大規模互聯電網下發電機過勵磁限制與勵磁繞組過負荷保護的配合研究

曹 媛

(河北農業大學,河北 保定 071001)

大規?；ヂ撾娋W下發電機過勵磁限制與勵磁繞組過負荷保護的配合研究

曹 媛

(河北農業大學,河北 保定 071001)

闡述發電機組過勵磁限制與勵磁繞組過負荷配合失當造成大電網事故的案例,分析勵磁繞組過負荷保護和過勵限制反時限特性配合關系。利用電網穩定計算結果找出失去配合的機組,給出一種優化的配合方式,對優化前后機組勵磁電流和系統電壓情況進行計算比較,證明了優化方案的有效性。

發電機;過勵限制;勵磁繞組過負荷保護;無功電壓

0 引言

隨著我國大規模超/特高壓交直流互聯電網的快速發展,各種電力系統新設備和新技術不斷投產和應用,系統的動態行為變得更加復雜,這使得發生在暫態過程之后的中長期動態穩定問題日趨突出并逐步受到電力系統研究人員的高度重視。

以1996年8月10日美國大停電為例,過勵磁限制/保護配合問題是造成事故發生的根本原因[1]。該事件中初期,麥克耐瑞所在網區內一些重要線路開斷造成此區域電壓較低,電廠通過自動勵磁控制提供盡可能大的無功功率,使電壓恢復,此時轉子電流由于強勵等持續升高,超過允許發熱量,而這些發電機勵磁系統過勵限制/保護、發電機轉子過流保護設計、配合不當,過勵限制在沒有將勵磁電流降到安全值之前,過勵保護誤動將13臺發電機切除。

1 過負荷保護與過勵限制的反時限配合關系

發電機本身的轉子過負荷保護按照轉子熱特性來整定配置,如果AVR過勵限制整定與轉子熱特性不匹配,過勵限制動作特性曲線將與轉子熱特性曲線及轉子過負荷保護曲線存在交叉,則頂值勵磁電流持續時間要小于轉子繞組許可時間,限制發電機發揮作用,不利于系統穩定;低倍數勵磁電流持續時間遠大于轉子繞組許可時間,不利于轉子繞組的安全。若發電機配備轉子過負荷保護,則在低過勵倍數情況下發電機轉子過負荷保護將搶先動作,跳開發電機組,使系統在緊急情況下失去發電機有功功率和無功出力支撐,加劇系統工況惡化程度[2]。

過勵限制器等效發熱反時限特性如式下:式中:B為發電機組過勵限制熱容量限值;If為轉子勵磁電流與轉子額定電流之比;t為過勵磁限制時間。

當按照強勵倍數(Ifset)和強勵時間(tset)按照2倍10 s整定時,即把t=10、If=2代入式(1)反推得到:過勵限制熱容量定值B=28.975。

根據DL/T 1309-2013《大型發電機組涉網保護技術規范》[3]規定,發電機轉子繞組應具有不低于下式規定的過負荷能力:

式中:33.75為轉子繞組過熱常數,Ifd為以額定勵磁電流Ifn為基準的勵磁電流標幺值,t為勵磁電流Ifd對應的允許持續時間。

根據式(2),可以得出轉子過負荷保護反時限特性:

對比式(1)和式(3)2個反時限特性,兩者選取的轉子繞組過熱常數不相等,長期允許的勵磁電流倍數不同。雖然轉子過負荷保護的過熱時間常數相對大,但選用的長期允許勵磁電流倍數小,故難以保證動作時間長于過勵限制的時間。

2 大規?；ヂ撾娋W中長期穩定水平的涉網保護分析

針對現行發電機過勵限制/過負荷保護動作特性存在的問題及對互聯電網安全穩定帶來的隱患,應該在保證機組安全基礎上盡量發揮發電機電壓支撐作用,修正涉網保護整定方法[4-6]。通過故障仿真分析驗證可有效解決現行保護整定存在的缺陷,提高互聯電網中長期安全穩定運行水平。方法步驟如下:

a.建立包含發電機過勵限制/保護模型的大電網全過程仿真分析數據模型。

b.建立研究區域電網故障分析故障集。

c.通過仿真分析選出相應故障后電網內處于過勵狀態的發電機組。

d.分析現有發電機過勵限制/過負荷保護模型存在的問題及對電網中長期穩定的影響。

e.分析不同發電機過勵限制/過負荷保護模型整定參數對失配區間的影響。

f.提出發電機過勵限制/過負荷保護整定配合修正方法。

g.驗證整定配合合理的發電機過勵限制/保護特性對提高電網中長期穩定水平的有效性。

2.1 建模仿真分析

建立大規?；ヂ撾娋W包含發電機過勵限制/保護模型的全過程仿真分析數據模型,包含勵磁調節器參數,過勵磁限制裝置參數和轉子過負荷保護模型參數的發電機動態模型。建立計及過勵限制和轉子保護動作的電力系統全過程動態仿真(FDS)程序數據模型。

使用所建立的仿真程序模型,對所要研究的電網區域做較大擾動故障,并篩選出能夠使研究區域內發電機進入過勵磁狀態的故障作為仿真算例對涉網保護參數整定進行研究。

將確定的故障進行全過程仿真分析,篩選出對應故障情況下處于過勵狀態下的發電機組。以下以河北省南部電網為例,在銀東直流雙極閉鎖故障條件下篩選出過勵倍數超過過勵限制/轉子過負荷保護動作門檻值(1.05)的機組。故障后研究區域內發電機勵磁電流倍數如表1所示。其中超過過勵限制動作門檻值的機組為衡水G3、G4。

表1 故障后研究區域內發電機過勵倍數

2.2 整定參數對失配區間影響分析

針對相應故障情況,分析發電機過勵磁和過負荷保護動作時間特性曲線關系。針對現行過勵限制和轉子過負荷保護動作時間特性公式,處于過勵狀態的發電機組,機組失配區間和機組勵磁電流對應關系,分析機組發生轉子過負荷保護搶先動作切機對系統安全穩定的影響。

轉子反時限保護時間特性與轉子本身熱容量特性曲線配合良好,而現行勵磁調節器過勵限制動作時間特性曲線則存在低過勵倍數下動作過慢,導致轉子過負荷保護搶先動作于切機而嚴重惡化系統運行工況的問題。

對確定的機組進行過勵限制/過負荷保護整定參數進行調整,確定不同參數對失配區間以及發電機無功支撐能力的影響。通過對現行過勵限制器動作邏輯中的可調節參數進行調整,研究在不改變過勵限制器動作邏輯的前提下對其動作特性配合情況進行改良的可能性。

現行過勵限制模塊可供更改參數為Ifset和tset,即其所確定的過勵限制熱容量進行調整。理想的保護整定關系應為轉子反時限保護為過勵磁限制的后備,嘗試改變現行Ifset和tset整定值,使對應過勵限制時間特性公式中的熱容量定值B減小。修改后過勵限制時間特性公式為:

不同整定值的動作時間特性曲線如圖1所示,可見相對于現行2倍10 s整定方案的失配區間OC,更改為2倍8 s或2倍5 s后的失配區間OB、OA相對減小,但失配問題依然存在,并不能從根源上解決問題。且過小的過勵限制熱積累定值限制了發電機緊急狀態下短時過載能力的發揮,不利于系統電壓穩定和恢復。

圖1 不同整定值下過勵限制動作時間特性曲線

經過對過勵限制/轉子反時限保護時間特性公式以及各整定參數的分析,發電機過勵限制和轉子保護產生配合不當問題的根源在于過勵限制和轉子過負荷保護選擇的長期允許電流Ifdn不同,在過勵限制中Ifdn取1.05倍額定勵磁電流,在轉子過負荷保護中取1.0。這個差別是過勵限制和轉子反時限過負荷保護曲線存在交叉的根本原因。

3 發電機過勵限制/過負荷保護整定配合修正方法及驗證

3.1 修正方法

根據發電機過勵磁限制和轉子反時限保護的動作時間特性公式及動作參數,提出一種能夠在保證發電機安全的基礎上盡量發揮機組無功支撐能力的過勵磁限制/轉子過負荷保護配合整定解決方法。

導則規定的發電機過勵限制/轉子過負荷保護的時間特性公式須同轉子熱特性曲線公式良好配合,采取修正過勵限制時間特性公式的發電機保護修正方法。即將過勵限制模型中的長期允許電流由1.05倍Ifdv修正為1.0倍Ifdv。對應到實際設備以瑞士ABB Unitrol 5000型數字式勵磁調節器41307-6型過勵限制器為例,即將模型中P1301參數由1.05修正為1.0。

41307-6型過勵限制器模型動作時間公式為:

修正后整定合理的過勵限制時間特性曲線如圖2所示。

圖2 過勵限制/轉子過負荷保護時間特性曲線

3.2 驗證分析

通過對相應故障情況下動作時間特性公式修正前失配情況和修正后配合良好情況下的全過程仿真分析,對比研究故障后區域內500 k V母線電壓及脫網機組數量。驗證了所提出的整定配合方法能夠和轉子熱容量曲線配合良好,確保發電機安全,且能夠在緊急情況下保證發電機并網運行,充分發揮發電機無功支撐能力維持系統電壓,提高電網中長期穩定運行水平。

對過勵限制/轉子過負荷保護配合問題的研究,以河北/山東電網為研究對象,為區域內發電機組同時配備AVR過勵磁限制和轉子過負荷保護。以銀東直流雙極閉鎖引起長南線低電壓自動解列故障方式下的發電機過勵限制/過負荷保護動作情況及其對電網穩定性影響。故障前銀東直流輸送功率為4 000 MW長南線北送5 400 MW,故障后潮流轉移至石北-辛安-聊城線并引起附近地區電壓偏低。

配合不當的過勵磁限制/過負荷保護會在發電機低過勵水平時出現過勵限制動作時限遠大于轉子保護情況從而引起轉子保護搶先作用于切除發電機。實際仿真過程中故障發生后初期僅有冀衡水機組勵磁電流超過1.05 p.u.,其他機組并未達到過勵限制/過負荷保護啟動值。但在轉子過負荷保護在328 s動作與切除衡水機組后,機組脫網引起的大量有功/無功損失加劇系統工況的惡化程度。進而依次引起滄州、滄東機組轉子過負荷保護動作切機,最終導致冀西柏、冀邯峰、冀邢南等主力機組過負荷保護動作脫網從而導致電壓崩潰。可見,保護整定值不合理將直接造成事故蔓延擴大。配合不當情況下切除機組如表2所示,研究區域500 k V母線電壓及機組勵磁電流如圖3、圖4所示。

表2 現行整定方案配合不當情況下動作時序

圖3 修正前500 k V系統母線電壓

圖4 修正前機組勵磁電流曲線

配合合理情況下500 k V彭村站附近衡水機組在故障后提高勵磁電流并高于1.05倍額定勵磁電流的等效反時限熱量積分啟動值,并在故障發生900 s后過勵磁限制器動作于降低勵磁電流至額定值,如表3所示。此時發生過勵限制機組并未脫網,依然為系統提供一定有功/無功支撐,系統電壓穩定于較高水平?？梢?整定合理的過勵磁限制能夠在充分挖掘機組無功支撐潛力的基礎上保護設備安全,相較于保護切機動作,對電網穩定性沖擊較小。研究區域500 k V母線電壓及機組勵磁電流如圖5和圖6所示

表3 修正方案配合合理情況下動作時序

圖5 修正后500 k V系統母線電壓

4 結論

a.發電機的過勵磁限制與過負荷保護配合不當,將在發電機低過勵水平時出現過勵限制動作時限遠大于轉子保護情況,從而引起轉子保護搶先作用于切除發電機。

圖6 修正后機組勵磁電流曲線

b.過勵限制和轉子過負荷保護選擇的長期允許電流Ifdoc不同,是過勵限制和轉子反時限過負荷保護曲線存在交叉的根本原因。

c.采用統一的長期允許電流Ifdoc,合理選擇動作曲線后,可以實現過勵限制與轉子反時限過負荷保護的較好配合。

d.整定合理的過勵磁限制能夠在充分發揮機組無功支撐潛力的基礎上保護設備安全,相較于保護切機動作,對電網穩定性沖擊較小。

[1] 盧衛星,舒印彪,史連軍.美國西部電力系統1996年8月10日大停電事故[J].電網技術,1996(9):40-42.

[2] DL/T 684-1999,大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則[S].

[3] DL/T 1309-2013,大型發電機組涉網保護技術規范[S].

[4] 王維儉,侯炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎[M].2版.北京:水利電力出版社,1989.

[5] 高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[M].北京:中國電力出版社,2006.

[6] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].2版.北京:中國電力出版社,2002.

本文責任編輯：王洪娟

Coordination of Over Excitation Limiter and Excition Winding Overload Protection for Large-scale Interconnected Power System

Cao Yuan
(Agricultural University of Hebei Province,Baoding 071001,China)

This paper expounds an accident owing to inappropriate coordination of the over excitation limiter and excition winding overload protection.Analysis the coordination of the over excitation limiter and excition winding overload protection.Using power system calculation finds appropriate generator units.Presents a new method for their coordination.Comparing the charicristic of the excitating current and Reactive voltage,it is concluded that the proposed scheme is efficacious.

generator;over excitation limiter;excition winding overload protection;reactive voltage

TM732

A

1001-9898(2017)02-0011-05

20170306

曹 媛(1996-),女,河北農業大學電氣工程及其自動化專業在讀本科,研究方向為電力系統及其自動化。