保護與勵磁對發(fā)電電動機運行的限制

丁燁楠，孫育哲

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江 天臺317200）

1 引言

抽水蓄能電站發(fā)電電動機穩(wěn)定運行，主要由發(fā)電電動機本體的功能特性決定，同時其勵磁調(diào)節(jié)器、繼電保護裝置也作用巨大。在目前電力系統(tǒng)優(yōu)先考慮電網(wǎng)穩(wěn)定的大前提下，本文嘗試將勵磁調(diào)節(jié)器、繼電保護裝置的限制與發(fā)電電動機的性能，利用PQ圖進行分析。并結(jié)合某抽蓄電站機組的實際參數(shù)和運行特點繪制其可運行的區(qū)域圖形。

2 發(fā)電電動機運行能力區(qū)域

以某抽水蓄能機組發(fā)電方向為例：

機組相關(guān)參數(shù)：

額定容量發(fā)電 334 MW，cosφ=0.9，φN=25.84°，Xd=1.14，Xq=0.757。

某抽水蓄能電站發(fā)電電動機屬于凸極機，通過將其電、磁量分解為交軸分量和直軸分量可以得到發(fā)電電動機的電勢方程：

根據(jù)公式（1）可以繪制出發(fā)電電動機相量圖（圖 1）。

根據(jù)圖1繪制發(fā)電電動機的發(fā)電方向理論穩(wěn)定區(qū)域PQ圖。

靜穩(wěn)曲線：考慮發(fā)電電動機應具有一定的穩(wěn)定裕度，將靜穩(wěn)極限所對應的最大功率減少10%Pmax。

圖1 發(fā)電電動機電流相量圖

定子穩(wěn)定曲線：定子負荷不能超過其額定值，不考慮發(fā)電電動機具有一定的過負荷能力時按額定的繪制。

通過計算可以得到發(fā)電電動機理論運行區(qū)域（發(fā)電方向）為圖2中陰影部分。曲線1為發(fā)電電動機1.05倍額定負荷時的情況，即定子電流限制。這些特性由發(fā)電電動機自身特性決定。

3 與發(fā)電電動機運行能力相關(guān)的勵磁限制及繼電保護

圖2 發(fā)電電動機理論運行區(qū)域（發(fā)電方向）

3.1 失磁保護、功角限制

（1）失磁保護

繼電保護通常使用阻抗圓表示失磁保護的整定范圍。為在PQ圖中畫出失磁保護的動作區(qū)域，需要將失磁保護的阻抗圓轉(zhuǎn)化為導納圓。

R為電阻；X為電抗；Z為阻抗；G為電導；B為電納；Y為導納。

根據(jù)公式（2）我們可以得到：

失磁保護的定值：圓心（0，0.733 pu）、直徑：1.129 pu。

根據(jù)公式（3）（4）我們將阻抗圓演算到導納平面得到了失磁保護導納圓圖。

根據(jù)公式將導納與PQ平面建立關(guān)系：

S為視在功率；P為有功功率；Q為無功功率；U為電壓。

根據(jù)公式（5）可以將導納圓映射到PQ平面中。

（2）功角限制

功角限制器實質(zhì)上是一種低勵限制，某電站的功角設定值為70°，且該限制與失磁保護相互配合作用。

圖3中曲線“失磁保護”代表了失磁保護在PQ圖中的界線，其右側(cè)是可運行區(qū)域，射線“功角限制”代表了功角限制在PQ圖中的界線，其右側(cè)是可運行區(qū)域。

3.2 最大、最小勵磁電流限制

圖3中BA連線與磁阻圓相交于R點，RA的長度反映轉(zhuǎn)子額定電流的大小，最小勵磁電流取其10%。在某抽水蓄能電站取12.5%作為最小勵磁電流限制，取105%作為最大勵磁電流限制。

圖3中曲線1'為勵磁最小電流限制曲線，其右側(cè)為可運行區(qū)域，曲線1'''為最大勵磁電流限制曲線，其左側(cè)為可運行區(qū)域。

圖3 含轉(zhuǎn)子過負荷保護的發(fā)電電動機PQ圖

3.3 勵磁變過流、轉(zhuǎn)子過負荷保護

（1）勵磁變過流保護

某電站勵磁變過流一段動作電流值取0.2 A，CT變比為300：1。因此對應的一次電流為60 A。勵磁變壓器高、低壓側(cè)的額定電壓分別為18 000 V和550 V，計算對應勵磁變低壓側(cè)電流為：

由于勵磁電流是通過整流后的直流電，考慮0.816的整流變換，對應的勵磁電流為：

對應額定勵磁電流倍數(shù)：

根據(jù)線段RA的長度確定勵磁額定電流的線段長度，并在其延長線上截取其長度1.357倍的線段，用同種方法依次在B點到磁阻圓邊界的延長線上截取相同長度的線段，并將其端點描繪成曲線，在圖3中如曲線勵磁變過流0.2 A定值段所示。曲線左側(cè)為可運行區(qū)域。

（2）轉(zhuǎn)子過負荷保護

某電站轉(zhuǎn)子過負荷保護值取0.53 A，CT變比為3 000：1因此對應的一次值為1 590 A。由于勵磁電流是通過整流后的直流電，考慮0.816的整流變換，計算對應的勵磁電流為：

對應額定勵磁電流倍數(shù)：

根據(jù)線段RA的長度確定勵磁額定電流的線段長度，并在其延長線上截取其長度1.1倍的線段，用同種方法依次在B點到磁阻圓邊界的延長線上截取相同長度的線段，并將其端點描繪成曲線，在圖3中如曲線轉(zhuǎn)子過負荷0.53 A段，曲線左側(cè)為可運行區(qū)域。

4 結(jié)論

根據(jù)上述限制條件，可以繪制出某抽蓄電站發(fā)電電動機發(fā)電工況繼電保護、勵磁限制下發(fā)電電動機可運行區(qū)域PQ圖，如圖4。

圖4 繼電保護、勵磁限制下發(fā)電電動機可運行區(qū)域PQ圖

圖4中由4條邊界線構(gòu)成了陰影部分。4條邊界線分別是，曲線1為：定子過負荷邊界；曲線2為：轉(zhuǎn)子過負荷限制；曲線3為：勵磁功角限制；曲線4為：轉(zhuǎn)子最小電流限制。

5 結(jié)語

在發(fā)電電動機的運行與控制中，保護與勵磁相互協(xié)調(diào)共同作用。勵磁系統(tǒng)的各項限制功能均優(yōu)先保證發(fā)電電動機的持續(xù)穩(wěn)定運行。繼電保護的各項限制優(yōu)先保證將故障設備從電網(wǎng)中分離。分析繼電保護與勵磁限制對發(fā)電電動機穩(wěn)定運行的影響，有利于指導勵磁、繼電保護的整定值設置，更大水平的發(fā)揮機組、勵磁等調(diào)節(jié)設備的性能，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。