保护与励磁对发电电动机运行的限制

丁烨楠，孙育哲

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台317200）

1 引言

抽水蓄能电站发电电动机稳定运行，主要由发电电动机本体的功能特性决定，同时其励磁调节器、继电保护装置也作用巨大。在目前电力系统优先考虑电网稳定的大前提下，本文尝试将励磁调节器、继电保护装置的限制与发电电动机的性能，利用PQ图进行分析。并结合某抽蓄电站机组的实际参数和运行特点绘制其可运行的区域图形。

2 发电电动机运行能力区域

以某抽水蓄能机组发电方向为例：

机组相关参数：

额定容量发电 334 MW，cosφ=0.9，φN=25.84°，Xd=1.14，Xq=0.757。

某抽水蓄能电站发电电动机属于凸极机，通过将其电、磁量分解为交轴分量和直轴分量可以得到发电电动机的电势方程：

根据公式（1）可以绘制出发电电动机相量图（图 1）。

根据图1绘制发电电动机的发电方向理论稳定区域PQ图。

静稳曲线：考虑发电电动机应具有一定的稳定裕度，将静稳极限所对应的最大功率减少10%Pmax。

图1 发电电动机电流相量图

定子稳定曲线：定子负荷不能超过其额定值，不考虑发电电动机具有一定的过负荷能力时按额定的绘制。

通过计算可以得到发电电动机理论运行区域（发电方向）为图2中阴影部分。曲线1为发电电动机1.05倍额定负荷时的情况，即定子电流限制。这些特性由发电电动机自身特性决定。

3 与发电电动机运行能力相关的励磁限制及继电保护

图2 发电电动机理论运行区域（发电方向）

3.1 失磁保护、功角限制

（1）失磁保护

继电保护通常使用阻抗圆表示失磁保护的整定范围。为在PQ图中画出失磁保护的动作区域，需要将失磁保护的阻抗圆转化为导纳圆。

R为电阻；X为电抗；Z为阻抗；G为电导；B为电纳；Y为导纳。

根据公式（2）我们可以得到：

失磁保护的定值：圆心（0，0.733 pu）、直径：1.129 pu。

根据公式（3）（4）我们将阻抗圆演算到导纳平面得到了失磁保护导纳圆图。

根据公式将导纳与PQ平面建立关系：

S为视在功率；P为有功功率；Q为无功功率；U为电压。

根据公式（5）可以将导纳圆映射到PQ平面中。

（2）功角限制

功角限制器实质上是一种低励限制，某电站的功角设定值为70°，且该限制与失磁保护相互配合作用。

图3中曲线“失磁保护”代表了失磁保护在PQ图中的界线，其右侧是可运行区域，射线“功角限制”代表了功角限制在PQ图中的界线，其右侧是可运行区域。

3.2 最大、最小励磁电流限制

图3中BA连线与磁阻圆相交于R点，RA的长度反映转子额定电流的大小，最小励磁电流取其10%。在某抽水蓄能电站取12.5%作为最小励磁电流限制，取105%作为最大励磁电流限制。

图3中曲线1'为励磁最小电流限制曲线，其右侧为可运行区域，曲线1'''为最大励磁电流限制曲线，其左侧为可运行区域。

图3 含转子过负荷保护的发电电动机PQ图

3.3 励磁变过流、转子过负荷保护

（1）励磁变过流保护

某电站励磁变过流一段动作电流值取0.2 A，CT变比为300：1。因此对应的一次电流为60 A。励磁变压器高、低压侧的额定电压分别为18 000 V和550 V，计算对应励磁变低压侧电流为：

由于励磁电流是通过整流后的直流电，考虑0.816的整流变换，对应的励磁电流为：

对应额定励磁电流倍数：

根据线段RA的长度确定励磁额定电流的线段长度，并在其延长线上截取其长度1.357倍的线段，用同种方法依次在B点到磁阻圆边界的延长线上截取相同长度的线段，并将其端点描绘成曲线，在图3中如曲线励磁变过流0.2 A定值段所示。曲线左侧为可运行区域。

（2）转子过负荷保护

某电站转子过负荷保护值取0.53 A，CT变比为3 000：1因此对应的一次值为1 590 A。由于励磁电流是通过整流后的直流电，考虑0.816的整流变换，计算对应的励磁电流为：

对应额定励磁电流倍数：

根据线段RA的长度确定励磁额定电流的线段长度，并在其延长线上截取其长度1.1倍的线段，用同种方法依次在B点到磁阻圆边界的延长线上截取相同长度的线段，并将其端点描绘成曲线，在图3中如曲线转子过负荷0.53 A段，曲线左侧为可运行区域。

4 结论

根据上述限制条件，可以绘制出某抽蓄电站发电电动机发电工况继电保护、励磁限制下发电电动机可运行区域PQ图，如图4。

图4 继电保护、励磁限制下发电电动机可运行区域PQ图

图4中由4条边界线构成了阴影部分。4条边界线分别是，曲线1为：定子过负荷边界；曲线2为：转子过负荷限制；曲线3为：励磁功角限制；曲线4为：转子最小电流限制。

5 结语

在发电电动机的运行与控制中，保护与励磁相互协调共同作用。励磁系统的各项限制功能均优先保证发电电动机的持续稳定运行。继电保护的各项限制优先保证将故障设备从电网中分离。分析继电保护与励磁限制对发电电动机稳定运行的影响，有利于指导励磁、继电保护的整定值设置，更大水平的发挥机组、励磁等调节设备的性能，确保电力系统安全稳定运行。