励磁系统的低励限制和发变组失磁保护两者之间存在着配合关系,即在发电机进相运行时,低励限制应先于失磁保护动作。根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》《发电机组并网安全条件及评价》^{[1, 2]}要求,投入生产运行的发电机组应检查及校核失磁保护的整定范围和低励限制特性,防止由于发电机组运行参数整定不合理,在进相运行时保护误动作。为此,对万家寨水电站3号机组低励限制和失磁保护的配合关系进行校核计算,以提高机组安全稳定运行水平。 1 水电站设备概况

黄河万家寨水电站位于黄河北干流托克托至龙口河段峡谷内,装有6台单机容量180MW的水轮发电机组,总装机容量为1080MW。其中,1、2、3号机组运行于内蒙古电网,4、5、6号机组运行于山西电网。

发电机由哈尔滨电机厂有限责任公司制造,型号为SF180-60/12800。励磁系统由广州擎天电气控制实业有限公司制造,型号为EXC9000,该系统具备发电机低励限制功能。发变组保护装置由国电南京自动化股份有限公司制造,型号为DGT801C,发电机失磁保护阻抗判据为异步边界阻抗圆。 2 失磁保护与低励限制整定原则

失磁是指在特定功率下发电机的励磁小于为保证同步电机稳定运行所需的最低励磁值。当低励限制保护无法阻止励磁降低时,发电机的运行将会超过稳定极限,并在滑差条件下运行,进而从系统中吸收无功功率,甚至失步。为防止发电机损坏,保护电网稳定运行,失磁保护会动作于发电机出口断路器,使发电机脱离电网。

励磁系统低励限制是指当发电机进相运行,在低励限制整定定值范围内,阻止励磁降低,限制无功功率的减少,使机组运行在低励限制曲线之上的区域,保证机组的安全稳定运行。

当发电机并网进相运行时,若出现励磁不断降低情况,首先应通过励磁系统自身低励限制功能,限制励磁的继续降低,保证发电机安全稳定的运行。如果限制不成功,则由失磁保护予以配合动作,根据保护判据动作,将发电机从系统中解列。

万家寨水电站3号发电机励磁系统的低励限制方程理论上为直线方程;失磁保护的主要判据是异步边界阻抗圆。失磁保护异步边界阻抗圆、低励限制线以及二者之间的整定原则示意图如图 1所示。

图 1(Figure 1)

图 1 失磁保护与低励限制整定原则示意图

在静态稳定极限功率圆(以下简称静稳圆)内发电机运行稳定,在圆外则运行不稳定。在发电机从失磁到最后的失步运行过程中,机端测量阻抗和功率首先进入低励限制区,逐步过渡到失磁保护异步阻抗圆。在P-Q平面上,失磁保护阻抗圆应处于低励限制线的下方,且相互之间应留有一定的裕度。 3 失磁保护和低励限制配合关系校核计算方法及步骤

3.1 校核计算方法

在校核3号发电机失磁保护与低励限制配合关系时,由于失磁保护整定计算是在R-X阻抗圆上进行的,而低励限制整定定值则是在P-Q平面上给出的。为了便于分析比较,必须将两者归算到同一个平面(P-Q平面)上^{[3, 4, 5]}。 3.2 计算步骤

(1) 计算以发电机阻抗为基准的发电机和系统阻抗标幺值,在P-Q平面上计算以发电机视在功率为基准的发电机静稳圆坐标和半径标幺值。

(2) 考虑10%~20%的静稳定储备系数、5%~10%的参数误差及一定的可靠系数,即静稳圆坐标和半径的标幺值除以1.2~1.5后得到有裕度的静稳圆。

(3) 依据《万家寨水电站3号发电机组进相运行试验报告》中建议的低励限制整定值,将低励限制曲线绘制到P-Q平面。

(4) 根据失磁保护定值,将异步阻抗圆映射到P-Q平面,根据配合原则校核失磁保护与低励限制的配合关系。 4 校核计算过程

4.1 参数换算

3号发变组技术参数见表 1所示。

表 1(Table 1)

表 1 3号发变机组及系统参数

表 1 3号发变机组及系统参数

根据表 1中参数,将发电机、变压器及电网系统的各阻抗标幺值换算为以200MVA为基础的标幺值:

(1) 在P-Q平面上计算以万家寨水电站3号发电机视在功率为基准的发电机静稳圆坐标和半径标幺值。对于发电机,其静态稳定功率极限的表达式为^[6]:

式中P、Q-发电机的有功、无功功率;

U-发电机机端电压;

X_e-发电机与系统的联系电抗,X_e=X_t+X_s=0.1961;

X_d-发电机d轴同步电抗。

该静稳圆的圆心在Q轴上,圆心坐标为,半径为。

在机端电压为95%额定电压时,根据公式(1),静稳圆的圆心(0,Q)和半径R计算结果为:

万家寨水电站3号发电机静稳圆圆心坐标为(0,1.87),静稳圆半径为2.73。

(2) 计算有裕度的静稳圆:考虑10%~20%的静稳定储备系数、5%~10%的参数误差及一定的可靠系数,即将静稳圆坐标值和半径值(均为标幺值)除以1.2~1.5后得到有裕度的静稳圆。

根据《Q/GDW 746-2012同步发电机进相试验导则》规定:机端电压不小于90%额定电压。同时考虑20%的静稳储备系数,静稳圆与P轴正半轴和Q轴负半轴相交的点可表示为^[7]:

即静稳圆与P正半轴相交的坐标为(1.48,0),与Q负半轴相交的坐标为(0,-0.638)。计算出有裕度的静稳圆与Q轴负半轴、P轴正半轴相交的2个坐标点,同时可用来确定低励限制的2个点,其他点也应在静稳圆内。 4.3 绘制低励限制线

根据《万家寨水电站3号发电机组进相运行试验报告》中对低励限制的整定建议值^[8]:-70Mvar/0MW,-60Mvar/90MW,-40Mvar/180MW,即P=0,Q=-0.35;P=0.45,Q=-0.3;P=0.9,Q=-0.2,绘制低励限制线如图 2所示。

图 2(Figure 2)

图 2 3号发电机低励限制线

(1) 失磁保护整定计算是在R-X阻抗圆上进行的,设失磁保护异步阻抗圆圆心坐标为(0,Z_c),半径为Z_r,圆内为动作区(见图 3),其动作方程为:

图 3(Figure 3)

图 3 失磁保护异步阻抗圆

映射至P-Q平面,将R=(U_cosφ)/I,X=(U_sinφ)/I(其中,U、I为线电压、相电流的标幺值,φ为功率因数)代入式(2)并化简得:

(2) 计算发电机的电抗为:

式中X_fb-发电机电抗;

U_n-发电机额定电压,15.75kV;

n_TA-机端电流互感器变比,10000/5;

S_gn-发电机额定容量,20MVA;

n_TV-机端电压互感器变比,15.75/0.1。

计算得:X_fb=15.75Ω。

(3) 以发电机阻抗为基准阻抗,计算3号机失磁保护阻抗圆整定定值的标幺值为:

式中Z_c-阻抗圆圆心整定值,-10.2;

Z_r-阻抗圆半径整定值,7.9。

即失磁保护异步阻抗圆的圆心为(0,-0.6475),半径为0.5015。

(4) 在机端电压为95%额定电压时,失磁保护异步阻抗圆按式(3)映射到P-Q平面,其圆心S_c及半径S_r计算结果为:

(5) 根据以上计算结果及《万家寨水电站3号发电机组进相运行试验报告》中低励限制参数整定建议值,将各数据按相同比例绘制在P-Q平面上,得到3号机失磁保护与低励限制整定关系示意图,如图 4所示。

图 4(Figure 4

图 4 3号机失磁保护与低励限制整定关系示意图

根据图 4所示曲线,在机端电压最低允许值为95%额定电压时:

(1) 失磁保护异步阻抗圆完全处在低励限制线的下方,并有一定的裕度。校核计算结果说明了发电机失磁保护和低励限制保护的配合关系满足当发电机进相运行时,低励限制保护先于失磁保护动作的要求,表明了发电机运行参数整定合理^[9]。

(2) 低励限制线与静稳圆、失磁保护阻抗圆之间有一定的裕度;

(3) 万家寨水电站在进行3号发电机进相试验时,发电机失磁保护状态为投入状态,通过试验再次验证发电机低励限制保护先于失磁保护动作,发电机运行参数整定合理。