GE勵磁低勵限制與汽輪發(fā)電機失磁保護及 進相試驗配合校核

鄭桂杰 劉 寧 劉曉文 郝 宇 孫 鵬

（北方聯(lián)合電力有限責任公司達拉特發(fā)電廠，內蒙古 鄂爾多斯 014300）

0 引言

規(guī)程及反措中對勵磁限制與發(fā)變組保護配合有明確要求，其中要求低勵限制及保護應與失磁保護協(xié)調配合，遵循低勵限制先于低勵保護動作、低勵保護先于失磁保護動作的原則，低勵限制線應與靜穩(wěn)極限邊界配合，且留有一定裕度[1-3]。發(fā)電機進相試驗充分考慮發(fā)電機定子端部發(fā)熱、定子電流、發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限及廠用電電壓等條件，確定不同有功功率下發(fā)電機吸收系統(tǒng)無功功率的最大值[4]，且發(fā)電機進相運行時不應進入發(fā)電機失磁保護動作區(qū)。現(xiàn)場中影響發(fā)電機進相試驗深度的因素主要是廠用380V母線電壓低。為防止發(fā)電機組在進相運行時由于進相深度過大，導致廠用輔機跳閘或發(fā)電機失磁保護動作引起發(fā)電機組非正常停運事故，需要勵磁低勵限制先于發(fā)電機失磁保護動作，低勵限制先于進相試驗深度值動作。目前，GE公司EX2100系列勵磁調節(jié)器在國內仍占有一定份額，本文根據(jù)現(xiàn)場某機組GE勵磁低勵限制參數(shù)、失磁保護阻抗定值、進相運行試驗報告，校核GE勵磁低勵限制與發(fā)電機失磁保護、進相試驗配合關系是否滿足要求，不滿足配合要求的給出解決方案。

1 GE勵磁低勵限制與發(fā)電機失磁保護配合校核

勵磁采用GE公司EX2100E勵磁調節(jié)器，發(fā)變組保護采用南瑞繼保RCS985B型裝置，由于發(fā)電機失磁保護是在阻抗平面，低勵限制是在功率平面，需將二者換算至同一坐標平面進行比較。

機組與系統(tǒng)聯(lián)系緊密時，發(fā)電機失磁保護阻抗圓一般采用異步圓，按照《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》整定的失磁保護異步圓，下面進行具體計算。

與系統(tǒng)聯(lián)系緊密的發(fā)電廠或采用自并勵勵磁方式的發(fā)電機組宜將阻抗判據(jù)作為失磁保護的復合判據(jù)之一，優(yōu)先采用定子阻抗判據(jù)與機端三相同時低電壓的復合判據(jù)[1]。

發(fā)電機參數(shù)如下：額定容量SN=667MV·A，額定有功功率PN=600MW，額定無功功率QN=330Mvar，機端電壓Ue=20kV，發(fā)電機電流互感器電流比TAn為25 000A/5A，發(fā)電機機端電壓互感器電壓比TVn為，直軸同步電抗（不飽和值）Xd=215.5%，直軸暫態(tài)電抗（不飽和值）dX′=30.1%。

1.1 計算發(fā)電機失磁保護異步圓定值

失磁保護采用阻抗+機端低電壓+其他判據(jù)動作條件之一必須滿足在阻抗圓內，現(xiàn)場發(fā)電機失磁采用異步阻抗圓，計算異步圓的邊界整定值[5-7]。失磁異步阻抗圓特性如圖1所示。

圖1 失磁異步阻抗圓特性

1.2 失磁異步阻抗圓映射到P-Q平面

設失磁保護阻抗圓的圓心為（0,X0），半徑R0，圓內為動作區(qū)域，其方程為

式中：R=(Uc os?)/I；X=(Us in?) /I。將sin?=Q/(UI)、I2=(P2+Q2)/U2代入式（1），化簡可得P-Q平面方程，即

式中，P、Q、U、I分別為以發(fā)電機額定視在功率和額定定子線電壓為基值的有功功率、無功功率、定子線電壓、定子相電流的標幺值[8-11]。

異 步 圓 半 徑R0=(Xd- 0.5Xd′ )/2，圓 心X0= -(Xd+ 0.5Xd′ )/2，代入式（2），化簡后得

將R0=0.60，X0=-0.69代入式（2），化簡得

異步阻抗圓從R-X坐標系映射到P-Q坐標系，該圓圓心為（0, -5.95U2），半徑為5.17U2，保護動作區(qū)在圓內。

1.3 分析比較

機組GE勵磁低勵限制數(shù)據(jù)見表1。表1中有功功率標幺值、無功功率標幺值均為計算值，基準容量為發(fā)電機額定視在功率。

表1 機組GE勵磁低勵限制數(shù)據(jù)

根據(jù)式（4），當發(fā)電機機端電壓等于額定電壓時，方程為P2+ (Q+ 5.95)2＜5 .172，該圓圓心為（0, -5.95），半徑為5.17，保護動作區(qū)在圓內。圓上方與Q軸交點坐標為（0, -0.78）（見圖2失磁異步圓1）。當發(fā)電機機端電壓等于0.9倍額定電壓時，方程為P2+ (Q+ 4.82)2＜4 .192，該圓圓心為（0, -4.82），半徑為4.19，保護動作區(qū)在圓內。圓上方與Q軸交點坐標為（0, -0.63）（見圖2失磁異步圓2）。當發(fā)電機機端電壓等于0.85倍額定電壓時，方程為P2+ (Q+ 4.30)2＜3 .742，該圓圓心為（0, -4.30），半徑為3.74，保護動作區(qū)在圓內。圓上方與Q軸交點坐標為（0, -0.56）（見圖2失磁異步圓3）。

由上述計算可知，即使電壓最低時，異步邊界阻抗圓與Q軸的交點坐標為（0, -0.56），而低勵限制試驗數(shù)據(jù)在各有功功率下對應的進相無功功率標幺值均在其之上，低勵限制先于發(fā)電機失磁保護動作，因此失磁保護與低勵限制之間配合關系正確。異步阻抗圓在P-Q平面上的映射如圖2所示。勵磁低勵限制與發(fā)電機失磁保護配合滿足要求。

圖2 異步阻抗圓在P-Q平面上的映射

2 低勵限制與進相試驗配合校核

發(fā)電機進相運行試驗報告見表2（內蒙古電力科學研究院，2007-06-11）。表2中，有功功率標幺值、進相無功功率標幺值為計算值。

表2 達電四期2×600MW工程2號機組 進相運行試驗報告

將勵磁低勵限制數(shù)據(jù)與進相試驗數(shù)據(jù)對比見 表3。

表3 勵磁低勵限制數(shù)據(jù)與進相試驗數(shù)據(jù)對比

由表3數(shù)據(jù)可知，有功功率分別為300MW、450MW、600MW時，限制特性的進相深度大于機組進相試驗報告中的進相無功值，低勵限制特性與進相試驗數(shù)據(jù)配合關系不滿足要求，需要進行調整，使低勵限制先于進相試驗報告對應數(shù)據(jù)動作，并留有一定裕度（低勵限制曲線隨電壓變化自動調整，設置時可酌情考慮留出裕度）。

3 低勵限制值調整方法

3.1 勵磁程序中低勵限制相關參數(shù)

UEL Margin值設置為0.175p.u.。表4中有功有名值、無功有名值為計算值。

表4 性能曲線數(shù)據(jù)

現(xiàn)場機組勵磁低勵限制曲線如圖3所示。圖3中，橫坐標為有功功率P，縱坐標為無功功率Q。1為性能曲線數(shù)據(jù)中11點設定值；2為低勵限制曲線，曲線2上方3個圓點為進相試驗值；3為手動方式低勵限制曲線。

圖3 勵磁低勵限制曲線（原曲線）

由勵磁程序中低勵限制數(shù)據(jù)確定的曲線，在相應有功功率下無功功率值見表5，并與對應的進相數(shù)據(jù)對比。

由表5可知，自動方式時，低勵限制曲線特性與進相試驗數(shù)據(jù)配合不滿足要求，手動方式滿足。

表5 低勵限制曲線值及計算值 （程序中UEL Margin為0.175p.u.）

3.2 低勵限制值調整方法

由圖3及表5對比可知，可通過改變低勵限制參數(shù)性能曲線數(shù)據(jù)的11點有功功率、無功功率值來滿足要求；也可通過改變勵磁低勵限制中UEL Margin設定值來滿足要求。

1）方法1：通過調整勵磁低勵限制中UEL Margin設定值，使低勵限制特性與進相試驗特性相配合，并留有一定裕度。

UEL Margin值設置為0.175p.u.時（換算為有名值為0.175×667=116.7Mvar），11點特性曲線與進相試驗值的無功差值絕對值，當有功功率300MW時為193.7Mvar，有功功率450MW時為201.2Mvar，有功功率600MW時為146.7Mvar。

取最大值201.2Mvar，乘以可靠系數(shù)1.05，有201.2×1.05=211.26Mvar，標幺值為211.26÷667=0.317。將UEL Margin 值設置為0.317p.u.后，相應的無功限制值見表5，低勵限制特性與進相試驗數(shù)據(jù)配合關系滿足要求。

調整UEL Margin值后低勵限制曲線如圖4所示。

圖4 低勵限制曲線（UEL Margin設置為0.317p.u.）

圖4中，橫坐標為有功功率P，縱坐標為無功功率Q。1為性能曲線數(shù)據(jù)中11點設定值；2為低勵限制曲線，曲線2下方3個圓點為進相試驗值；3為手動方式低勵限制曲線。

機組在進相試驗各點的試驗數(shù)據(jù)及按低勵限制曲線計算數(shù)據(jù)見表6，限制動作值均在進相試驗特性數(shù)據(jù)之前限制，滿足要求。

表6 調整UEL Margin后機組各有功值下無功限制值

由表6對比可知，調整參數(shù)后，勵磁低勵限制先于發(fā)電機進相試驗值而動作，配合關系滿足要求，并有一定裕度。

2）方法2：根據(jù)進相試驗報告，通過改變低勵限制參數(shù)性能曲線數(shù)據(jù)的11點有功、無功值滿足要求。現(xiàn)場建議采用此方法。

UEL Margin值設置為0.175p.u.不變，各有功功率下進相值按10%裕度考慮，改變性能曲線數(shù)據(jù) 11點曲線值完成配合關系，90%進相無功值為低勵限制值。

設置曲線無功功率有名值計算方法為各有功功率下90%進相無功功率值減去116.7Mvar（UEL Margin值0.175p.u.換算為有名值為0.175×667= 116.7Mvar）。調整11點曲線值后各有功功率下無功限制值見表7。

表7 調整11點曲線值后各有功值下無功限制值

由表7對比可知，調整勵磁性能曲線參數(shù)后，勵磁低勵限制先于發(fā)電機進相試驗值而動作，并且在各點均有較高的進相能力，配合關系滿足要求并有一定裕度。

參數(shù)設置方法：把相應的功率值插入對應點中即可，也可重新均勻設置間隔。

調整后性能曲線數(shù)據(jù)列表見表8。需要說明的是，第11點有功標幺值為0.95p.u.時，一般不會出現(xiàn)此種工況，參考有功標幺值為0.90p.u.時的數(shù)據(jù)，按進相-10MW設置，也可設置為0。

表8 調整后性能曲線數(shù)據(jù)列表 （p.u.）

調整后低勵限制曲線如圖5所示。

圖5中，橫坐標為有功功率P，縱坐標為無功功率Q。1為性能曲線數(shù)據(jù)中11點設定值；2為低勵限制曲線，曲線2下方3個圓點為進相試驗值；3為手動方式低勵限制曲線。

圖5 低勵限制曲線（性能曲線數(shù)據(jù)改變）

3）方法3：可通過同時改變UEL Margin值及改變低勵限制參數(shù)性能曲線數(shù)據(jù)的11點有功功率、 無功功率值滿足要求。此時也可將性能曲線數(shù)據(jù)值設置為與進相運行試驗數(shù)據(jù)相符，裕度由UEL Margin值的選取調整，不再贅述。

低勵限制的輸出與機端電壓有關，當機端電壓低于額定值時其限制值也相應變小。

現(xiàn)場調試勵磁調節(jié)器時，低勵限制不需選取11點，只需設置5點即可滿足，因規(guī)程要求汽輪發(fā)電機組進相試驗工況宜為50%、75%、100%額定有功功率，現(xiàn)場一般按此工況試驗。

4 結論

勵磁調節(jié)器低勵限制定值的整定，需要結合發(fā)電機失磁保護及發(fā)電機進相運行工況綜合考慮，使之合理匹配，防止異常工況下發(fā)電機失磁保護在勵磁系統(tǒng)低勵限制未動作之前動作導致機組停運，或者進相運行工況下在勵磁系統(tǒng)低勵限制未動作之前，由于發(fā)電機鐵心溫度升高及廠用系統(tǒng)電壓降低等原因導致的機組停運。本文通過調整低勵限制曲線，使勵磁低勵限制與發(fā)電機失磁保護配合滿足要求，勵磁低勵限制先于進相試驗進相深度動作，且發(fā)電機進相運行時未進入發(fā)電機失磁保護動作區(qū)。