一起大型发电机失磁保护整定计算

代刚

摘 要：发电机失磁保护作为发电机励磁电流下降或消失的保护，可检测发电机是否因失磁而失去静态稳定。本文针对采用静稳阻抗、系统三相低电压和转子静稳极限低电压等判据的某大型发电机失磁保护进行整定计算，并对进相等运行方式下该保护的灵敏度进行验算，以期为相关学者提供参考。

关键词：励磁电流；联系电抗；静稳阻抗；进相运行；静稳极限

中图分类号：TM772 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0133-03

Calculation of a Large Generator Loss Excitation Protection

DAI Gang

（NanJing SAC Valmet Automation Co.，Ltd.，NanJing JiangSu 211800）

Abstract： As the protection of the generator's excitation current falling or disappearing， the generator loss protection can detect whether the generator loses static stability due to the loss of magnetic flux. In this paper， a large generator loss of excitation protection based on static stability， three-phase low voltage and rotor static stability limit and low voltage criterion was set up， and the sensitivity of the protection was checked under equal operation mode， with a view to provide reference for unrelated scholars.

Keywords： exciting current；contact reactance；static impedance；in phase operation；static stability limit

1 发电机失磁保护

发电机励磁系统故障使励磁降低或全部消失，从而导致发电机与系统间失步，对机组本身及电力系统的安全造成重大危害。对于汽轮机组的失磁保护判据可以采用两种方案：方案一由静稳阻抗+异步阻抗+系统三相低电压组成，判据简单可靠清晰方便；方案二由静稳阻抗+系统三相低电压+转子静稳极限低电压等判据组成，判据相对繁杂调试工作多等特点。本文针对采用方案二的某大型发电机失磁保护进行整定计算[1]。失磁保护原理逻辑逻辑图见图1。

2 整定计算

2.1 静稳阻抗值整定

说明：由于整定计算涉及很多参数，限于篇幅，本文直接引用相关数据，不再详细计算，具体推算过程在整定计算书中有详细描述，此处只罗列算法，数据引用整定计算书中的数据。

发电机纵轴电抗基准容量下的标幺值为：

[Xd=1.84 × 100 ÷ （600 ÷ 0.9） = 0.276] （1）

按最大运行方式整定，最大运行方式[Xs.min.1]下的系统与机组并联电抗值为：

[Xs.min=Xs.min//Xd+Xmt+XL =0.012 5//0.276+0.019 4+0.000 41=0.003 17]（2）

失磁机组的联系电抗：

[Xst=Xt+XL+Xs.min =0.019 4+0.000 41+0.003 17=0.022 98] （3）

机端基准阻抗值是[Zj=4.84Ω]，电流、电压互感器变比的比值为：

[niv=ni/nv=25 000/522/0.10=22.727 3] （4）

静稳阻抗上边界动作阻抗整定值：

[Z1A=XstZjnav=0.022 98×4.84×22.727 3=2.53Ω] （5）

静稳阻抗下边界动作阻抗整定值：

[Z1B=XdZjnav=0.276×4.84×22.727 3Ω=30.36Ω]（6）

2.2 系统三相低电压整定

系统三相低电压动作值按高压系统正常运行最低电压来整定，根据《大型发电机变压器继电保护整定計算导则》[2]系统，三相低电压动作整定值为：

[U3ph.<.s=0.9Us.e=0.9×105=94.5V] （7）

2.3 转子低电压判据整定

变励磁电压的判据为：

[Ufd≤KsetP ] （8）

式（8）中，整定系数：

[Kset=Xd+XstUfd0/UsEd0 ] （9）

其中，[Xd]，[Xst]，[Us]分别为：

[Xd二次=XdZjnav=0.276×4.84×22.727 3Ω=30.36Ω]（10）

[Xst二次=XstZjnav=0.022 98×4.84×22.727 3=2.53Ω]（11）

[Us二次=22×103×1/220=100V=Ed0] （12）

通过具体计算，可得整定系数为：

[Kset=30.36+2.53×126100×100=0.414V/W]

2.4 延时动作值整定

延时动作值整定：[t1=1.5s]，按躲过系统振荡最长周期时间来计算整定，动作于信号；[t2]延时动作值应按减出力或切换励磁相应时间来考虑整定，整定值为[t2=1.5s]，动作于解列灭磁或程序跳闸。

3 各元件的可靠性验算

校验各元件的可靠性应包括各元件的防误动性和防拒动性两部分内容。防误动性主要考核验算进相运行是否会安全不误动，防拒动性主要考核验算机组真正发生失磁故障时是否能可靠动作，即动作灵敏系数是否满足《继电保护和安全自动装置技术规程》[3]要求。

3.1 进相运行时静稳阻抗元件是否会误动

由汽轮发电机组运行极限特性图可知，进相运行试验有功功率为0.5倍额定值，最大无功功率为-0.3倍额定有功功率，并考虑电压下降约0.9倍的裕度，即[P=0.5Pe=300MW]，[Q=-0.3Pe=-180MVar]，机端测量阻抗一次值是：

[Zcl=0.9×222×ejarctg-0.6/3002+1802=1.120 6e-j310Ω]（13）

机端测量阻抗二次值：

[Zcl=1.120 6e-j310×22.727 3=25.47e-j310Ω] （14）

在-31?阻抗角上的静稳阻抗元件边界动作值：

一次标幺值：

[Zbj·op=Xd-Xst2sinφ+Xd-Xst2sinφ2+XdXst =0.276-0.022 982sin-31°+0.276-0.022 982sin-31°2+0.276×0.022 98=0.1307]（15）

二次有名值：

[Zbj.op.m=0.130 7×4.84×22.727 3=14.37Ω] （16）

发电机进相试验有功功率为0.5倍额定值，最大无功功率为-0.3倍额定有功功率（功率因数角-31?）时，机端测量阻抗-25.47Ω大于静稳阻抗动作边界值14.37Ω，测量阻抗没有进入静稳阻抗圆内，静稳阻抗元件不会误动。

3.2 失磁时静稳阻抗元件可靠性验算

发电机在满负荷功率下发生全失磁，机端电压下降到0.9倍额定电压时，静稳阻抗元件是否能可靠、正确动作的验算。

全失磁运行时测量阻抗是：

[Zcl=0.9Ugn2/P-jQ =0.9×222/600+j600=0.462 0e-j450Ω] （17）

测量阻抗二次有名值：

[Zcl=0.462e-j450×22.727 3=10.50e-j450Ω] （18）

在阻抗角-45?上的静稳阻抗元件边界动作值（[Xd]取饱和值计算）：

[Zbj.op=0.276-0.022 982sin-45°+0.276-0.022 982sin-45°2+0.276×0.022 98=0.209 3]（19）

边界动作二次有名值：[Zbj.op.m=0.209 3×4.84×22.727 3=23.02Ω]，测量阻抗进入静稳阻抗圆内，其动作灵敏系数：[Ksen=Zbj.op/Zcl=23.02/10.5=2.19>1.3]满足灵敏度要求，静稳阻抗元件能可靠动作。

3.3 转子低电压判据的可靠性验算

0.5额定功率是[P0.5=0.5PN=300MW]，额定励磁电压：[Udf.n=400.1V]，空载额定励磁电压：[Udf.0=153V]。

其二次值：

[P二次=P0.5/nvni=300×106/0.22×103×5×103 =272.73W] （20）

所对应的励磁电压动作值：

[Udf.op=KsetP=0.414×272.73=112.91V] （21）

带负荷的励磁电压：

[Udf=KUdf.n+1-KUdf.0] （22）

式（22）中，K是小于1的负荷功率倍数。

半负荷功率的励磁电压：

（K=0.5）[Udf.0.5=0.5×400.1+0.5×153=276.55V]（23）

此時该判据动作（可靠）灵敏系数：

[Ksen=Udf.0.5/Udf.op=276.55/112.9=2.44>1.3]，变励磁电压判据能可靠动作。

4 结论及建议

从上述计算中得出发电机失磁保护各项定值如表1所示。

从验算中不难看出，发电机在额定功率或在半额定功率发生失磁事故时，静稳阻抗+静稳极限转子电压判据都能可靠动作反应，系统低电压元件会可靠不动作。所以该失磁方案能满足现场运行的条件。

参考文献：

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

[2]国家能源局.DL/T 684—2012，大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].北京：中国电力出版社，2012.

[3]国家能源局.GB/T 14285—2006，继电保护和安全自动装置技术规程[S].北京：中国电力出版社，2006.