发电机转子过负荷保护定值整定探讨

摘  要：提出了一种准确配置转子过负荷保护的方法，该方法考虑励磁逆变过程中直流和交流之间的转化关系，得出转子过负荷保护定值整定方法，进而实现发电机转子过负荷保护的精确整定。仿真结果表明，该方法可以更加准确地反映发电机过负荷特性，给发电机转子过负荷保护的实际整定提供依据。

关键词：转子过负荷保护;交直流转化;发电机过负荷特性

0    引言

随着新能源接入电网的容量不断增大，其大规模远距离输送成为电网需要面对的问题。实践中，为解决此问题，我国建造了大规模的直流输电系统，然而，直流输电系统中需要配置大量同步发电机电源，且对配套电源的过负荷特性提出了较高要求，准确合理配置转子过负荷保护成为维护电网稳定的保证。

目前，国内专家对转子过负荷保护已进行深入研究，并得到了大量的研究成果，文献[1]研究了水轮发电机的转子过负荷保护配置，为同类型的保护整定提供了计算依据。文献[2]研究了600 MW机组的转子过负荷保护整定。文献[3]研究了发电机保护与限制配合的问题。上述文献针对转子过负荷保护进行了深刻研究，为同步发电机保护的实际实现提供了许多运行经验，但这些文献均未考虑从发电机直流侧和交流侧转化关系去分析同步发电机的转子过负荷保护配合问题。

在前人研究的基础上，为解决转子过负荷保护的准确配置问题，使同步发电机运行在安全范围，本文推导了励磁交流电流和直流电流的模型，通过仿真分析给出了强励时交流电流和直流电流关系，然后进行仿真建模，对理论推导进行验证，仿真结果表明该方法可以保证发电机过载时的安全。

1    转子过负荷保护

发电机转子过负荷保护的主要作用是在发电机过负荷时告警或切除发电机，但在系统电压过低时，需要发电机在绕组热容量允许的情况下发挥一定的过载能力，所以需要配置适当的参数来协调过载和设备安全。转子过负荷保护主要配置依据是发电机的转子过负荷容量，文献[4]规定的隐极发电机的转子过载能力为t=33.75/（If2-1），If为发电机励磁电流，t为发电机允许过载时间。

转子过负荷保护作用是保护发电机的转子绕组安全，发电机转子电流为直流电流，而转子过负荷保护属于发变组保护范围，一般采用励磁变高压侧或低压侧电流。

交流侧电流和直流侧电流存在一定比例关系，目前一般采用触发角等于0时的关系进行计算，转化关系为Iac=0.816Id，该转化关系为触发角等于0时的交直流电流关系，而在正常运行时交直流电流关系大约为Iac=0.78Id，可以认为发电机在强励期间交直流电流关系在上述两种关系之间，即Iac=0.78～0.816Id。

常用的发电机转子过负荷保护表达式为：

式中：Ijz为基准电流;C为发电机转子过负荷保护热容量系数，一般按照2倍基准励磁电流时允许过载时间10 s整定。

经过计算可知，在当前的保护配置方案下，发电机转子过负荷保护可能超过发电机转子过载能力，并且规律为发电机强励程度越高，超出热容量系数的概率越小;而强励程度较轻时，超出热容量系数的概率较大。

2    交直流电流关系

根据逆变器的规律，得出交直流电流表达式为：

其中：

式中：α为触发角;γ为换相角。

触发角α的表达式如下：

式中：U2为励磁变低压侧交流电压有效值;Ufd为励磁电压;Kc为换弧压降系数;Id为励磁直流电流。

换相角γ的表达式如下：

由式（4）和式（5）可以计算出励磁换相角γ和触发角α，得出换相角γ和触发角α后，可以得出交直流电流之间关系。

发电机发生强励后，励磁电压和励磁电流都会快速放大，触发角电压和电流也在实时变化，说明发电机在强励时，两者之间比例并不是恒定常数。故假设交直流电流是常数的话，会在不同故障时出现一定的误差。当误差过大时，会导致发电机过热时间超长，发电机设备出现损坏;当误差较小时，发电机则过励时间不够，影响电力系统稳定。

发电机转子过负荷保护首先要考虑转子过负荷的能力，保护配置不仅要考虑发电机主体设备安全，而且需要考虑充分发挥发电机的过载能力，在系统故障时，电压会出现下降，励磁需要适当过载，用于支撑系统电压。但在超出发电机过载能力后，需要限制励磁电流在合理水平。如果励磁电流限制失败，需要发电机过负荷保护迅速动作，这样才能实现电网电压支撑和设备安全之间的合理权衡。

所以，发电机转子过负荷保护不仅要考虑转子本体安全，还需要进一步与励磁设备的过励限制环节相配合，但励磁规范中对过励限制的性能提出了明确要求，即在发电机2倍额定电流水平下，过载时间不少于10 s。根据该持续时间可以计算出过励限制对应的热容量系数为30，而发电机转子过负荷最大热容量对应最大过载时间为11.25 s。两者之间的最大极差为1.25 s，这样的极差对于实际极差是偏小的，但两者都表现出不可协调性。一方面是电网设备安全，超出11.25 s后会造成发电设备过载，增加发电机损坏的可能性;而过励限制的10 s是用于保证故障时发电设备的电压支撑能力，少于10 s电网电压可能会过早崩溃。

综上所述，基于目前各种条件的限制，发电机的电网支撑能力和安全之间存在不可调和的矛盾，即励磁限制和发电机转子过负荷保护之间极差过小，该问题的解决思路主要有两个方向：一是适当降低对励磁限制过励时间的要求，可以适当缩短过励限制的过载时间，保证过励限制和转子过负荷保护之间的极差保持在1.5～2 s。缩短过励限制的时间，对电网安全会产生不利影响，需要进行大量和充分的计算验证，如果经验证计算后，缩短过励限制后仍然可以满足电网安全要求，可以采用缩短过励限制的方案。二是通过改造现有发电机设备，提供发电机转子过载能力，将现有的发电机转子过负荷能力提高到11.5～12 s，即熱容量系数提高到34.5～36，就可以满足安全极差的要求，但需要进一步评估改造发电机设备的成本以及改造对发电机参数的影响，是否需要重新进行发电机参数计算，是否需要进行全套的涉网试验，如果改造成本在发电厂承受范围内，说明该方案也是一种可行办法。但最后采取哪种方案，需要多种主体综合权衡后才能决定。

3    结论

本文重新研究了发电机转子过负荷保护，考虑了励磁交直流侧关系，与以往相比，本文的创新主要有以下方面：

（1）依据现有整定方案，发电机转子过负荷特性可能超出转子过负荷允许范围。

（2）发电机转子过负荷保护尽量选取直流量作为保护判别量，这样可以保证发电机转子安全和动作的准确性。

[参考文献]

[1] 马静，黄小冬，何泽胜.水轮发电机过负荷保护整定计算分析[J].水电厂自动化，2016，37（2）：15-17.

[2] 俞美忠，竺士章.600 MW发电机组转子过负荷能力与相关保护的配合分析[J].浙江电力，2008（1）：42-44.

[3] 丁烨楠，孙育哲.保护与励磁对发电电动机运行的限制[J].水电站机电技术，2019，42（11）：10-11.

[4] 隐极同步发电机技术要求：GB/T 7064—2008[S].

收稿日期：2020-04-01

作者简介：王鹏（1987—），男，黑龙江哈尔滨人，工程师，研究方向：电力系统继电保护。