发电机失磁保护与低励限制配合策略研究

肖 明 ，孙承海 ，罗 敏 ，汪凤月 ，李绚绚

（1.国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 810000；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；3.国网青海省电力公司经济技术研究院，青海 西宁 810000）

0 引言

发电厂机组工作中，低励磁状态运行时有发生，如电网负荷较低，同时投入的感性无功补偿装置不足以降低系统电压时，需要发电机进相运行降低系统电压；励磁调节器出现故障引起励磁电流急速下降，导致机组低励磁运行；系统电压骤升时，机组励磁系统会快速响应自动降低励磁［1］。当发电机组因为上述原因运行在低励磁状态时，低励限制功能启动，通过控制系统增加励磁输出，使得机组回到正常运行工况，当机组励磁电流过低时，失磁保护也会动作。失磁保护和低励限制之间配合，有着明确的要求，二者之间合理、科学配合能防止发电机失磁保护误动作，降低机组非故障停机率。《国家电网公司网源协调管理规定》要求发电机失磁保护定值应与励磁系统低励限制配合，保证后者先于失磁保护动作。

由于失磁保护一般基于R－X平面整定，低励限制一般基于P－Q平面整定，为了核算两者之间的配合关系，就要采用坐标变换的方法，将两者的整定方法统一归算到R－X平面或者P－Q平面［2-3］。由于将低励限制定值从P－Q平面归算到R－X平面操作起来不方便，因此采用将失磁保护定值从R－X平面归算到P－Q平面的方法。

1 阻抗动作方程归算方法

假设失磁保护阻抗圆基于R－X坐标平面整定，且圆心为（R0，X0），半径为 r，阻抗圆可以用式（1）表 示［4-5］

当机组运行工况在阻抗圆外部时可以稳定运行，在阻抗圆内部时无法稳定运行。设I为发电机机端电流，将代入式（1），可得

把有功功率P=UIcosφ，无功功率Q=UIsinφ，带入式（2）整定归纳。

由上述公式推导可知，失磁保护阻抗圆一般为静稳极限圆或者异步圆，因此都可以将R－X平面映射到P－Q平面。

2 异步阻抗圆归算方法

当失磁保护动作判据为异步阻抗圆时，设其圆心为（R0，X0），半径为 r，则有

由异步圆的相关特性能够得出：r2＜X20，将式（6）、（7）带入式（5）可得

式 （8）完成了失磁保护异步圆从R－X平面到P－Q坐标平面的归算，失磁保护异步圆归算到P－Q 坐标平面后，圆心为半径为，圆内为失磁保护的动作区。

3 静稳阻抗圆归算方法

当失磁保护动作判据为静稳阻抗圆时，设其圆心为（R0，X0），半径为 r，则有

式中：Xd为发电机同步电抗；Xe=Xt+Xs，为发电机与系统的联系电抗。

由静稳圆的相关特性能够得出：r2＞X20，将式（9）、（10）带入式（3）可得

式（11）完成了失磁保护静态圆从R－X平面到P－Q坐标平面的归算，失磁保护静稳圆归算到P－Q 坐标平面后， 圆心为半径为，圆外为失磁保护的动作区。

考虑静稳定储备系数、可靠系数、参数误差等因素，可以将静稳圆的P轴坐标值（有功值）和对应的Q轴坐标值（无功值）除以1.2，就可以得到保留裕度后的静稳阻抗圆。同时根据Q／GDW 746—2012《同步发电机进相试验导则》中进相试验过程中机端电压的要求，机端电压U也应该取额定机端电压0.9 倍［6-7］。

4 实例分析

某热电厂一台机组相关参数为：额定视在功率SN=412 MVA，额定有功功率PN=350 MW，额定机端电压 UN=20 kV，Xd=2.171 4，X′d=0.233 5，机端 TV 变比nv=200，机端TA变比nA=3 000。

由该机组进相试验报告，得到低励限制曲线如表1所示。

表1 低励限制曲线

发电机失磁保护判据为异步阻抗圆，该异步圆的上下边界分别为Xa=-1.7 Ω，Xb=-33.3 Ω，如图 1所示。

图1 某电厂失磁保护异步阻抗圆

先将各有名值转化为标幺值。发电机的基值阻抗

圆心坐标为

半径为

考虑到该电厂发电机进相运行时机端电压不低于额定电压的0.95，取U=0.95。

根据式（8），异步阻抗圆映射到功率平面的圆心坐标和半径分别为

将发电机同步电抗、主变短路阻抗和系统电抗标幺值换算为以412 MVA为基础的标幺值

结合式（11），同时取机端电压U为额定机端电压的0.9倍，可得静稳圆的圆心和半径分别为

考虑一定的静稳储备，可以将上述静稳圆的P、Q值除以1.2得到带有裕度静稳阻抗圆。

至此，已经将失磁保护异步阻抗圆、带有裕度静稳阻抗圆从R－X平面归算到了P－Q坐标平面，如图2所示。由图2可以看出，当机组在进相运行的过程中低励限制先于失磁保护动作，励限制曲线与失磁保护阻抗圆的配合完全满足DL／T 1309—2013《大型发电机组涉网保护技术规范》的要求。

图2 励磁限制、异步圆和静稳圆配合

5 结语

针对发电机励磁系统低励限制和发变组失磁保护的配合问题，从理论依据、归算方法、计算步骤上进行了论述。

推导的失磁保护阻抗圆从R－X平面到P－Q坐标平面的归算方法具有普遍意义，可以用于静稳阻抗圆、异步阻抗圆的归算。如果失磁保护按圆特性整定时，优先考虑将阻抗圆从R－X平面归算到P－Q坐标平面；当失磁保护按非圆特性整定时，优先考虑将低励限制定值从P－Q坐标平面归算到R－X平面。

机组从失磁运行到失稳运行最后到失步运行的过程中，相应的运行工况是从低励限制区移动到失磁保护圆。因此，为了机组运行的安全，要求低励限制先于失磁保护动作，在P－Q坐标平面上，就是要求低励限制曲线应该处于失磁保护阻抗圆的上方。若失磁保护的判据为静稳阻抗圆，则应考虑静稳定储备系数、可靠系数、参数误差等因素，将静稳阻抗圆留一定的裕度。

［1］王青，刘肇旭，孙华东，等.发电机低励限制功能的设置原则［J］.电力系统保护与控制，2011，39（6）：55-60.

［2］葛元宝.发电机失磁保护和励磁调节器低励限制之间的配合问题［J］.安徽电力，2006，23（3）：50-51，72.

［3］郭春平，余振，殷修涛，等.发电机低励限制与失磁保护的配合整定计算［J］.中国电机工程学报，2012，32（28）：129-132，9.

［4］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）：11－14，30.

［5］刘桂林，宋玮，宋新立，等.基于涉网保护的低励限制、失磁保护与失步保护配合的研究［J］.电力系统保护与控制，2014，42（23）：107-112.

［6］赵明军，韩继成.水电站发电机低励限制与失磁保护配合校核计算［J］.内蒙古电力技术，2015，32（4）：78-81.

［7］陆秋瑜，徐飞，胡伟，等.考虑机网协调的新型发电机失磁保护方案研究［J］.电力系统保护与控制，2013，41（9）：1-6.