大型发电机组过励磁保护整定计算

2011-07-30范宇豪

综合智慧能源 2011年11期

关键词：时限励磁倍数

范宇豪

(湖北西塞山发电有限公司，湖北黄石 435000)

0 引言

大型发电机变压器组保护的整定计算并不复杂，但必须与电气设备的性能、参数配合，结合电力系统历年典型事故的教训，才能选择最佳整定值。本文拟针对300MW及以上的大型发电机组过励磁保护的整定计算进行探讨。

1 过励磁保护原理

当发电机或变压器发生过励磁故障时，会因过热而使绝缘老化，降低设备的使用寿命。发电机和变压器都由铁芯绕组组成，设绕组外加电压为U(V)、匝数为N、铁芯截面积为S(m2)、磁通密度为B(T)、电压频率为 f，则有 U=4．44 fNBS。

因为N，S均为固定值，故可写成B=K(U/f)，式中K=1/(4．44NS)，对特定的发电机或变压器来说，K为固定值。电压的升高和频率的降低均可导致磁密增大。磁通密度B过分增大，使铁芯饱和，励磁电流急剧增加，造成过励磁现象，严重时就会产生过励磁故障。

过励磁倍数n=B/Bn=(U/Un)/(f/fn)=U*/f*。发电机、变压器在同一过励磁倍数n下允许持续时间的长短，与额定磁通密度Bn、饱和磁通密度Bs的大小以及磁化曲线的形状有密切关系，Bn越接近Bs，磁化曲线饱和段的斜率越小，则在同一过励磁倍数n下的允许持续时间越短。过励磁保护的动作特性，应与被保护设备的过励磁倍数曲线相配合。

2 过励磁保护整定计算

由于铁芯饱和的非线性和各制造厂材料以及工艺上的差别，各发电机、变压器的过励磁倍数曲线很不一致。变压器过励磁倍数曲线以及汽轮发电机过励磁倍数曲线均应由制造厂家给出，当它们组成发电机－变压器组单元接线方式时，应将它们的过励磁倍数曲线画在同一个坐标下进行比较，以位于下方的曲线为整定依据。

2．1 发电机过励磁曲线配合

湖北西塞山发电有限公司#3机组为680MW机组，发电机型号为QFSN680－2－22，额定功率为680MW，额定电压为22 kV，额定功率因数为0．9(滞后);主变压器型号为SFP10－820000/220，额定容量为820 MV·A，高压侧额定电压为230±2×2．5%kV，低压侧额定电压为22 kV。其中发电机额定电压和主变压器低压侧额定电压二者相等，可直接将发电机和主变压器的过励磁倍数曲线画在同一个坐标下进行比较，而无需换算。

发电机和变压器的过励磁损耗试验属破坏性试验，制造厂家不可能对每台发电机和变压器均提供非常符合过励磁能力的曲线。如东方电机厂提供了QFSN680－2－22型发电机过励磁倍数－时间曲线(如图1所示)，但大于1．2倍过励磁倍数的曲线未绘出。

2．2 变压器过励磁能力配合

主变压器和高压厂用变压器生产厂家没有提供过励磁能力曲线或过电压能力曲线，只提供了额定频率下的过励磁能力表，见表1。

表1 额定频率下的过励磁能力

图1 发电机过励磁倍数-时间曲线

根据IEC 76－1—1993《电力变压器国际电工委员会标准》第4．4项的规定，在Um规定值以内，当电压与频率之比超过5%的过励磁时，变压器应能连续运行无损坏。湖北西塞山发电有限公司#3主变压器和高压厂用变压器的过激磁能力满足IEC 76－1—1993的要求。

可将发电机和主变压器、高压厂用变压器的过电压/频率运行曲线和表格转化后画在同一个过励磁倍数表格里，比较过励磁能力的强弱。主变压器和高压厂用变压器过激磁能力相当时，可统一用变压器持续时间代替，见表2。

由表2可以看出，变压器允许过励磁能力远比发电机允许过励磁能力强，所以发电机、变压器过激磁保护的动作判据应和发电机的允许过励磁特性曲线配合。

2．3 励磁系统U－f限制曲线配合

《国家电网公司十八项电网重大反事故措施之继电保护专业重点实施要求》第5．14项规定:应根据发电机允许过激磁的耐受能力进行发电机过激磁保护的整定计算，其定值应与励磁系统U*－f*曲线配合，按发电机励磁调节器U*－f*限制元件的后备保护整定。根据5．14条的规定，在过励磁倍数－时间曲线(n－t曲线)平面坐标上，整定的过励磁反时限曲线应位于发电机允许过励磁特性曲线之下、励磁系统过励限制曲线之上。

湖北西塞山发电有限公司#3机组采用机端自并激静止可控硅整流励磁系统，由东方电机厂生产，型号为Q5S－O/U251－S6000。该励磁系统整定的U*－f*曲线特性为直线，限制器参数为:参数1911表示U*－f*线的斜率，单位为%，设定为105;参数1912对应于额定频率下的电压相对标幺值，单位为%，它表示U*－f*曲线总是以1911设置的斜率交于该点，设定为105;参数1913表示绝对电压限制值。以百分值表示，设定为110。根据以上参数可以绘出U*－f*曲线，如图2所示。

图2 励磁系统的U*－f*曲线

图2的U*和f*分别表示电压和频率的相对标幺值。从图2可以看出，U*－f*曲线在过励磁倍数－时间曲线(n－t曲线)平面坐标上应为经过(1．05，0．00)点且平行于时间轴 t轴的直线。发电机变压器组整定过励磁倍数应不低于1．05倍，否则，一旦过励磁倍数达到该动作值的延时，即由发电机变压器组保护动作出口，励磁系统的U*－f*限制器不能起到在频率较低时通过减磁来限制过励磁的作用。

2．4 综合考虑定值方案

湖北西塞山发电有限公司#3机组保护采用的是南京自动化股份有限公司生产的DGT－801B型数字式保护装置，根据变压器制造厂家给出的过激磁能力表，保护装置需要通过曲线拟合来近似得到完整的曲线。DGT－801B型数字式保护装置采用反时限离线型作为励磁保护动作判据，即用线性插值法来拟合并固定一点作为曲线定位，该点在DGT－801B说明书中定为1．4倍、0．5 s。由于允许过励磁倍数反时限特性曲线均具有下凸的特点，在插值点上得到的允许时间将会略大于实际允许时间。过励磁倍数较大时，有一段反时限特性曲线曲率较大，为避免线性插值带来较大误差，需根据实际情况采用非线性拟合，如抛物线、平方曲线拟合、最小二乘法等。