励磁系统限制和发电机保护的匹配性分析

2020-11-02李小龙邢艳平林罗波

山东电力技术 2020年10期

李小龙，张彬，邢艳平，林罗波

（1.华能山东石岛湾核电有限公司，山东荣成 264312；2.华能海南昌江核电有限公司，海南昌江 572733）

0 引言

为保证电网和发电机的安全运行，须配置必要的发电机励磁限制和相应的保护功能。当设备故障或系统扰动使机组运行在异常或极限工况时，可通过励磁限制尽可能维持机组在安全运行状态，能够为运行人员提供监视、判断和操作的缓冲时间［1］。一旦励磁系统运行异常或故障，相应的励磁限制失效，则要通过发电机保护将机组切除，保证机组和电网的安全。因此励磁系统的限制功能要与发电机保护功能协调匹配，基本原则为：在发电机安全运行允许范围内，最大限度发挥发电机组过载能力的同时，确保励磁先动、保护后动，并且均在发电机允许极限能力范围内。

某机组产生的高温蒸汽推动汽轮机做功产生211 MW 电功率经发电机出口断路器通过主变压器送至220 kV 电网。励磁系统采用静止自并励系统，发电机保护设备采用PCS-985G 发电机保护装置。励磁限制功能及设定值由励磁厂家提供，而发电机变压器组保护定值整定计算委托给其他公司完成。由于完成公司不同，励磁限制和发电机变压器组保护定值的匹配性可能存在问题。

就励磁限制和发电机保护之间的配合合理性进行分析验算，并针对存在的问题提出解决办法，为发电机组的安全稳定运行提供保障。

1 发电机及励磁系统

机组QFKN-211-2 卧式隐极空冷同步发电机及励磁系统主要参数如表1 所示。

表1 发电机及励磁系统主要参数

机组采用自并励静止励磁系统，主要功能包括：提供机端电压调节、磁场电流调节、无功调节、功率因数调节4 种运行方式；具有磁场电流限制、定子电流限制、低励限制、伏赫兹限制、整流桥运行限制以及增减磁越界限制等各种限制功能；能在模拟量（机端电压、机端电流、转子电流、频率相位等）测量发生故障、灭磁开关状态错误、直流操作电源消失等状态下进行报警和保护；还具有阶跃响应试验、跟踪系统电压、抑制电力系统低频振荡、调差等附加功能。

2 磁场电流限制和转子过负荷保护配合

2.1 配置说明

励磁调节器设置的磁场电流限制即为转子电流限制，包括顶值瞬时限制、定时限限制和强励反时限限制。顶值瞬时限制是指当机端电压降低到强励动作值0.8Un时限制器瞬时动作强励至2 倍顶值；定时限限制是指在2 倍强励时经过定时10 s 后励磁电流降至1.1Ifn长期允许运行电流；强励反时限限制是指当励磁电流在1.1Ifn～2Ifn间符合反时限动作特性，其反时限特性方程为，启动电流为1.11Ifn。

发电机转子过负荷保护（励磁绕组过负荷保护）取自励磁变低压侧TA 电流，TA 变比3 000／1，分为定时限保护和反时限保护。其中定时限保护整定值为0.53 A（折算为1.113Ifn），定时11 s 动作报警。反时限保护特性方程为，其热容量系数C=31，Ifd为保护装置测量的励磁变压器低压侧TA二次电流，转子回路基准电流Ifz取1.02Ifn换算取值为0.49 A，两者在保护装置中可直接调整设定。其下限动作电流为0.56 A（折算为1.176Ifn），延时101.3 s动作全停；上限时间定值为0.5 s，折算上限整定电流值为3.89 A（折算为8.17Ifn）。统一以标幺值表示此反时限特性方程为。

2.2 匹配性分析

根据励磁限制和保护配置，取13 个关键参数点的磁场电流限制和励磁绕组过负荷保护及允许能力数据，如表2 所示。

由表2 可知，励磁限制始终先于保护动作，单纯就励磁和保护匹配性而言配置合理。但是保护特性和允许能力出现了交叉，交叉点为3.765Ifn。转子电流小于3.765Ifn时，保护在允许能力以外，t允

2.3 改进措施

由于励磁系统对2 倍强励10 s 的要求，强励反时限的动作特性不变。需将励磁绕组过负荷保护重新进行整定计算。

2.3.1 励磁绕组过负荷保护重新整定

表2 磁场电流限制和励磁绕组过负荷保护及允许能力数据对比

按照躲过2 倍强励时10 s 考虑，计算得C=29.336，C 要大于此值并留一定裕度。考虑在保护反时限下限动作值0.56 A（1.176Ifn）时t保≤t允来计算，，求得C≤31.11，综上可取C=31。最终的励磁绕组反时限保护动作特性方程为，定时限和反时限保护的动作电流和时间整定不变。

2.3.2 整定后匹配性

根据保护整定方案，取13 个关键参数点的磁场电流限制和励磁绕组过负荷保护及允许能力数据，如表3 和图1 所示。

可见磁场电流限制先于保护动作，且二者都在发电机转子允许过电流能力范围内，配置合理。

励磁变配置了电流速断保护和过流保护，这2段电流保护均取自励磁变压器高压侧TA 电流，TA变比为100／1，其中速断保护定值按照低压侧两相短路故障电流整定为4.1 A，延时0.3 s 全停。过流保护躲过2 倍强励来整定为1.2 A，延时0.6 s 全停。

表3 磁场电流限制和改进后的励磁绕组过负荷保护及允许能力数据对比

图1 磁场电流限制和励磁绕组过负荷保护及允许能力趋势

当达到速断保护定值4.1 A 时，励磁绕组过负荷保护测得的低压侧电流值为4.4 A，超过了反时限上限时间定值0.5 s 对应的整定值3.8 A，因此此时励磁绕组过负荷保护动作时间为上限定值0.5 s，大于励磁变电流速断时限0.3 s，可见励磁绕组反时限保护可作为励磁变速断保护失效的后备保护。

励磁变过流定值1.2 A，对应为转子电流的2.7倍，延时0.6 s 全停，因此可作为强励限制失效的后备保护［2］。

3 定子电流限制和定子绕组过负荷保护配合

3.1 配置说明

定子电流限制采用定时限限制特性，为防止在进相运行时定子电流限制和欠励限制的影响，取消进相运行时的定子电流限制功能，仅在滞相运行时当定子电流超过限制定值1.2In，定时20 s 动作减少励磁电流。

发电机定子绕组过负荷保护分为定时限保护和反时限保护，TA 变比12 000／1。其中定时限整定值为0.74 A（换算为1.11In），定时9 s 动作报警。反时限保护特性方程，下限动作电流0.78 A（换算为1.17In），延时112.2 s 动作全停，反时限上限时间定值为0.5 s，折算上限整定电流值为5.8 A（8.72In）。

3.2 匹配性分析

根据励磁限制和保护配置，取11 个关键参数点的定子电流限制和定子绕组过负荷保护及允许能力数据，如表4 所示。

可见当定子电流达到1.11In时，发电机定子过负荷定时限保护延时9 s 报警；当定子电流达到1.17In，反时限保护延时112.2 s 跳闸；而定子电流达到1.2In时，励磁定子电流限制才定时20 s 减少励磁电流。保护先于限制动作，配合有问题。而且保护和允许能力曲线出现了交叉，交叉点为1.213 8In，定子电流在1.17In～1.213 8In范围内，保护在允许能力以外，配置不合理。

3.3 改进措施

3.3.1 定子电流限制重新整定

定子电流限制采用定时限特性已写入调节器内部程序中，且受汽轮机功率限制有些励磁调节器中不设置定子电流限制。建议将定子电流限制整定为1.17In，定时20 s，确保励磁限制先动作。

3.3.2 发电机定子绕组过负荷保护重新整定

由于热容量系数C 及散热系数Ksr可整定调整，可采取2 种整定方案。

表4 定子电流限制和定子绕组过负荷保护及允许能力数据对比

方案Ⅰ：不考虑绕组的散热效应，在考虑裕度后热容量系数取37.5。此时，可见始终小于定子允许能力。定时限和反时限动作整定值均不变。

方案Ⅱ：考虑绕组的散热效应取Ksr=1.02 不变，求取C 值。按照在反时限动作下限电流1.17In时t允＝t保，计算，得C=36.5，保护特性为，定时限和反时限动作整定值均不变。

3.3.3 整定后匹配性分析

根据限制和保护整定方案，取10 个关键参数点的定子电流限制和定子绕组过负荷保护及允许能力数据，如表5 和图2 所示。

励磁定子电流限制始终先于保护先动作，并且限制和保护都在发电能力允许范围内；方案Ⅰ和方案Ⅱ交叉点为1.586In，电流为1.17In～1.586In时方案Ⅱ更接近能力曲线，可充分发挥发电机的过载能力，电流超过1.586In时方案Ⅱ又能更快动作以保护发电机；另外考虑散热系数可防止保护装置受热造成误动，因此建议采用方案Ⅱ的保护特性。

表5 改进后的定子电流限制和改进后的定子绕组过负荷保护及允许能力数据对比

图2 定子电流限制和定子绕组过负荷保护及允许能力趋势

4 欠励限制和发电机失磁保护配合

4.1 配置说明

欠励限制为5 点组合成的4 段折线型，有功部分给定为0、0.25Pn、0.50Pn、0.75Pn、Pn，对应的无功定值为-0.3Sn、-0.25Sn、-0.2Sn、-0.15Sn、-0.1Sn，励磁调节器中只能修改对应的无功定值。一旦检测到发电机越过低励限制曲线，瞬时立即增加励磁电流，直到离开限制区。

发电机失磁保护采用定子侧异步阻抗圆（图3），并与转子低电压（0.8Ufo和变励磁电压判据）、机端低电压（0.85Un）、系统低电压（0.9Usn）组合构成3 段失磁保护。I 段由阻抗+转子低电压+系统低电压构成，延时0.5 s 全停；II 段由阻抗+转子低电压+机端低电压构成，延时0.8 s 全停；III 段单独由阻抗判据构成，延时1.5 s 程跳。

图3 定子异步阻抗圆

异步阻抗圆的整定一次值为：

失磁异步阻抗动作方程为

4.2 匹配性分析

将失磁保护曲线由R-X 平面映射至低励限制P-Q 平面。

当不考虑进相导致机端电压降低，电压取额定电压时，表达式为

当进相运行时，机端电压的降低会使失磁保护曲线上移，即更容易导致失磁保护的动作，因此要考虑机端电压降低的情况，按照机端电压降低要求不低于0.95Un计算。表达式为

考虑到最严重情况，采用失磁保护“机端三相低电压辅助判据整定的电压0.85Un”进行换算［3］，表达式为

根据失磁保护动作方程在0.85Un和0.95Un下对低励限制的5 个功率值进行点的折算，计算结果见表6，同时将该圆与低励限制曲线映射到同一张P-Q 平面上，如图4 所示。

图4 低励限制与失磁保护配合P-Q 曲线

表6 欠励限制和失磁保护数据对比

由图4 可知，随着电压的降低失磁保护曲线上移，在0.85Un下失磁保护仍然满足在欠励限制后动作。由于机组正在安装调试期，未做过发电机进相试验，因此欠励限制的合理性有待检验及整定，可以根据进相试验实测的进相能力保留一定裕度来整定欠励限制。因为实测的进相能力已经综合检验了发电机静稳极限、失磁保护、定子温升以及厂用电压等情况，在进相能力范围内整定欠励限制定值，既能保证与失磁保护配合的正确性，又能够使机组在达到进相能力前提前动作，防止机组运行到进相能力外的不安全区域，充分发挥机组进相能力［4］。如果实测的进相能力与欠励限制有交叉，可以在保留一定的裕度情况下参照考虑一定裕度低励限制曲线整定低励限制。

5 伏赫兹限制和发变组过激磁保护配合

5.1 配置说明

励磁调节器的伏赫兹限制采用定时限动作特性，厂家设定值为1.1，延时5 s 动作减励磁。

根据发电机和主变压器提供的过激磁能力曲线（如图5 和图6 所示）整定［5］，发电机过激磁保护分为定时限保护和反时限保护，其中定时限保护为发信段，反时限保护由8 点定值组成反时限曲线，动作全停；主变过激磁保护分为定时限保护和反时限保护，其中定时限保护共分为2 段，1 段发信1 段跳闸，反时限特性由8 点定值组成反时限曲线，动作全停。具体定值如表7—表9 所示。

图5 发电机过激磁能力曲线

图6 主变压器过激磁能力曲线

表7 伏赫兹限制定值

表8 发电机过激磁保护定值

表9 主变压器过激磁保护定值

5.2 匹配性分析

伏赫兹限制器的整定值为1.1，高于发电机和主变过激磁保护定时限告警段定值1.06 和反时限下限定值1.07，伏赫兹限制要晚于发电机和主变压器过激磁保护动作，配置错误。另外可知主变压器过激磁能力强于发电机，因此发电机和主变压器过激磁反时限保护中，在时间上发电机先于主变压器动作。但是主变压器过激磁保护定时限跳闸段，定值为1.15定时5 s 与反时限保护中定值1.15 延时100 s 的整定时间冲突，根据主变压器过激磁能力曲线，主变压器具有1.15 倍约270 s 的能力，因此定值设置有误。