大规模互联电网下发电机过励磁限制与励磁绕组过负荷保护的配合研究

曹 媛

(河北农业大学,河北 保定 071001)

大规模互联电网下发电机过励磁限制与励磁绕组过负荷保护的配合研究

曹 媛

(河北农业大学,河北 保定 071001)

阐述发电机组过励磁限制与励磁绕组过负荷配合失当造成大电网事故的案例,分析励磁绕组过负荷保护和过励限制反时限特性配合关系。利用电网稳定计算结果找出失去配合的机组,给出一种优化的配合方式,对优化前后机组励磁电流和系统电压情况进行计算比较,证明了优化方案的有效性。

发电机;过励限制;励磁绕组过负荷保护;无功电压

0 引言

随着我国大规模超/特高压交直流互联电网的快速发展,各种电力系统新设备和新技术不断投产和应用,系统的动态行为变得更加复杂,这使得发生在暂态过程之后的中长期动态稳定问题日趋突出并逐步受到电力系统研究人员的高度重视。

以1996年8月10日美国大停电为例,过励磁限制/保护配合问题是造成事故发生的根本原因[1]。该事件中初期,麦克耐瑞所在网区内一些重要线路开断造成此区域电压较低,电厂通过自动励磁控制提供尽可能大的无功功率,使电压恢复,此时转子电流由于强励等持续升高,超过允许发热量,而这些发电机励磁系统过励限制/保护、发电机转子过流保护设计、配合不当,过励限制在没有将励磁电流降到安全值之前,过励保护误动将13台发电机切除。

1 过负荷保护与过励限制的反时限配合关系

发电机本身的转子过负荷保护按照转子热特性来整定配置,如果AVR过励限制整定与转子热特性不匹配,过励限制动作特性曲线将与转子热特性曲线及转子过负荷保护曲线存在交叉,则顶值励磁电流持续时间要小于转子绕组许可时间,限制发电机发挥作用,不利于系统稳定;低倍数励磁电流持续时间远大于转子绕组许可时间,不利于转子绕组的安全。若发电机配备转子过负荷保护,则在低过励倍数情况下发电机转子过负荷保护将抢先动作,跳开发电机组,使系统在紧急情况下失去发电机有功功率和无功出力支撑,加剧系统工况恶化程度[2]。

过励限制器等效发热反时限特性如式下:式中:B为发电机组过励限制热容量限值;If为转子励磁电流与转子额定电流之比;t为过励磁限制时间。

当按照强励倍数(Ifset)和强励时间(tset)按照2倍10 s整定时,即把t=10、If=2代入式(1)反推得到:过励限制热容量定值B=28.975。

根据DL/T 1309-2013《大型发电机组涉网保护技术规范》[3]规定,发电机转子绕组应具有不低于下式规定的过负荷能力:

式中:33.75为转子绕组过热常数,Ifd为以额定励磁电流Ifn为基准的励磁电流标幺值,t为励磁电流Ifd对应的允许持续时间。

根据式(2),可以得出转子过负荷保护反时限特性:

对比式(1)和式(3)2个反时限特性,两者选取的转子绕组过热常数不相等,长期允许的励磁电流倍数不同。虽然转子过负荷保护的过热时间常数相对大,但选用的长期允许励磁电流倍数小,故难以保证动作时间长于过励限制的时间。

2 大规模互联电网中长期稳定水平的涉网保护分析

针对现行发电机过励限制/过负荷保护动作特性存在的问题及对互联电网安全稳定带来的隐患,应该在保证机组安全基础上尽量发挥发电机电压支撑作用,修正涉网保护整定方法[4-6]。通过故障仿真分析验证可有效解决现行保护整定存在的缺陷,提高互联电网中长期安全稳定运行水平。方法步骤如下:

a.建立包含发电机过励限制/保护模型的大电网全过程仿真分析数据模型。

b.建立研究区域电网故障分析故障集。

c.通过仿真分析选出相应故障后电网内处于过励状态的发电机组。

d.分析现有发电机过励限制/过负荷保护模型存在的问题及对电网中长期稳定的影响。

e.分析不同发电机过励限制/过负荷保护模型整定参数对失配区间的影响。

f.提出发电机过励限制/过负荷保护整定配合修正方法。

g.验证整定配合合理的发电机过励限制/保护特性对提高电网中长期稳定水平的有效性。

2.1 建模仿真分析

建立大规模互联电网包含发电机过励限制/保护模型的全过程仿真分析数据模型,包含励磁调节器参数,过励磁限制装置参数和转子过负荷保护模型参数的发电机动态模型。建立计及过励限制和转子保护动作的电力系统全过程动态仿真(FDS)程序数据模型。

使用所建立的仿真程序模型,对所要研究的电网区域做较大扰动故障,并筛选出能够使研究区域内发电机进入过励磁状态的故障作为仿真算例对涉网保护参数整定进行研究。

将确定的故障进行全过程仿真分析,筛选出对应故障情况下处于过励状态下的发电机组。以下以河北省南部电网为例,在银东直流双极闭锁故障条件下筛选出过励倍数超过过励限制/转子过负荷保护动作门槛值(1.05)的机组。故障后研究区域内发电机励磁电流倍数如表1所示。其中超过过励限制动作门槛值的机组为衡水G3、G4。

表1 故障后研究区域内发电机过励倍数

2.2 整定参数对失配区间影响分析

针对相应故障情况,分析发电机过励磁和过负荷保护动作时间特性曲线关系。针对现行过励限制和转子过负荷保护动作时间特性公式,处于过励状态的发电机组,机组失配区间和机组励磁电流对应关系,分析机组发生转子过负荷保护抢先动作切机对系统安全稳定的影响。

转子反时限保护时间特性与转子本身热容量特性曲线配合良好,而现行励磁调节器过励限制动作时间特性曲线则存在低过励倍数下动作过慢,导致转子过负荷保护抢先动作于切机而严重恶化系统运行工况的问题。

对确定的机组进行过励限制/过负荷保护整定参数进行调整,确定不同参数对失配区间以及发电机无功支撑能力的影响。通过对现行过励限制器动作逻辑中的可调节参数进行调整,研究在不改变过励限制器动作逻辑的前提下对其动作特性配合情况进行改良的可能性。

现行过励限制模块可供更改参数为Ifset和tset,即其所确定的过励限制热容量进行调整。理想的保护整定关系应为转子反时限保护为过励磁限制的后备,尝试改变现行Ifset和tset整定值,使对应过励限制时间特性公式中的热容量定值B减小。修改后过励限制时间特性公式为:

不同整定值的动作时间特性曲线如图1所示,可见相对于现行2倍10 s整定方案的失配区间OC,更改为2倍8 s或2倍5 s后的失配区间OB、OA相对减小,但失配问题依然存在,并不能从根源上解决问题。且过小的过励限制热积累定值限制了发电机紧急状态下短时过载能力的发挥,不利于系统电压稳定和恢复。

图1 不同整定值下过励限制动作时间特性曲线

经过对过励限制/转子反时限保护时间特性公式以及各整定参数的分析,发电机过励限制和转子保护产生配合不当问题的根源在于过励限制和转子过负荷保护选择的长期允许电流Ifdn不同,在过励限制中Ifdn取1.05倍额定励磁电流,在转子过负荷保护中取1.0。这个差别是过励限制和转子反时限过负荷保护曲线存在交叉的根本原因。

3 发电机过励限制/过负荷保护整定配合修正方法及验证

3.1 修正方法

根据发电机过励磁限制和转子反时限保护的动作时间特性公式及动作参数,提出一种能够在保证发电机安全的基础上尽量发挥机组无功支撑能力的过励磁限制/转子过负荷保护配合整定解决方法。

导则规定的发电机过励限制/转子过负荷保护的时间特性公式须同转子热特性曲线公式良好配合,采取修正过励限制时间特性公式的发电机保护修正方法。即将过励限制模型中的长期允许电流由1.05倍Ifdv修正为1.0倍Ifdv。对应到实际设备以瑞士ABB Unitrol 5000型数字式励磁调节器41307-6型过励限制器为例,即将模型中P1301参数由1.05修正为1.0。

41307-6型过励限制器模型动作时间公式为:

修正后整定合理的过励限制时间特性曲线如图2所示。

图2 过励限制/转子过负荷保护时间特性曲线

3.2 验证分析

通过对相应故障情况下动作时间特性公式修正前失配情况和修正后配合良好情况下的全过程仿真分析,对比研究故障后区域内500 k V母线电压及脱网机组数量。验证了所提出的整定配合方法能够和转子热容量曲线配合良好,确保发电机安全,且能够在紧急情况下保证发电机并网运行,充分发挥发电机无功支撑能力维持系统电压,提高电网中长期稳定运行水平。

对过励限制/转子过负荷保护配合问题的研究,以河北/山东电网为研究对象,为区域内发电机组同时配备AVR过励磁限制和转子过负荷保护。以银东直流双极闭锁引起长南线低电压自动解列故障方式下的发电机过励限制/过负荷保护动作情况及其对电网稳定性影响。故障前银东直流输送功率为4 000 MW长南线北送5 400 MW,故障后潮流转移至石北-辛安-聊城线并引起附近地区电压偏低。

配合不当的过励磁限制/过负荷保护会在发电机低过励水平时出现过励限制动作时限远大于转子保护情况从而引起转子保护抢先作用于切除发电机。实际仿真过程中故障发生后初期仅有冀衡水机组励磁电流超过1.05 p.u.,其他机组并未达到过励限制/过负荷保护启动值。但在转子过负荷保护在328 s动作与切除衡水机组后,机组脱网引起的大量有功/无功损失加剧系统工况的恶化程度。进而依次引起沧州、沧东机组转子过负荷保护动作切机,最终导致冀西柏、冀邯峰、冀邢南等主力机组过负荷保护动作脱网从而导致电压崩溃。可见,保护整定值不合理将直接造成事故蔓延扩大。配合不当情况下切除机组如表2所示,研究区域500 k V母线电压及机组励磁电流如图3、图4所示。

表2 现行整定方案配合不当情况下动作时序

图3 修正前500 k V系统母线电压

图4 修正前机组励磁电流曲线

配合合理情况下500 k V彭村站附近衡水机组在故障后提高励磁电流并高于1.05倍额定励磁电流的等效反时限热量积分启动值,并在故障发生900 s后过励磁限制器动作于降低励磁电流至额定值,如表3所示。此时发生过励限制机组并未脱网,依然为系统提供一定有功/无功支撑,系统电压稳定于较高水平。可见,整定合理的过励磁限制能够在充分挖掘机组无功支撑潜力的基础上保护设备安全,相较于保护切机动作,对电网稳定性冲击较小。研究区域500 k V母线电压及机组励磁电流如图5和图6所示

表3 修正方案配合合理情况下动作时序

图5 修正后500 k V系统母线电压

4 结论

a.发电机的过励磁限制与过负荷保护配合不当,将在发电机低过励水平时出现过励限制动作时限远大于转子保护情况,从而引起转子保护抢先作用于切除发电机。

图6 修正后机组励磁电流曲线

b.过励限制和转子过负荷保护选择的长期允许电流Ifdoc不同,是过励限制和转子反时限过负荷保护曲线存在交叉的根本原因。

c.采用统一的长期允许电流Ifdoc,合理选择动作曲线后,可以实现过励限制与转子反时限过负荷保护的较好配合。

d.整定合理的过励磁限制能够在充分发挥机组无功支撑潜力的基础上保护设备安全,相较于保护切机动作,对电网稳定性冲击较小。

[1] 卢卫星,舒印彪,史连军.美国西部电力系统1996年8月10日大停电事故[J].电网技术,1996(9):40-42.

[2] DL/T 684-1999,大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].

[3] DL/T 1309-2013,大型发电机组涉网保护技术规范[S].

[4] 王维俭,侯炳蕴.大型机组继电保护理论基础[M].2版.北京:水利电力出版社,1989.

[5] 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京:中国电力出版社,2006.

[6] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].2版.北京:中国电力出版社,2002.

本文责任编辑：王洪娟

Coordination of Over Excitation Limiter and Excition Winding Overload Protection for Large-scale Interconnected Power System

Cao Yuan
(Agricultural University of Hebei Province,Baoding 071001,China)

This paper expounds an accident owing to inappropriate coordination of the over excitation limiter and excition winding overload protection.Analysis the coordination of the over excitation limiter and excition winding overload protection.Using power system calculation finds appropriate generator units.Presents a new method for their coordination.Comparing the charicristic of the excitating current and Reactive voltage,it is concluded that the proposed scheme is efficacious.

generator;over excitation limiter;excition winding overload protection;reactive voltage

TM732

A

1001-9898(2017)02-0011-05

20170306

曹 媛(1996-),女,河北农业大学电气工程及其自动化专业在读本科,研究方向为电力系统及其自动化。