二滩水电站低励限制与失磁保护配合关系研究

2012-04-26黄建琼

水力发电 2012年10期

季杰，黄建琼

（锦屏水力发电厂，四川西昌 615000）

0 引言

二滩水电站是川渝电网的骨干电源网点，自1998年投运以来其发变组保护系统已经运行12年，达到了继电保护装置使用寿命时限，现改造为南瑞RCS_985发变组保护装置。鉴于GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》明确要求低励限制能优先于失磁保护动作，而国网公司发布的《发电厂并网安全性评价》也要求验证其配合关系，因此有必要对其进行研究。

二滩水电站发电机失磁保护由机端低电压判据、定子侧静稳极限阻抗圆判据、转子侧电压判据构成，不同的判据分属于不同的坐标系，无法直观地表达失磁保护与低励限制的配合关系。虽然文献[1]将失磁保护的定子阻抗圆判据映射到P-Q（有功-无功）坐标系中研究其与低励限制之间的关系，但并未对失磁保护的机端低电压判据和转子侧电压判据进行研究，本文将构成失磁保护的3个判据统一映射到同一坐标系中，以验证其配合关系。

1 低励限制

1.1 水轮发电机功率限制曲线

水轮发电机根据发电机定子线棒、发电机端部、转子绕组发热和机组最大出力确定其功率允许运行区。当机组运行在功率限制曲线内时，可保证机组有效部件的发热量不超过允许值。

忽略发电机定子绕组电阻压降，水轮发电机相量图如图1实线所示，其中U为发电机机端电压，I为定子电流，Id为定子电流直轴分量，Iq为定子电流交轴分量，Xd为直轴同步电抗，Xq为交轴同步电抗，E0为发电机空载电压，Eq为发电机交轴电压。在图1中，延长Eq使AB=IXd，作平行线BC∥E0交OA于点C，以OC为直径作圆交BC于点D，过Eq点作EqM⊥BC，垂足为点M，可以证明BM=（Xd-Xq） Id=E0-Eq，因此 DB=E0。[2]

图1 凸极同步发电机相量

在图1的基础上各边分别乘以U/Xd，则三角形ABC可转化为功率平面特征三角形，各线段代表含义见图2中标注。

图2 功率平面特征三角形

由于E0=IfnXad，因此DB正比于Ifn，OA正比于空载额定励磁电流If0，AB正比于机端电流Ign。以点A为功率坐标系的原点，建立水轮发电机的功率限制曲线，如图3所示。当机端电压低于额定电压时，该功率曲线随之等比例缩小。

1.2 二滩水电站发电机低励限制

二滩水电站发电机励磁系统采用的是ABB UNITROL5000型励磁调节器，该系统低励限制单元包含了额定励磁电流极限、额定定子电流极限、额定有功功率极限。由于二滩水电站在枯水期进相运行较汛期深，本文以枯水期为例进行研究。

励磁系统在自动模式时，起励电流大于空载额定励磁电流的20%，进相运行低励限制为直线，由（550 MW， -50 MV·A）和（0 MW， -300 MV·A）两点确定。定子电流限制曲线由发电机额定电流决定且不受机端电压影响，转子电流限制曲线由额定励磁电流决定，由此可以确定P-Q功率限制曲线，如图4所示。

图3 功率限制曲线

图4 PQ限制曲线

在机组运行过程中，机组越过P-Q功率限制曲线时，计算机控制中心会发 “P-Q曲线越限”报警信号，此时必须手动加励磁以减轻进相深度。

2 失磁保护与低励限制配合关系

2.1 二滩水电站参数

二滩水电站总装机容量3 300 MW，主厂房安装6台单机容量550 MW混流式水轮发电机组，每台发电机通过3台容量214 MV·A的单相变压器与500 kV系统相连，其主变压器接线方式为YNd11，发电机中性点接地方式为经变压器高阻接地。

失磁保护整定所需参数如下：发电机的额定容量 612 MV·A，额定功率550.8 MW，额定电压 18 kV，额定电流19 629 A，额定功率因数0.9，额定励磁电压318 V，额定励磁电流2 709 A，空载励磁电压159.2 V，空载励磁电流1 559 A，强励倍数/时间2倍/10 s，直轴同步电抗0.996，交轴同步电抗0.71，升压主变压器容量3×214 MV·A，电压550/18 kV，主变短路电压标幺值为0.15，系统联系等值正序电抗标幺值为0.008 0/0.011 4（大方式/小方式，容量基准值100 MV·A）。

本文所有计算公式均采用以发电机额定容量、额定电压为基值的标幺值进行计算分析，以单台发电机为研究对象，失磁保护整定计算等值电路如图5所示。

图5 失磁保护等值电路

2.2 机端低电压判据

失磁保护低电压判据可选择机端低电压或者母线低电压。高压母线的三相电压严重下降将破坏系统的稳定运行，同时会导致低压厂用电母线三相电压严重下降引起电厂电机过流。二滩电厂六台机组并联运行，一台机组的失磁难以引起高压母线的电压下降，但会导致故障机组机端电压过低，危及厂用电系统的正常工作，因此采用机端三相同时低电压判据，其整定值如下

式中，Uop.3ph为机端三相同时低电压定值；Ugn为发电机额定电压；nv为机端PT变比。

为了将机端三相同时低电压判据转化到P-Q坐标系，首先需计算出其阻抗特性。根据图5所示等值电路图，假定无穷大系统在单机失磁时系统电压Us恒定不变，机端电压为U，系统负荷为Zl，发电机出口测量阻抗为Z，则有

其中阻抗角均随负荷变化而变化。

由式（4）可得失磁保护低电压判据阻抗特性如下

根据二滩电站相关参数代入计算，可计算出机端三相同时低电压的机端阻抗特性如下

通过文献[3]可知，在阻抗R-X坐标系中，对于圆心为（0，X0）半径为 R0的方程可表示为

映射到P-Q坐标系的表达式为

由式（8）可得机端低电压判据在P-Q坐标系下的失磁轨迹为

由于低励限制与失磁保护之间的关系位于发电机欠励区，因此仅绘出欠励磁区的轨迹，映射到PQ坐标系的动作区如图6所示。

图6 机端低电压P-Q坐标系动作区

2.3 定子侧判据

为兼顾失磁保护定子侧判据的可靠性，选择滴状静稳阻抗圆作为失磁保护定子侧判据时，应与无功反向判据相结合，以消除阻抗平面一、二象限的动作区，防止静稳圆阻抗判据在非失磁工况下的误动作。

系统联系电抗包含升压变压器电抗，对应于最小运行方式，二滩水电站定子侧判据整定如下

使用作图法可以作出该判据在P-Q坐标系的动作曲线[4]，如图7所示。动作区位于曲线2的左侧。

2.4 转子电压判据

定子阻抗判据在某些非失磁故障时会发生误动现象，为了弥补这一不足可增加转子电压判据，转子低电压是失磁过程中电量变化的显著特征之一，且能与多种非失磁故障相区分，因此二滩水电站增加转子电压判据提高了失磁保护的可靠性[5]二滩水电站发电机转子低电压判据的定励磁低电压判据沿用德国西门子公司的0.8Uf。发电机在重负荷下发生失磁故障时，定励磁低电压判据的整定值偏低，导致转子低电压判据比静稳极限判据动作要晚得多，这会严重危害系统的稳定运行，因此需增加定值随功率变化的转子低电压判据，以保证在各种工况下的配合关系。

图7 定子侧判据P-Q坐标系动作区

励磁低电压判据整定如下

式中，Uf0为发电机空载额定励磁电压。

变励磁电压判据中对应于某一有功P会有维持静稳极限所必须的励磁电压Uf.op与之对应，动作判据如下

式中，Krel为可靠系数，取0.8；Ufo为发电机空载额定励磁电压；P为发电机当前有功功率；Pt为发电机的凸极功率，由下式计算

由二滩水电站的参数和式（12）、（13）可计算出转子电压判据如下

从P-Q功率圆推导过程可知，图2中OA和DE以同一比例正比于U和E0。在派克标幺值系统中Uf=E0，OA可以看作空载额定励磁电压Uf0，DB可以看作是产生E0的励磁电压Uf。将转子电压判据映射到P-Q坐标系的动作区如图8所示，其中曲线3为定励磁低电压判据，曲线4为变励磁低电压判据，动作区位于曲线3、4左侧。

由图8可以看出，在重负荷下发生失磁故障时，水轮发电机进入转子变励磁电压判据曲线4的速度要比励磁低电压判据曲线3的速度更快。