基于导纳测量原理的发电机失磁保护定值整定

2013-11-21安亮

河北电力技术 2013年4期

安亮

（神华河北国华定洲发电有限责任公司，河北定州 073000）

发电机失磁保护可以采用不同的原理和判据，其中，基于阻抗测量原理的失磁保护在工程中已经得到广泛应用，在定值整定和保护校验方面有着丰富的经验。而基于导纳测量原理的失磁保护，在近几年才得到一定范围的应用，在定值整定和保护校验方面没有太多的参考案例和经验。以下结合失磁保护在工程中的实际应用，提出了基于导纳测量原理的失磁保护定值整定和保护校验方法。

1 导纳测量原理失磁保护及其动作特性

传统失磁保护是基于机端阻抗测量的办法进行保护，而导纳测量原理是采用电流和电压的正序分量计算出阻抗的倒数（相当于导纳），失磁特性直接从发电机运行极限图获得，可以很好地接近发电机的稳定特性，并且动作特性与机端电压波动无关。

从发电机的运行极限图（P－Q图）上（见图1），可以看出发电机的运行范围受到如下约束：

a.滞相运行区域（Q＞0，发电机发出无功功率）受原动机最大输入功率和转子绕组温升的约束。

b.进相运行区域（Q＜0，发电机吸收无功功率）受原动机输入功率、定子绕组温升及稳定极限的约束。

发电机输出功率的通用公式如下：

式中：P为有功功率；Q为无功功率；Eq为激磁电动势；U为机端相电压；δ为功角；Xd为直轴同步电抗。

图1 发电机运行极限

按照图1中的发电机运行极限，结合P、Q的计算公式，通过电流和电压的矢量图，将发电机的极限值标示出来，见图2。

图2 发电机运行极限值

发电机接入电力系统以后，发电机的实际稳定极限就会发生变化［1］。这是因为要考虑发电机和系统之间的联系电抗（如主变压器的电抗）等，还要考虑适当的安全裕度，发电机实际允许的稳定极限值将小于理论值。发电机制造厂家在规定稳定极限值时，必须配合运行极限图。制造厂在给出的运行极限图中，有采用有名值（MW，MVar）的标定方式，也有采用标幺值的标定方式（p.u.），将有名值视图上的各参数除以发电机的额定视在功率，就可以得到标幺值视图。

当发电机机端电压V＝VN＝1时，在运行极限图上的标幺值参数就等于导纳图上的标幺值参数。因此，可从发电机的运行极限图上直接获取失磁保护的定值参数，见图3，推导方法见参考文献［2］。

图3 导纳平面上的失磁保护启动特性

从图3中可以看出失磁保护的动作特性关系：

a.超出了特性1，而未超过特性2，经过延时发告警信号或者跳闸命令。

b.超出了特性2，而未超过特性3，经过延时发告警信号或者跳闸命令。

c.超出了特性3，则经过短延时或者不设延时，直接作用于跳闸。

2 失磁保护定值整定

2.1 整定原理

考虑到发电机与系统的联系电抗，相比于理论上的稳定极限特性，隐极式发电机的实际稳定极限将向坐标轴的右边倾斜。

运行极限图适用于发电机处于额定电压（UN）和额定电流（IN）的工况。在实际运行中，却并不能保证电压值为常量。通过计算公式（1）、（2）可以看出电压变化对发电机运行极限的影响。如果不加励磁，那么定子绕组电动势Eq＝0。发电机吸收的最大无功功率为Q＝－U2／Xd，电压变化10%时，无功功率有以下变化：U＊＝0.9时Q＊＝－0.81，U＊＝1.1时Q＊＝－1.21，与额定电压时相比，在低电压时发电机的稳定极限移向右边，进一步约束了发电机能够吸收的系统无功功率。这个无功功率与电压的平方成正比。在过电压时，发电机的稳定极限移向左边，因此不用关心。

当系统中发生小干扰时，会对发电机稳定极限产生影响。如果系统的负荷或者运行方式突然发生变化，就会出现相应的暂态量及相应的暂态反应。这时候，就涉及到发电机的动态稳定问题。为了得到简化的近似结果，可以用暂态量（X′d，X′q和E′）替换公式（1）、（2）的相关量。

图4示出了动态稳定的基本结果。从图4可以看出，在动态过程中即使功角大于90°，发电机依然能保持稳定。在这种情况下，发电机的动态稳定极限取决于暂态直轴电抗。在实际运行中，功角也大于90°，一般在110°～120°。

图4 发电机稳定极限

可以看出，将发电机的运行极限图变换到稳定极限图有着独特的优势。如果将发电机稳定极限图中的P、Q分别按照式G＝P／V2，B＝Q／V2计算，则可以将发电机稳定极限图推导到相应的导纳平面上，以标幺值表示的导纳平面不但直接对应发电机的运行极限图，而且还与发电机的机端电压无关。

2.2 整定计算

如果将厂家提供的发电机P－Q曲线图变换到导纳平面（除以U2），那么失磁保护的跳闸特性就可以直接与发电机P－Q曲线图匹配。此时发电机的容量曲线图以标幺值表示，失磁保护的定值直接从发电机容量曲线图中读取。如下图5所示为一个发电机的容量曲线图，可以从容量曲线图中直接读取发电机的一次参数。

图5 以标幺值显示的发电机容量曲线

失磁保护的一次值可以直接从发电机容量曲线图中读取，但读取的这个一次值必须转换成保护定值，公式如下：

式中：Xdsec为同步电机的直轴同步电抗二次标幺值；XdMach为同步电机的直轴同步电抗标幺值；INMach为同步电机的额定电流；UNMacn为同步电机的额定电压；UNVTprim为电压互感器的一次额定电压；INCTprim为电流互感器的一次额定电流。

2.3 整定结果

公式（3）计算结果参照图3的发电机导纳特性图，得出失磁保护3个特性曲线的整定值：

a.特性1的定值设置。将式（3）计算的保护定值乘以1.05的安全裕度，就可以作为1／Xd1的整定值。而对于角度α1，通常选取电压调节装置的欠励磁极限角度或者同步电机稳定特性的倾角，同时按照发电机厂家给出的运行极限图，可以看出角度α1是一个小于90°的值，典型值设定为80°。

b.特性2的定值设置。由于电机厂家会给出一个最小励磁电压，所以在有功功率很小的情况下，特性曲线1会被特性曲线2切断。于是参数1／Xd2设定为0.9倍的1／Xd1，而对于隐极式发电机由于Xd＝Xq，极限功角δ为90°，因此对应的角度α2设定为90°。

c.特性3的定值设置。特性3 用于匹配同步电机的动态稳定极限，可以在直轴同步电抗Xd和直轴暂态电抗X′d之间选取一个合适的近似值作为1／Xd3的定值，但这个定值应该大于1，按照经验可以取2×（1／Xd1）。对应的角度α3，由于动态过程中即使功角大于90°，发电机依然能够保持稳定，因此在实际运行中动态稳定的功角大于90°，通常选在100°～110°。

2.4 整定校验

根据失磁保护的3个特性，可以在保护装置内通入正序电流和正序电压，来模拟不同的导纳情况下装置的动作情况，从特性3到特性1逐个校验曲线的动作值和动作时间。

2.4.1 校验特性3失磁曲线

为了保证校验过程中不受特性1和特性2的影响，首先将特性1和特性2的时间设为无穷，确保特性1、2在校验时不动作。然后选择一个与特性3相交的导纳线L1（导纳角β3），固定正序电流的大小，逐渐减小正序电压，使得L1上的测试点A逐渐增大，当与特性3相交时，记录此时的电压、电流和角度，确定点A在导纳平面上的位置。然后以同样的方法确定另一个与特性3相交的导纳线L2（导纳角γ3），得到L2与特性3相交的点B在导纳平面上的位置。通过点A与点B的位置，就可以得出特性3在导纳平面的方程，进而求得1／Xd3和角度α3，如图6所示。在特性3 失磁曲线校验完成后，将特性1和特性2的动作时间改回原来的设定值。

图6 测量特性3的2个动作点

2.4.2 校验特性2失磁曲线

为了保证校验过程中不受特性1和特性3的影响，首先将特性1和特性3的时间设为无穷，确保特性1、3在校验时不动作。特性2失磁曲线的校验与特性3失磁曲线的校验方法类似，首先选择一个与特性2相交的导纳线（导纳角β2），固定正序电流的大小，逐渐减小正序电压，得到导纳线与特性2的一个交点C。然后以同样的方法确定另一个与特性2相交的导纳线（导纳角γ2），得到与特性2相交的另一个交点D在导纳平面上的位置。通过点C与点D的位置，就可以得出特性2在导纳平面的方程，进而求得1／Xd2和角度α2。在特性2失磁曲线校验完成后，将特性1和特性3的动作时间改回原来的设定值。

2.4.3 校验特性1失磁曲线

为了保证校验过程中不受特性2和特性3的影响，首先将特性2和特性3的时间设为无穷，确保特性2、3在校验时不动作。特性1失磁曲线的校验与特性3失磁曲线的校验方法类似，首先选择一个与特性1相交的导纳线（导纳角β1），固定正序电流的大小，逐渐减小正序电压，得到导纳线与特性1的一个交点E。然后以同样的方法确定另一个与特性1相交的导纳线（导纳角γ1），得到与特性1相交的另一个交点F在导纳平面上的位置。通过点E与点F的位置，就可以得出特性1在导纳平面的方程，进而求得1／Xd1和角度α1。在特性1失磁曲线校验完成后，将特性2和特性3的动作时间改回原来的设定值。