1 000MW发电机保护定值与励磁调节器参数的匹配

高培鑫，林晶儒，翟大海，齐锋光，李传波

(1.西安交通大学电气工程学院，西安市710049;2.华能玉环电厂，浙江省玉环市317604)

0 引言

1 000MW发电机组的不断投运，对机组和电网的稳定、可靠运行提出越来越高的要求，而目前大多数电厂在进行发电机和变压器组(发变组)保护整定计算时，容易忽略与励磁调节器参数的配合，导致励磁系统一旦出现运行异常，发变组保护立即动作，造成发电机组非正常停运事故。本文基于某1 000MW发电机组，分析发电机保护定值整定与励磁调节器限制参数之间的匹配关系。

1 发电机失励磁保护与励磁调节器欠励磁限制的匹配

发电机的失励磁保护和自动励磁调节器的欠励磁限制都能控制进相运行深度，使机组进相运行深度控制在发电机静态稳定极限之内，若两者能够很好地匹配，就能使机组吸收最大无功，并保证在发电机失去稳定时保护和限制能够正确动作［1］。

1.1 欠励磁限制参数设定原则

欠励磁限制功能用于防止励磁过低导致发电机失去静态稳定，欠励磁限制与发电机失励磁保护匹配，即要求在任何操作和扰动的情况下，都保证欠励磁限制先于发电机失励磁保护动作。

1.2 失励磁保护与欠励磁限制匹配整定

失励磁保护计算是在发电机机端的R-X测量阻抗圆平面上进行，而励磁调节器的欠励磁限制P-Q整定曲线是根据静态稳定极限圆并结合系统的无功储备整定，二者分别属于不同的坐标系，因此无法直观校核其匹配关系，必须将失励磁保护阻抗圆平面转换为 P-Q 曲线平面［2］。

1.3 坐标平面转换

对于汽轮发电机，静态稳定极限圆在P-Q平面上的表达式为

式中:P、Q分别为发电机的有功功率和无功功率;U为发电机机端电压;Xe为发电机与系统联系的电抗;Xd为发电机同步电抗。

由式(1)可知:静态稳定极限圆的圆心为［0，U2(1/Xe－1/Xd)/2］，半径为U2(1/Xe－1/Xd)/2。圆内是发电机的稳定运行区域，当发电机运行在圆外时，不能稳定运行，欠励磁限制单元应限制励磁电流继续减少。

设失励磁保护阻抗圆的圆心坐标为(0，X0)，半径为R0，圆内为动作区，其方程为

将失励磁保护动作方程映射至P-Q平面，静态稳定极限圆为

静态稳定极限圆与Q轴相交于(0，U2/Xe)和(0，－ U2/Xd)两点，动作区在圆外［4］。

1.4 某电厂失励磁保护与欠励磁限制匹配

某1 000MW机组参数为:发电机额定容量为1 112 MVA;主变额定容量为3×370 MVA;发电机同步电抗Xd=216.4%;发电机暂态电抗X'd=23.8%;变压器电抗 Xt=18.6%;系统电抗 Xs=0.081 9(1 000 MVA、最小方式)，系统电抗 Xs=0.066 5(1 000 MVA、最大方式);机端电压 Un=27kV;TA变比为28 000/1;TV变比为27/0.1。

根据式(1)可知，静态稳定圆在P-Q平面的圆心s00和半径r00分别为1.46、1.8。考虑可靠系数，计算得到有裕度静态稳定圆在P-Q平面的圆心s0和半径r0为1.12、1.385。根据运行经验，分别选取 s0、r0为1.08、1.4。

将失励磁保护异步圆按式(2)映射到P-Q平面，得到其圆心s和半径r分别为－3.96、3.6。

将各曲线按相同比例画在同一平面上，如图1所示。由图1可知，在机端电压最低允许值为0.95Ue的情况下，失磁保护阻抗圆完全处在欠励磁限制线的下方，欠励磁限制曲线与静态稳定圆和失励磁保护阻抗圆相互之间有一定的裕度。某电厂1 000MW发电机失励磁保护和欠励磁限制的原理和动作行为相互匹配，发电机从失励磁到最后失稳或失步，机端测量阻抗先进入欠励磁限制区，然后进入静态失稳区，最后过渡到失励磁异步圆［5］。

图1 发电机失励磁保护与欠励磁限制整定计算曲线Fig.1 Setting calculation curve between low excitation limiter and field loss protection in generator

2 发电机变压器过激磁保护与励磁调节器电压/频率限制之间的匹配

过激磁保护的作用为防止发电机和主变压器因过激磁引起绕组、铁芯和靠近的绕组、油箱壁、结构件过热造成局部变形和损伤绝缘。发电机、变压器的过激磁一般在未与系统并列时发生，如:发电机在与系统并列前由于操作失误，误加励磁电流;发电机在启动过程中，转子低速时误起励磁;自动励磁调节装置失灵，电压迅速升高，频率虽也升高，但相对缓慢引起过激磁［6］。

励磁调节器的电压/频率限制应先于发电机和主变压器的过激磁保护动作，一般动作后减少电压给定值来限制电压/频率限制比值。在整定励磁调节器电压/频率限制单元定值时，要充分考虑与发电机、变压器的过激磁保护定值的匹配，电压/频率限制定时限定值不得高于发电机、变压器过激磁保护定值。若是反时限特性，曲线之间要匹配，要保证励磁调节器电压/频率限制先动作［7］。某电厂1 000MW 机组发电机和变压器配置了过激磁保护，发电机过激磁保护电压/频率报警值为1.06，时间为0.5 s;变压器过激磁跳闸保护反时限特性启动值为1.09，时间常数为0.63，发电机的过励磁能力低于主变，所以励磁调节器电压/频率限制主要与发电机的过激磁保护匹配。励磁调节器中过激磁限制定值为1.06，时间为0 s，能够与发电机过激磁保护定值匹配(见图2)，当发生发电机过激磁时首先由励磁调节器判断加以限制，当限制失败时，由发电机过激磁保护跳闸［8］。

图2 发电机过励磁保护与V/F限制整定计算曲线Fig.2 Setting calculation curves between V/F limiter and over excitation protection in generator

3 发电机定子绕组过流保护与励磁调节器定子电流限制之间的匹配

励磁调节器定子电流限制的作用是监测发电机定子电流给定值，把发电机定子电流限制在预定范围，当发电机定子电流超过限制区，如果此时发电机在进相运行，则限制器动作，增加励磁电流;如果此时发电机在迟相运行，则限制器动作，减少励磁电流。其定子电流限制定值一般不超过额定电流的1.05倍，即调节器定子电流限制值为0.9 pu，时间为0 s，低于发电机定子过流保护整定值，满足匹配要求(见图3)。

图3 发电机过电流保护与定子电流限制整定计算曲线Fig.3 Setting calculation curves between stator current limit and over current protection in generator

4 结论

某电厂4台机组自正式投产发电以来运行良好，从未发生过因发变组保护定值与励磁调节器参数匹配不当，造成机组停运。励磁调节器限制单元的定值整定要结合发变组一次系统运行方式和继电保护相关保护定值统筹考虑，做到定值之间的匹配优化，从而保证机组的安全稳定运行。

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