水轮发电机低励限制与失磁保护整定配合研究与试验

刘喜泉，谢燕军，陈小明，毕欣颖，封孝松（. 溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657300；. 国电南瑞科技股份有限公司，南京 06）



水轮发电机低励限制与失磁保护整定配合研究与试验

刘喜泉1，谢燕军2，陈小明1，毕欣颖1，封孝松1
（1. 溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657300；2. 国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

[摘要]本文以溪洛渡电站为例，从理论上分析了水轮发电机低励限制与失磁保护整定值的配合情况，得出低励限制先于失磁保护动作，并通过发电机的进相试验也进一步验证了发电机低励限制先于失磁保护动作。这充分证明了发电机低励限制与失磁保护整定配合的正确性。

[关键词]水轮发电机；低励限制；失磁保护；整定配合

0　引言

励磁系统的低励限制与发电机的失磁保护的配合关系是否正确，尤为重要，同时也是网源协调的一项重要内容。低励限制又称为P/Q限制或欠励限制，低励限制动作方程采用P-Q坐标平面进行描述，而失磁保护阻抗圆动作方程采用R-X阻抗坐标平面描述，低励限制与失磁保护间无法直观地比较两者之间的配合关系。依据相关技术标准[1]，低励限制要先于失磁保护动作，但标准中没有给出二者之间的配合方法。因此本文以溪洛渡电站低励限制与失磁保护整定值间的配合关系为例，对水轮发电机的低励限制与失磁保护整定配合进行了研究与试验。溪洛渡电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江峡谷河段。左、右岸地下电站各装设9台最大功率为770MW的水轮发电机组，最大总装机容量13860MW，年发电量571.2～640.6亿千瓦时。溪洛渡电站作为我国第二大水电站，世界第三大水电站。

1　低励限制与失磁保护整定配合分析

1.1低励限制与失磁保护的整定

励磁低励限制整定为：在发电机进相运行时，通过设定P-Q低励限制值，使发电机运行在P-Q曲线安全范围内[1]，低励限制如图1所示。

失磁保护的主要判据有如下三项[2]：

（1）定子低电压判据：一般取母线三相电压或发电机机端三相电压。TV断线时闭锁本判据。

（2）定子侧阻抗判据：阻抗特性：可为异步边界阻抗圆特性或静稳极限阻抗圆特性。阻抗电压取发电机机端正序电压，电流量取发电机机端正序电流。静稳极限阻抗圆特性判据：由输入系统的有功、无功和静稳极限边界条件求出机端测量阻抗，它的变化轨迹就是静稳极限阻抗圆；根据发电机机端正序电压和机端正序电流计算机端阻抗，当阻抗进入静稳极限阻抗圆，失磁保护动作。

（3）转子侧判据：转子低电压判据，发电机励磁变电压判据。

溪洛渡左、右岸电站均是9台发电机组并联运行，单台机组失磁很难导致并联母线电压降低，但会导致故障机组机端电压降低，因此溪洛渡电站失磁保护定子侧低电压判据采用发电机机端三相电压判据。其中定子低电压判据整定值为0.85p.u.，而励磁运行最低电压值整定为0.9p.u.，失磁保护定子低电压判据与励磁运行低电压非常便于比较。

失磁阻抗整定圆的选择取决于发电机与系统联系的紧密程度，异步边界阻抗圆动作判据主要用于与系统联系紧密的发电机，广泛被国内外应用于位于负荷中心、单机容量不大的发电厂；而静稳极限阻抗圆主要用于与系统联系不紧密的发电机，当发电厂远离负荷中心且单机容量较大时宜采用静稳阻抗圆[2, 3]。

水电站一般与系统联系比较薄弱，水轮发电机失磁保护宜选用静稳阻抗圆。为了躲开发电机出口经过渡电阻的相间短路，以及躲开发电机正常进相运行，增加无功反向辅助判据[4]。因此，溪洛渡电站失磁保护定子侧阻抗判据为静稳阻抗圆加无功反向判据相结合，如图2所示。因水轮发电机（包括大型汽轮发电机）的Xd≠Xq，静稳极限阻抗曲线由R-X平面向P-Q平面转化较为复杂，本文重点分析将低励限制整定值由P-Q平面向R-X平面转化。

图1　励磁运行低励限制示意图

1.2低励限制与失磁保护整定配合

低励限制整定值从P-Q平面向R-X平面的映射：发电机机端测量阻抗[5, 6]可表达为：

式中：U为发电机机端电压；P为发电机有功功率；Q为发电机无功功率。

由此可得：

式中：R为发电机机端测量电阻X：发电机机端测量电抗。

图2　失磁保护静稳极限阻抗曲线

根据式（2）和式（3）可将设定的低励限制定值从P-Q平面转化到R-X平面。利用微软Excel 软件绘制出低励限制定值在R-X平面的映射曲线，与失磁保护阻抗定值曲线比较相对位置，即可确定二者配合是否合理。二者在R-X平面上合理的配合关系应是低励限制曲线，应该完全在静稳极限阻抗圆之外。溪洛渡电站励磁系统的低励限制值如表1所示，依据溪洛渡电站失磁保护定值如表2所示，利用继电保护测试仪等设备进行测试，得出溪洛渡电站失磁保护静稳极限阻抗部分值如表3所示，无功失磁保护整定值配合情况如图3所示。反向整定值为10%。通过计算将低励限制值转化至R-X平面后，溪洛渡电站低励限制与失磁保护整定值配合情况如图3所示。

图3　溪洛渡电站低励限制与失磁保护整定配合

表1　溪洛渡电站励磁低励限制整定值

表2　溪洛渡电站失磁保护整定值

表3　溪洛渡电站失磁保护静稳极限阻抗值

2　低励限制与失磁保护整定配合试验

依据进相试验相关标准[7]，对溪洛渡电站机组做了进相试验，在进相试验过程中，一方面测试了发电机的进相能力，另一方面也验证了低励限制与失磁保护的配合情况。在进相试验过程中，每次到达低励限制值时，励磁低励限制首先瞬时动作，待临时闭锁低励限制后进一步进相，至进相限制条件后停止进相，具体进相数据如表3所示。通过进相试验，也验证了溪洛渡电站低励限制整定值与失磁保护整定值之间存在一定的安全裕度，同时也进一步验证了低励限制与失磁保护整定值配合的正确性。

3　结语

通过理论分析，将水轮发电机的低励限制与失磁保护整定值映射在同一个平面内，可以看出低励限制与失磁保护整定配合的正确性，且同时证明了失磁保护动作区与低励限制之间存在着一定的安全裕度，满足低励限制先于失磁保护动作要求，并通过发电机进相试验也验证了水轮发电机的低励限制与失磁保护整定配合的正确性。

表3　溪洛渡电站14F进相试验情况

图4　溪洛渡电站低励限制与失磁保护配合试验

[参 考 文 献]

[1] GB/T 7409.3-2007, 大、中型同步发电机励磁系统技术要求[S].

[2] DL/T684-2012, 大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].

[3] 王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用（第二版）[M]. 中国电力出版社．

[4] 陈俊, 刘洪, 严伟, 等. 大型水轮发电机组保护若干技术问题探讨[J]. 水电自动化与大坝监测, 2012, 36(4): 41-44．

[5] 贾文双, 岳雷, 措姆, 等. 发电机失磁保护与低励磁限制的配合方法[J]. 华北电力技术, 2013(1): 11-13．

[6] 刘伟良, 荀吉辉, 薛玮. 发电机失磁保护与低励限制的整定配合[J]. 电力系统自动化, 2008, 32(18): 77-80．

[7] Q / GDW 746-2012, 同步发电机进相试验导则[S].

刘喜泉（1980-），硕士研究生，主要从事电气二次设备维护与研究工作，高级工程师。

审稿人：李金香

Research and Practice in Matching Setting of Low Excitation Limit and Loss -of-Excitation Protection for Hydro Generator

LIU Xiquan1, XIE Yanjun2, CHEN Xiaoming1, BI Xinying1, FENG Xiaosong1
(1. Xiluodu Hydropower Plant, Yongshan 657300, China; 2. NARI Technology Co., Ltd, Nanjing 211106, China)

Abstract:Take Xiluodu power station as an example, this paper is analyzed on the matching setting of Low Excitation Limit and Loss -of-Excitation Protection for Hydro Generator in theory. The result is that Low Excitation Limit will act earlier than Loss-of-Excitation Protection for hydro generator by the unit test of leading phase. As result, the setting of Low Excitation Limit and Loss -of-Excitation Protection for hydro generator is correct.

Key words:hydro generator; low excitation limit; loss -of-excitation; matching setting

[作者简介]

[收稿日期]2015-05-26

[中图分类号]TM312

[文献标识码]A

[文章编号]1000-3983(2016)01-0059-03