發電機勵磁系統保護配置及整定分析

楊乾純

(中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部，上海 200540)

對于發電機失磁故障，《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》(DL/T 684—2012)描述了發電機失磁故障發生后的系統的特征量、發電機失磁后造成的危害。對于失磁保護的整定，文獻[1-3]提出阻抗動作邊界映射至P-Q平面的方法，確定發電機失磁故障時功率動作邊界。對于失磁保護和低勵限制的配合，文獻[4-5]對發電機失磁保護和低勵限制之間的配合整定計算問題進行深入研究，并進行系統總結，以指導二者的配合整定計算。以上文獻對電力企業的發電機整定和配合具有一定指導作用，但未就具體的保護裝置應如何進行整定配置予以詳細說明，在實際的工程應用中，要結合現有的保護裝置進行整定。文章結合煉化企業自備發電廠的典型繼電保護和自動調節勵磁裝置配置，介紹了勵磁系統保護動作的條件和工程實際應用中的整定方案以及保護之間的配合關系。以某煉化企業自備發電廠6號汽輪發電機為例，對其勵磁系統進行研究，其具體配置如下：發電機型號QF-125-2，發電機額定容量147.1 MVA，定子繞組額定電流為6 154.4 A，轉子繞組額定電流1 325 A，發電機保護采用SEL300G微機保護裝置，雙重化配置，勵磁系統采用勵磁變靜止勵磁方式，勵磁調節裝置采用ABB UNITROL F微機靜態勵磁調節裝置。

1 發電機失磁保護

1.1 基本工作原理

發電機在運行中失去勵磁，其電動勢有一個衰減的過程，在這個衰減過程中由于有功功率保持不變，因此功率角會不斷增大，當功率角增大到90度時，發電機開始進入不穩定失步運行狀態，直至進入穩定異步運行狀態。

發電機失磁后的電氣量特征為：發電機勵磁電壓降低，發電機從為系統提供感性無功變成從系統吸收感性無功，定子電流上升，機端電壓降低。

發電機失磁后導致系統電壓降低，危及系統的穩定運行。機端電壓降低會影響接在機端的廠用電負荷，危及發電廠的穩定運行。定子過電流造成定子繞組溫度上升，危及繞組絕緣。另外，發電機失磁還會造成機組振動和發電機轉子局部過熱，影響發電機的安全運行。

根據發電機失磁的基本電氣特征，可檢測到發電機失磁狀態。以失磁后發電機機端測量阻抗的變化、失磁阻抗特性作為失磁的判據[6]。

(1)失磁后機端測量阻抗Zm的變化。設機端電壓為Ug，發電機送出電流為Ig(Ug取線電壓，則Ig為線電流)，發電機的有功功率為P，發電機的無功功率為jQ，由于失磁前輸出感性無功功率，所以測量阻抗位于復平面中的第一象限。

(2)靜穩阻抗邊界圓。為了使失磁后測量阻抗落入設置的阻抗動作特性內，顯然該阻抗動作特性應包含第四象限部分區域。通常采用的阻抗動作特性是靜穩阻抗邊界圓和異步阻抗邊界圓。

發電機失磁后，測量阻抗Zm進入第四象限，到達A點，表示δ=90°，即為臨界失步，再進入靜穩阻抗邊界圓內，發電機便失步運行。

由圖1不難看到：發電機失磁時，機端測量阻抗容易進入靜穩阻抗邊界圓內，當發電機與系統的聯系電抗Xcon較大時，更容易進入。對異步阻抗邊界圓來說，當Xcon較大時，失磁時機端測量阻抗可能不能進入該邊界圓內。但是，發電機在正常進相運行時，異步阻抗邊界圓比靜穩阻抗邊界圓有較好的躲負荷阻抗的能力；此外，振蕩時機端測量阻抗不會落入該特性圓內。作為兩邊界圓的折中，檢測失磁的阻抗特性可取以-jXd為直徑的一個圓，如圖1中的圓4。

圖1 汽輪發電機失磁阻抗特性

由此可見，應采用雙阻抗圓判別發電機失磁具有異步阻抗圓判別發電機失磁的特性。

圖2 雙阻抗特性圓檢測發電機失磁

1.2 整定計算

靜止勵磁方式下的失磁保護為阻抗型失磁保護，保護裝置的輸入量有：機端三相電壓(電壓互感器變比為nTV)、發電機三相電流(電流互感器變比為nTA)。

整定計算中需要對定子阻抗判據進行選擇，靜穩阻抗判據的優點是失磁時動作早、靈敏度高，但發電機振蕩時阻抗判據要誤動作；異步阻抗判據或雙阻抗圓判據失磁時動作相對晚一些，但發電機振蕩時肯定不會誤動作。阻抗判據的選擇應根據發電機與系統間聯系阻抗大小、系統運行狀況確定。一般情況下，當電廠與系統聯系緊密(線路大于或等于3回，或較短線路2回)時，宜優先采用異步阻抗圓或雙阻抗圓；當電廠與系統聯系比較薄弱(如發變線與系統相連)時，宜優先采用靜穩圓；當無法判別聯系緊密程度時，可采用過坐標原點的下拋圓或將靜穩圓切去相應部分。由于該煉化企業自備發電廠擁有3回與系統之間的聯絡線，因此采用雙阻抗圓作為發電機失磁保護的定子阻抗判據。

該煉化企業自備發電廠6號發電機失磁保護的整定計算過程如下：

SEL300G保護裝置失磁保護下拋雙阻抗圓動作特性如圖3所示，失磁保護動作區由兩個下拋阻抗圓Zone 1和Zone 2組成，Zone 1圓內為下拋阻抗特性圓1保護動作區，Zone 2圓內為下拋阻抗特性圓2保護動作區。

SEL300G保護裝置下拋阻抗特性圓1的定值整定方法如下：

40Z1P=Zgn=15.0102 Ω

時限40Z1D=1 s跳閘。

SEL300G保護裝置下拋阻抗特性圓2的定值整定方法如下：

40XD2=40XD1=-1.748 7 Ω

時限40Z2D=1 s發信。

圖3 SEL300G保護裝置失磁保護動作特性(下拋雙阻抗圓)

2 勵磁調節裝置和失磁保護的配合

2.1 勵磁調節裝置低勵保護的整定要求

發電機失磁指的是發電機磁極剩磁很弱或沒有，在旋轉過程中建立不了勵磁電壓，失磁時發電機沒有電壓輸出。而發電機低勵是指發電機有勵磁電壓，只是電壓低，達不到要求，是發電機的一種非正常運行狀態。在低勵情況下發電機輸出的電壓比額定電壓低一些。發電機低勵運行，其定、轉子間磁場聯系減弱，發電機易失去靜態穩定。為了確保一定的靜態穩定裕度，勵磁調節系統在設計上均配置了低勵限制回路，即當發電機一定的有功功率下，無功功率滯相低于某一值或進相大于某一值時，在勵磁調節裝置綜合放大回路中輸出一增加機端電壓的調節信號，使勵磁增加，起到保護作用。

在發電機勵磁電流減小直至失磁的過程中，勵磁調節裝置的低勵限制保護應首先動作，如未起到限制作用，則應切到備用通道；如切到備用通道仍然未能起限制作用，則應該由失磁保護判斷后動作停機。低勵限制單元應先于失磁保護動作，以滿足低勵限制和失磁保護的整定配合，這是對低勵限制整定的基本要求。

發電機組勵磁調節器低勵限制單元的限制曲線主要有兩種形式：一種是圓弧限制曲線(如ABB UNITROL5000型勵磁調節器的低勵限制曲線)；另一種是直線限制曲線(如南瑞的SAVR2000勵磁調節器的低勵限制曲線)。不論是圓弧限制曲線，還是直線限制曲線，低勵限制動作曲線都是按照發電機不同有功功率靜穩定極限及發電機端部發熱條件確定的，它們的原理分析以及動作曲線的整定計算分析也都是在功率平面(P-Q平面)上進行的，而以發電機端阻抗圓構成的失磁保護，其原理分析以及定值的整定計算分析卻是在阻抗平面(R-X平面)上進行的。因此，為使低勵限制和失磁保護能符合正確的動作順序，就必須分析低勵限制和失磁保護之間的關系，將兩者歸算至同一個平面進行比較，從而探討整定配合的合理性，此處將低勵限制和失磁保護兩者歸算到同一個功率平面進行整定配合的討論。

2.2 勵磁調節裝置低勵保護的整定配合

2.2.1 理論計算

(1)將失磁保護曲線映射至P-Q平面

通過上節的綜述，我們可以統一阻抗型失磁保護的標準圓方程：

(1)

其中，X0為失磁保護阻抗圓的圓心，R0為失磁保護阻抗圓的半徑。

將R=(Ucosφ)/I,X=(Usinφ)/I代入式(1)并化簡得：

(2)

將sinφ=Q/(UI),I2=(P2+Q2)/U2代入式(2)得：

(3)

化簡后得：

(4)

以該煉化企業6號發電機低勵限制與失磁保護的整定計算為例。

發電機參數：額定容量SGN=147.1 MVA，額定功率PGN=125 MW，機端電壓UGN=13.8 kV，電流互感器變比nTA=8 000/5，電壓互感器變比nTV=13.8/0.1。發電機勵磁調節器的低勵限制曲線參數設定值如下所示。

PQ IEMIN LIM:

1501 REF0Q(P) LIM-10.0%

1502 REF25Q(P) LIM-10.0%

1503 REF50Q(P)LIM-10.0%

1504 REF75Q(P)LIM-5.0%

1505 REF100Q(P)LIM-0%

以發電機額定容量SGN=147.1 MVA為基準值，將以上以百分比表示的數值換算為一次實際值后如表1所示。

表1 低勵限制P-Q換算

圖4 失磁保護動作特性示意

根據上節發電機失磁保護整定計算的結果，計算阻抗圓的圓心和半徑，阻抗圓1反映發電機在負荷較高時的失磁情況，

阻抗圓2反映發電機在任意負荷時的失磁情況，

經計算，得到異步圓1與Q軸交點為(0,-118.90 MVar)。

經計算，得到異步圓2與Q軸交點為(0,-61.344 MVar)。

(2)低勵限制曲線

根據表1中換算后的P、Q值數據繪制。

2.2.2 校核結論

將各曲線按相同比例畫在同一平面上，如圖5所示。由圖5可知：在機端電壓最低允許值為0.95UGN的情況下，所有失磁保護阻抗圓均位于低勵限制線的下方，且有一定的裕度，低勵磁限制與失磁保護可以配合，整定關系滿足相關要求。

圖5 低勵限制曲線與失磁保護配合整定示意

3 過勵磁保護及勵磁限制器

同發電機低勵磁一樣，過勵磁也是發電機的一種非正常運行狀態，當發電機發生過勵磁時，鐵芯的工作磁密升高導致其出現飽和使得鐵損增加。鐵芯飽和還會使漏磁場增強，漏磁通在穿過鐵芯表面和相應結構件中引起的渦流損耗也相應增加。由這些附加損耗引起的溫升有可能導致發電機繞組絕緣的損壞。因此勵磁調節系統在設計上均配置了過勵磁限制器，在發電機過勵磁時起到限制勵磁和保護發電機的作用。

過勵磁限制器在正常情況下是不參與自動勵磁控制的，而當發生異常運行工況，投入某些特殊的限制功能，對提高勵磁系統的響應速度、提高電力系統穩定及保護一次設備的安全運行有重要作用。

過勵磁電流限制器由最大勵磁電流瞬時限制和反時限延時過勵磁電流限制兩部分組成，其整定與發電機轉子繞組發熱特性相互配合。當電力系統發生短路故障導致母線電壓降低時，為了提高電力系統的穩定性，應迅速將發電機勵磁增加到最大值進行強勵。最大勵磁電流限制瞬時動作，用于限制發電機勵磁電流的頂值，防止超出允許的強勵倍數，避免勵磁功率單元和發電機轉子繞組超限制運行而損壞[7]。反時限延時過勵磁電流限制主要的功能為最大勵磁電流延時限制，按發電機轉子容許發熱極限曲線對發電機轉子電流進行限制，防止發電機轉子繞組因長時間過流而過熱。受轉子繞組發熱的限制，當強勵時間超過允許時間，勵磁電流仍不能自動下降，反時限延時過勵磁電流限制應動作退出強勵，自動將勵磁減小到最大允許值附近。強勵的頂值電流(在ABB UNITROL F裝置中為1303參數，即IEMAX)是額定勵磁電流的2倍，強勵時間(在ABB UNITROL F裝置中為1305參數，即IEMAX.SEL)是10 s，允許的最大連續運行勵磁電流(在ABB UNITROL F裝置中為1301參數，即IETH)為額定勵磁電流的1.05倍。在ABB UNITROL F裝置中，1307參數定義為過熱積分器的散熱時間常數。1306參數是強勵結束后，勵磁電流限制器送到疊加點的參考值REF IE LIM ACT(11303)降低到IETH的延時。1309參數是當勵磁電流限制器動作時對應的增益，與其他參數一起形成一組PID調節參數。實際勵磁電流與REF IE LIM ACT(11303)的差值超過額定勵磁電流的5%，即實際勵磁電流超過1.1倍，2 s內勵磁電流限制器仍不奏效，發勵磁過流一級信號(A106，10905=1)，過勵切換動作；再經3 s仍不奏效，發勵磁過流延時啟動跳閘信號(F3，10906=1)，過勵保護動作。

在發電機帶負荷條件下進行現場調試時，先記錄勵磁電流實際值，再根據這個值，臨時調小1301，1303，1307參數，增加勵磁電流使限制器動作，再減少勵磁，使其退出限制，待裝置充分散熱后再在限制點附近做+1%或+2%階躍試驗，觀察勵磁電流限制器的動態響應情況，對機端電壓、有功、無功、勵磁電流、勵磁電壓進行錄波，根據系統響應情況，適當調整PID參數，可以使限制器在動作時，調節器具有良好的穩定性和動態響應性能力[8]。過勵磁限制在ABB UNITROL F型裝置中的參數設定值如下：

1301REF1IETH(勵磁電流限制器啟動值)105%(1.05倍額定)

1303REF1IEMAX(勵磁電流限制器最大值)200%(2倍額定)

1305TIMEIEMAX.SEL(勵磁電流設定最大延時)10 s

1306TCIEREDMAX-TH1.00 s

1307TIMEIEBACKINT100.0 s

1309KOELIE50%

表2 汽輪發電機轉子過電流的反時限特性的匹配關系

4 結語

以某煉化企業的自備發電機組為例，介紹了125 MW發電機勵磁系統的典型保護配置，分析了失磁保護和勵磁調節裝置兩者之間協調配合的必要性，并提出將發電機失磁保護與勵磁系統低勵限制曲線都歸算到P-Q平面上進行比較的方法，驗證了失磁保護與低勵限制的配合關系符合國家電網公司《發電廠并網安全性評價》中低勵限制優先于失磁保護動作的要求，提出了過勵磁保護參數整定無法同時滿足發電機轉子過負荷的技術要求和電網對并網機組強勵能力的要求，以及對此采取的相應措施。