发电机欠励限制与失磁保护配合的分析

刘宏猷，邵富平，郝贵敏，熊 丽

（大唐河北发电有限公司马头热电分公司，河北 邯郸 056044）

在发电机励磁系统和发电机保护中分别设有欠励限制和失磁保护，励磁调节器欠励限制必须和失磁保护相匹配，任何操作或电力系统扰动都应保证欠励限制先于失磁保护动作。DL/T 843－2010《大型汽轮发电机励磁系统技术条件》中明确规定“欠励限制的动作曲线应注意与失磁保护的配合”。

1 300MW机组失磁保护的整定计算

1.1 励磁系统介绍

大唐河北发电有限公司马头热电分公司（简称“马头发电公司”）300MW发电机组为东方电机厂产品，配套使用的是GEC－313励磁控制系统，发电机励磁方式为自并励励磁系统。由励磁变压器、励磁调节柜、进线柜、整流柜（3面柜）、灭磁过压保护柜（1面柜）等构成；励磁调节柜内安装的是励磁控制器，是励磁反馈控制的核心部分。整流柜内安装的是由大功率晶闸管组成的三相全控整流桥，根据发电机励磁电流的大小，可由若干个整流柜向发电机提供励磁电流。灭磁过压保护柜中安装的是灭磁开关和非线性或线性灭磁电阻及过电压保护装置。

1.2 失磁保护整定的基本参数

根据9号机组短路计算书，相关数据如下。

基准容量SB＝100MVA；系统联系电抗Xs＝0.072 8；发电机参数：暂态电抗X′d＝0.256 8；同步电抗Xd＝1.854 8；额定电压UGN＝20kV；额定视在功率SGN＝353MVA；TA变比nTA＝3 000；TV变比nTV＝200；二次额定电压Ugn＝100V。

当发电机低励或失磁时，发电机机端测量阻抗轨迹进入异步边界阻抗圆，作为发电机进入异步运行状态的判据：

式中：XA为异步边界圆和jX轴的第1交点的纵坐标整定值，Ω；XB为异步边界圆和jX轴的第2交点的纵坐标整定值，Ω；Zg.n为发电机额定基准二次阻抗有名值，Ω。

取XC＝－17.94Ω，Xr＝15.76Ω

失磁保护采用异步边界阻抗圆如图1所示。

图1 异步边界阻抗圆

1.3 失磁保护机端三相电压判据

取机端三相电压，本判据主要用于防止由发电机失磁故障引发的厂用电系统不能正常工作，其三相同时低电压动作判据为：UOP.3ph＝0.95Ugn，根据省调涉网保护要求，机端电压整定为95V。

2 发电机失磁保护及励磁系统欠励限制配合关系

2.1 发电机失磁机端测量阻抗变化

发电机从低励或失磁开始到进入稳定异步运行，一般可分为低励或失磁后到失步前、静态稳定极限点、失步后的异步运行3个阶段来分析。发电机由低励或失磁开始到失步之前的阶段，发电机发出的功率基本保持不变，是一个等有功功率过程，而无功功率在这段时间内由正值变为负值。随着励磁电流不断下降，发电机的感应电势逐渐降低，其功角特性曲线降低，使得功角增大，当功角被拉大到90°时，发电机处于静态稳定极限点，由此产生了发电机由稳定向失步变化的转折点。通过计算分析，可以得到静态稳定边界阻抗圆。随后发电机失步，进入异步运行阶段，这时由机端观测的发电机等值阻抗为发电机的异步阻抗。异步阻抗与转差率有关，并在一定范围内变化，该范围可包含在一个阻抗圆内，称其为异步边界阻抗圆。

2.2 静态稳定极限阻抗圆、异步边界阻抗圆与等有功阻抗圆的相对位置

从失磁开始到静态稳定破坏前，机端阻抗的变化轨迹是一个阻抗圆，称其为“等有功阻抗圆”（如图2所示），该圆圆心为，半径为US2/2P＝0.16。

异步边界阻抗圆的整定为：XA＝－0.5X′d＝－0.128 4，Xb＝－Xd＝－1.854 8。

静态稳定极限阻抗圆（如图2所示）的整定为：XC＝XS＝0.072 8，Xb＝－Xd＝－1.854 8。

图2 静态稳定极限、异步边界阻抗圆与等有功阻抗圆的相对位置

从图2中可以看出，等有功阻抗圆与异步边界阻抗圆在阻抗平面上有相交点。

2.3 失磁保护阻抗继电器与欠励限制线的特性配合分析

由于欠励限制动作整定值是按照静态稳定极限阻抗圆为条件设定，但其却反应在P－Q平面上计算，而失磁保护是在R－X阻抗圆平面上。所以，为了使两者参数配合，需要将两者都归算到同一个平面上。

2.3.1 以SB＝353MVA为基准归算20kV侧电抗值

Xd＝1.854 8×353/100×202/353＝7.42Ω。

Xs＝0.072 8×353/100×202/353＝0.29Ω。

2.3.2 失磁保护静态稳定极限阻抗圆在P－Q平面上的动作特性

失磁保护机端三相低电压UOP＝0.95×20＝19 kV，则有圆心（0，597.5），半径646.2。

作静态稳定极限P－Q圆如静态稳定极限阻抗圆，圆外为动作区；该圆与汽轮发电机的静态稳定极限边界完全一致。

2.3.3 失磁保护采用异步边界阻抗圆时与欠励限制线的配合

0.5X′d＝0.5×0.256 8×202/100＝0.51Ω，Xd＝1.854 8×202/100＝7.42Ω。

异步边界阻抗圆（如图3所示）为：

图3 异步边界阻抗圆

圆心［0，－（7.42＋0.51）/2］＝（0，－3.97），半径（7.42－0.51）/2＝3.46。

异步边界阻抗圆的方程式为：R2＋（X＋3.97）2＝3.462，即R2＋X2＋7.94X＋3.79＝0。

仍设失磁保护机端三相低电压：UOP＝0.95×20＝19kV

则上式P2＋（Q＋379.1）2＝330.92

因此异步边界P－Q圆为图4中的圆③：圆心（0，－379.1），半径330.9。

如图4所示，在P－Q平面上，欠励限制线（图4中曲线②）与静态稳定极限阻抗圆和异步边界阻抗圆均实现了合理配合，相对而言异步边界圆的裕度更大。

图4 静态稳定圆、异步圆与欠励限制线的配合

3 结论

通过介绍马头发电公司励磁系统欠励限制和发电机失磁保护的定值整定方法，分析了励磁系统欠励限制和发电机失磁保护之间的配合关系。从理论上论证了马头热电公司9号机组励磁系统欠励限制和发电机失磁保护之间有很好的配合关系。

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

［2］ 张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［3］ 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术［M］.北京：中国电力出版社，2005.