時，容易忽略該配合關系，常出現整定錯誤，一旦發電機組系統出現異常，則發變組保護會先于勵磁限制器動作，最終導致機組非停。為了避免因整定方法不合理而給機組運行埋下安全隱患，以某廠機組為分析模型，針對其不同機組、不同型號的發變組保護，調節器限制原理，動作特性進行了詳細的計算分析，并提出了相應的解決方案。

關鍵詞：轉子過負荷；定子過負荷；強勵反時限；發電機

中圖分類號：TM303.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.001

文章編號：2095-6835（2015）15-0001-04

針對現代大型發電機組運行時可能發生的轉子繞組過流、定子繞組過流等不正常的運行方式，大型發電機組發變組保護裝置中均裝設有轉子、定子繞組過負荷保護。

發電機自動勵磁調節裝置（以下簡稱“AVR”）通過調節、限制和切換等方法對勵磁系統起到限制和保護作用，主要包括低勵磁的限制和保護、勵磁過電流的限制和保護、過勵磁的限制和保護等。其動作順序為：先進行限制，使AVR恢復至正常工作狀態；當限制器動作后，AVR仍然無法恢復至正常工況時，再由AVR的保護延時動作，將AVR由工作通道切換至備用通道或自動切至手動（或再經延時將AVR切至50 Hz手動）；如果仍然無法恢復至正常工況，由發電機繼電保護作用于停機。

發電機具備短時過載能力，因此，在極端工況下要有效、充分地利用發電機的過載能力。但由于國內的標準不統一、廠家設計理念有差異、整定方案不同等原因，當前國內大部分電廠的發變組保護轉子過流、定子過流定值和勵磁調節器參數的整定中往往忽略了其之間的配合，造成發變組保護、勵磁限制、國標三條反時限曲線錯位、動作順序錯誤、沒有級差。

合理整定勵磁系統過勵限制和保護定值是關系著機組安全和電力系統穩定的重要問題。美國在1996年和2003年經歷了2次大停電，在電網瓦解的最后時刻都有過勵保護動作。由此可見，在避免電網瓦解的過程中，需要大量無功的支持，正確的勵磁系統過勵限制和過勵保護可在保證發電機組安全、可靠運行的前提下，最大限度地發揮發電機的作用，從而提高電網的穩定裕度。

2012年，國網公司牽頭開展了并網機組網源協調重要參數專項核查和整改工作，目的是對照《大型發電機組變壓器繼電保護整定計算導則》等技術標準和并網管理規定，對發電機組定子過負荷限制器、定子過負荷保護與發電機定子過負荷能力不匹配，勵磁系統過勵限制器單元、發電機轉子過負荷保護與發電機過勵能力不匹配等問題進行了調查、整改。在國網公司編制的網源協調調查表中，只針對轉子、定子過負荷和勵磁調節器限制曲線上的幾個點進行了計算，并不能完整地看到曲線的配合關系和級差情況，也無法進行精確的調整計算。本文以某電廠為例，對相關數據進行了精確計算，繪制了完整的曲線進行分析、調整，以找到合適的參數和方法整定。

1 發電機定子、轉子過負荷能力的確定

1.1 發電機轉子繞組的過負荷能力

對于汽輪發電機，標準中規定了汽輪發電機轉子過電流的反時限特性，發熱常數為33.75，這也是發電機廠家給出的轉子過電壓（實際是過電流）參考曲線，具體如表1所示。

針對其他的過流值所允許的時間，標準中給出了具體的函數：

（If2-1）t=33.75. （1）

式（1）中：If為勵磁電流實際值，標幺值；t為勵磁電流持續的時間。

表1 發電機轉子過電流值和允許時間表

1.2 發電機定子繞組過負荷能力

按照標準，對汽輪發電機定子繞組過電流能力的要求是：容量小于1 200 MVA及以下發電機允許的過電流時間和過電流倍數由以下函數確定：

（I2-1）t=37.5. （2）

式（2）中：I為定子電流實際值，標幺值；t為當前的電流值下所允許的持續時間。

2 案例分析

以某電廠為例，2×600 MW機組發電機型號為QFSN-600-2，為上海汽輪機廠生產，發變組保護采用美國GE生產的G60系列保護裝置，勵磁調節器采用瑞士ABB公司生產的UNITROL 5000勵磁調節系統。

2.1 轉子過負荷保護與限制配合分析

2.1.1 發變組的保護原理

發變組保護采用美國GE公司的產品，轉子過負荷以IEEE反時限方程為基礎，出口方式為減勵磁。勵磁調節器采用ABB公司UN5000勵磁調節裝置，采用自己的計算方程，在發生勵磁限制動作后不進行通道切換，限制失敗延時2 s后進行通道切換，通道切換后限制依然失敗后，再延時3 s切換手動方式，計算過程如下（勵磁變高壓側CT變比200/1星形接線F35—I和F35—II）：

式（3）中：TMD為時間常數；Ipickup為反時限動作特性的啟動電流；A取28.2；B取0.121 7；P取2.

根據《大型發電機組變壓器繼電保護整定計算導則》中的4.5.2，轉子過負荷保護反時限特性的啟動電流應按正常運行的額定勵磁電流下能可靠返回的條件整定，計算方式如下：

式（4）中：Ie為額定勵磁電流；Krel為可靠系數，取1.05；Kr為返回系數，取0.85～0.95，條件允許的情況下應取較大值。勵磁變過負荷保護反映的是勵磁變高壓側交流電流，應將折算到勵磁變高壓側：

式（5）中：CTpri為勵磁變高壓側的CT一次額定電流；n為勵磁變變比。

以2.08倍為轉子過負荷能力的電流倍數，10 s這個點的計算時間常數為TMD，再用1.12倍60 s的點進行校核，計算得到的時間常數是：