T35保护与发电机转子过负荷能力配合分析

周道军

（1.神华国华太仓发电有限公司，江苏省太仓市，215433；2.神华国华 （北京）电力研究院有限公司，北京市朝阳区，100025）

发电机组转子过负荷综合能力关系到发电机的电压安全以及用电安全，并且影响电网的功角稳定、电压稳定，是网源协调的一个重要支撑因素。

发电机转子过负荷能力与转子过负荷保护二者之间的匹配原则应遵循：“转子过负荷保护定值小于转子过负荷能力”。转子过负荷保护定值与发电机转子过负荷能力之间应留合理级差。若转子过负荷保护定值过大，则不利于机组安全；若保护定值过小，系统故障时可能导致机组过早跳机，不利于电网安全稳定运行。

2012年2 月，国调中心印发了 《关于开展并网机组网源协调重要参数专项核查工作的通知》，2013年4月中国电力科学研究院对全网范围内近1150台大容量机组完成核查，其中火电600 MW以上 （含）、水电50 MW 以上 （含）、燃机100 MW 以上 （含）共664 台。核查报告显示，系统内多台发电机转子过负荷能力与过负荷保护之间协调配合关系不满足规程要求。由于生产厂家提供的过负荷保护曲线与发电机组转子过负荷能力曲线不一致，在定值整定计算时，若保护特性曲线选择不当，两者之间极易发生不匹配现象。本文以T35保护为例展开分析。

1 过负荷保护整定技术要求

1.1 转子过负荷能力技术要求

规程规定：汽轮发电机转子绕组应具备下列规定的过负荷能力 （时间为10～120s）。

式中：I＊——转子电流标幺值；

t——时间，s。

1.2 继电保护整定计算要求

《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》附录D 说明，“实际应用时，可以近似认为励磁绕组的过负荷特性与过电压能力相同”。

转子过负荷保护由定时限和反时限两部分组成。

1.2.1 定时限过负荷保护

动作电流按正常运行额定励磁电流下能可靠返回的条件整定。

式中：Krel——可靠系数，取1.05；

Kr——返回系数，取0.85～0.95，条件允许应取较大值；

na——电流互感器变比；

I-——交流侧额定励磁电流，A。

1.2.2 反时限过负荷保护

反时限过负荷倍数与相应允许持续时间的关系曲线，由制造厂家提供的转子绕组允许过热条件决定。

最大动作时间对应的最小动作电流，按与定时限过负荷保护相同条件整定。

反时限动作特性上限动作电流与强励顶值倍数匹配。如果强励倍数为2倍，则在2倍额定励磁电流下持续时间达到允许持续时间时，保护动作是跳闸。当小于强励顶值而大于过负荷允许电流时，保护按反时限特性动作。

1.3 国产发电机转子绕组过负荷能力

以上海发电机厂生产的QFSN 型600～660 MW水氢氢汽轮发电机为例，转子绕组具有规定的短时过电压能力：励磁电压为208%、146%、125%、112%时，过电压时间分别为10s、30s、60s、120s。

2 过负荷保护返回系数Kr 的选择

转子反时限过负荷保护启动电流Ipickup按与定时限过负荷保护相同的条件整定，如式 （2），取Ipickup=Iop，则有：

式中：Ipickup——转子反时限过负荷保护启动电流；

Ipu——输入电流，A；

K ——过电流倍数。

式（3）中返回系数Kr的选择影响T35 过负荷保护动作曲线协调配合关系，其选择应考虑下列原则：

（1）返回系数Kr取0.85～0.95，条件允许应取较大值。

综上所述，整定计算时宜取Kr=0.95。

3 T35过负荷保护特性曲线分析

3.1 T35保护曲线分类

GE T35 发电机过负荷保护提供了IEEE（IEEE Extremely Inverse、IEEE Very Inverse、IEEE Moderately Inverse）、IEC （IEC Curve A、IEC Curve B、IEC Curve C、IEC Short Inverse）和IAC （IAC Extremely Inverse、IAC Very Inverse、IAC Inverse、IAC Short Inverse）标准共11条特性曲线，另外，还提供了I2t和用户自定义FlexLogicTM（FlexCurve A、FlexCurve B）特性曲线，共计14条特性曲线。

3.2 IEEE特性曲线分析

（1）曲线方程为：

式中：T——动作时间，s；

TDM——时间刻度倍数；

A、B、p——常数。

（2）IEEE 反时限曲线常数。IEEE 反时限曲线常数如表1所示。

表1 IEEE反时限曲线常数

（3）与转子过负荷能力对比分析。规程规定，当励磁系统顶值电压倍数大于2倍时，励磁系统顶值电流倍数为2倍。励磁系统允许顶值电流持续时间不低于10s。按照与励磁系统顶值电流允许持续时间配合，取2 倍励磁顶值电流时动作时间为10.20s来计算TDM 值，同时取返回系数Kr=0.95，根据式 （4）分别计算3条IEEE 特性曲线在不同过负荷情况下的动作时间，并与发电机转子过负荷能力对比，如表2所示。

表2 IEEE曲线与发电机转子过负荷能力对比表

表2反映出IEEE Extremely Inverse和IEEE Very Inverse 曲 线 在1.46 倍 及 其 以 下、IEEE Moderately Inverse曲线在1.17倍及其以下过负荷阶段，保护动作时间已经超出发电机转子绕组过负荷能力要求，如图1所示，此时机组过负荷运行可能会造成转子绕组线圈绝缘损坏事故的发生。

图1 发电机过负荷能力与IEEE特性配合曲线

3.3 IEC特性曲线分析

（1）曲线方程为：

式中：K、E——常数。

（2）IEC反时限曲线常数。IEC反时限曲线常数如表3所示。

表3 IEC反时限曲线常数

（3）与发电机转子过负荷能力对比分析。按照与励磁系统顶值电流允许持续时间配合，取2倍励磁顶值电流时动作时间为10.20s来计算TDM 值，取返回系数Kr=0.95，根据式 （5）分别计算4条IEC特性曲线在不同过负荷情况下的动作时间，并与发电机转子过负荷能力对比，如表4所示。

图2 发电机过负荷能力与IEC特性配合曲线

表4反映出IEC Curve C 曲线在1.46倍及其以下、其他3 条曲线在1.2 倍及其以下过负荷阶段，保护动作时间已经超出发电机转子绕组过负荷能力要求，如图2所示，此时机组过负荷运行可能会造成转子绕组线圈绝缘损坏的事故发生。

3.4 IAC特性曲线分析

（1）曲线方程为：

式中：G、H、J、K、L——常数。

（2）IAC 反时限曲线常数。IAC 反时限曲线常数如表5所示。

（3）与发电机转子过负荷能力对比分析。按照与励磁系统顶值电流允许持续时间配合，取2倍励磁顶值电流时动作时间为10.20s来计算TDM 值，取返回系数Kr=0.95，根据式 （6）分别计算4条IAC特性曲线在不同过负荷情况下的动作时间，并与发电机转子过负荷能力对比如表6所示。

表6反映出只有IAC Inverse曲线在1.17倍及其以下过负荷时，保护动作时间超出发电机转子绕组过负荷能力要求，其他3条曲线均满足与转子绕组过负荷能力曲线配合要求，如图3 所示。图中IAC Very Inverse和IAC Short Inverse曲线显示在机组过负荷初期保护动作时间与发电机过负荷能力曲线级差较大，没有充分发挥发电机转子绕组过负荷能力，该区间机组过负荷运行将会过早的切除发电机组。

表4 IEC曲线与发电机转子过负荷能力对比表

表5 IAC反时限曲线常数

表6 IAC曲线与发电机转子过负荷能力对比表

图3 发电机过负荷能力与IAC特性配合曲线

4 结论

通过上述分析，GE T35装置定时限过负荷保护整定计算时返回系数Kr宜取较大值，即Kr=0.95，这样能消除过负荷保护死区，对保护发电机安全运行最有利。

T35转子反时限过负荷保护中有8条特性曲线不满足与转子过负荷能力协调配合关系，包括3条IEEE曲线、4 条IEC 曲 线 和4 条IAC Inverse曲线。另外3条IAC 曲线与发电机转子过负荷能力满足协调配合关系，其中IAC Extreme Inverse特性曲线动作时间与发电机转子过负荷能力曲线级差始终保持最合理的关系，是最优的协调配合关系曲线。它充分发挥了发电机转子绕组过负荷限制能力，能在全范围内保护发电机组过负荷运行时的安全，并留有合理的配合级差，且有利于下一级励磁系统过励限制保护定值整定计算。IAC Extreme Inverse与发电机转子过负荷能力配合关系如图4所示。

图4 发电机过负荷能力与保护配合曲线