某水轮发电机最大进相深度的限制条件与失磁保护验证

钟 建，阳 彪，陈纳强，曾恕嘉，沈 伟，夏运超

(1. 中国大唐集团科学技术研究院有限公司水电科学研究院，四川 成都 610046；2. 中国长江电力股份有限公司溪洛渡水力发电厂，四川 成都 610046；3. 雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610046)

由于发电机进相运行深度受到静稳定、额定定子电流、定子电压降低和定子端部发热等因素限制，需要对各类限制条件、功能配置和配合情况进行分析与验证，以确定其进相运行是否能满足国家规程规定。而励磁系统低励限制一般采用P-Q限制单元方式，发电机失磁保护采用阻抗特性方式，按照相关规程和标准，励磁系统低励限制功能应进行动、静稳定试验验证，且发电机低励限制的动作应先于失磁保护动作。

为了验证某发电机进相运行深度受限时，励磁系统低励限制功能、发电机失磁保护功能配合情况是否满足日常运行及规程要求，低励限制与失磁保护配合是否合理，本文接下来将根据贾文双等发表的《发电机失磁保护与低励磁限制的配合方法》[1]一文中的推导方法，将低励限制与失磁保护归算到同一平面上进行比较分析，得到该型号的低励限制与“WFB-822A/R1/F”型失磁保护装置的配合进行实践应用。

1 概 述

某发电厂与220 kV系统相连，装设3台立轴混流式发电机组，单机容量40 MW，发电机层高程为2 759.9 m。该发电机为单元接线方式运行。220 kV变压器分接开关置于Ⅳ档位置，厂用变压器分接开关置于Ⅲ挡位置。励磁系统是自并励励磁系统，励磁调节器为广州擎天实业有限公司生产的EXC9100型微机励磁调节器，其AVR和PSS(包括限制环节)模型如图1所示。该发电机失磁保护采用许继电气股份有限公司生产的“WFB-822A/R1/F”型失磁保护装置，该失磁保护由静稳阻抗、异步阻抗判据、励磁低电压判据、机端低电压判据组成。失磁保护逻辑框图如图2所示。

图1 低励限制调节模型图

图2 WFB-822A/R1/F型失磁保护逻辑框图

2 发电机最大进相运行深度受限情况分析

2.1 进相运行试验数据分析

发电机进相运行深度受到静稳定、定子电流、电压降低和定子端部发热等因素的限制，应对各类限制条件、功能配置和配合情况进行分析，以确定其进相运行时是否能满足国家规程要求。通过对该水轮发电机组不同工况下进行进相运行试验，以确定该发电机最大进相运行深度和受限条件。

根据试验相关规程及该电站区域调度对发电机进相运行深度相关要求，以该厂1号发电机为例进行分析可知，发电机在100%PN工况时，最大进相深度为-12.64 Mvar，受机端电压低于95%UN、功率因素接近0.95的限制；在75%PN工况时，最大进相深度为-15.81 Mvar，受机端电压低于95%UN、厂用电压接近361 V的限制；在50%PN工况时，最大进相深度为-17.63 Mvar，受机端电压低于95%UN、厂用电压接近361 V的限制；在0%PN工况时，最大进相深度为-19.13 Mvar，受机端电压接近90%UN、厂用电压接近361 V的限制。

通过对发电机监控系统预埋测温元件显示，发电机空冷器冷风平均温度为18.29℃、热风平均温度为47.33℃、定子绕组最高温度为64.0℃、定子铁芯最高温度为59.0℃等各部温度均在规定范围内，发电机功角最大值为38.1°，均有较大裕度，不作为进相运行试验受限条件[2]。

2.2 发电机励磁系统低励限制功能验证

1)发电机低励限制功能静稳定性试验。适当调整低励限制定值，就地减磁，使得无功功率值减少到当前设置值以下。此时，减磁无效，无功功率被限制，励磁系统报低励限制动作信号。由图3波形曲线可以明显看出，励磁调节器减磁到设定值时减磁无效，证明该调节器低励限制功能满足要求。

图3 励磁调节器低励限制静稳定试验波形图

2)发电机低励限制功能动稳定性试验。根据规程DL/T 1523—2016《同步发电机进相试验导则》要求，发电机在无功功率接近于低励限制时，对励磁系统低励限制环进行给定电压向下阶跃扰动试验，如图4所示。

图4 发电机励磁调节器低励限制动稳定试验波形图

试验结果表明，励磁调节器显示低励限制动作信号正常，通过波形可以发现发电机低励限制器动作正常，无功功率在低励限制环附近阶跃扰动过后有明显上升趋势，无功功率波动次数小于5次，能较快恢复至低励限制环以上运行，效果较为明显。该发电机励磁调节器低励限制功能动作正确、有效，调节器性能合格。

3 发电机最大进相深度与失磁保护配合可行性分析

为校核发电机失磁保护功能及判据的合理性，以及是否符合实际生产要求，防止发电机进相运行时失磁保护误动作造成一定的不便，在发电机进相运行时，需考虑发电机失磁保护与励磁低励限制两者是否匹配，发电机励磁系统低励限制应先于失磁保护动作的要求，以达到在实际进相运行过程中，在不停机的情况下，以低励限制受限来限制其过度进相运行。

3.1 低励限制曲线计算

按照表2中该发电机最大进相运行深度，结合广州擎天实业有限公司EXC9100型微机励磁调节器实际运行中低励限制受限点应根据式(1)进行计算修正[3]。

实际低励限制值计算公式：

式中：Quelim为低励限制实际无功功率限制值；Qi为低励限制无功功率设定值；Ug为实际运行中机端电压。

根据计算得到该发电机实际运行中低励限制受限数据见表1。

表1 发电机低励限制定值最大进相深度模拟计算

3.2 失磁保护阻抗圆计算

WFB-822A/R1/F型失磁保护静稳阻抗、异步阻抗判据、励磁低电压判据、机端低电压判据定值整定情况如表2所示。

表2 发电机失磁保护定值单

根据该发电机失磁保护定值计算[4]得到发电机失磁保护阻抗圆如图5所示保护动作区域。

图5 进相试验深度与失磁保护的阻抗配合曲线

3.3 失磁保护与低励限制配合分析计算

1)结合表1中试验数据，将失磁保护定值转换到P-Q平面得到发电机低励限制与失磁保护配合情况[5-6]，如图6所示。

图6 发电机失磁保护与低励限制P-Q配合示意图

通过对图6分析知：低励限制曲线与失磁保护曲线没有交叉现象，表明该发电机进相深度满足运行要求。该发电机可在ABCD曲线内正常运行，其中直轴右边部分为迟相运行容量，左边部分为进相运行容量。

2)通过分析WFB-822A/R1/F型发电机失磁保护静稳边界阻抗判据动作特性，将低励限制曲线转换到阻抗平面[4]得到发电机低励限制与失磁保护配合曲线，如图5所示。

经校核发电机失磁保护定值可以满足进相试验的需要，进相运行时可正常投入运行。另根据发电机励磁系统和失磁保护相关限制条件进行对比分析可以看出，在发电机最大进相运行深度时低励限制可在失磁保护曲线前动作，并通过对比FB-822A/R1/F型失磁保护逻辑框图(图2)可知，该深度并未达到失磁保护动作条件，失磁保护不应动作，其最大进相运行深度满足日常运行要求。

4 结 语

通过对该发电机励磁系统低励限制功能和定值进行试验验证，以及对该发电机失磁保护功能及定值进行核算，表明：该水轮发电机组在达到最大进相运行深度时，失磁保护并未达到动作条件；低励限制定值设置满足实际运行要求；励磁系统低励限制定值与发电机失磁保护相配合正确，能在发电机失磁保护之前可靠动作。

随着电力系统的不断发展，水电站设备也随之不断改善，其保证稳定、可靠的各项性能和功能也在不断完善。通过对电厂不同设备相关功能及定值进行验证，可有效防止单个设备定值整定错误现象，避免了人为原因造成不必要的非停事故的发生。为保证机组能够安全、可靠运行提供必要的技术支撑，为今后的发电机相关定值参数的整定发展提供参考借鉴。