导纳型失磁保护与励磁装置低励限制的整定配合

张波

(上海申能临港燃机发电有限公司，上海 201306)

0 引言

根据上海市电力公司的要求，发电厂并网机组应具备进相运行的能力。在进相运行时，一旦励磁过低，励磁装置低励限制应先于发电机失磁保护动作进行干预。只有当发电机失磁保护和励磁低励限制整定配合正确，才能防止失磁保护误动。上海申能临港燃机发电有限公司(以下简称临港燃机)的发电机选用西门子7UM62系列保护装置，其失磁保护是基于导纳平面设定的，而ABB U6800励磁装置的低励限制功能是基于有功功率-无功功率(P-Q)平面整定的。要校核失磁保护和低励限制的整定，需要将上述保护转换到同一平面。

1 保护原理

1.1 导纳型失磁保护

7UM62系列保护装置失磁保护的定子侧判据是根据电流和电压的正序分量计算出的导纳，用以判断是否失磁(保护动作出口还需要有其他的判据)。实际上这种导纳的计算原理是从发电机的P-Q运行曲线极限图转化而来的。汽轮发电机P和Q的简化计算公式分别为

(1)

(2)

式中：E为发电机励磁电动势；U为发电机机端电压；Xd为直轴同步电抗；δ为发电机功角，是E和U的向量夹角。当δ<90°时，发电机能够正常运行；当δ=90°时，发电机运行在静态稳定极限；而当δ>90°时，发电机失步。将δ=90°代入式(1)和式(2)可以得到P=0，故静态稳定极限下

(3)

由式(3)可得到理论稳定极限，即发电机低励后的运行边界由机端电压和同步电抗共同决定，如图1所示，其中φ为发电机功率因数角。实际上，在发电机并网后，考虑到发电机和系统之间的联系电抗以及保留一定静态稳定裕度的需要，发电机的实际设计稳定极限要小于理论值。

图1 发电机理论稳定运行极限P-Q图Fig.1 Theoretical stable operation limit P-Q diagram of generator

为了将发电机理论稳定运行极限P-Q平面转化为导纳平面，需要进一步推导出视在功率

(4)

式中：U为系统电压(在进行发电机功率计算时，可看做发电机机端电压)；I为电流；Z为阻抗；R为电阻；X为电抗。将式(4)进一步推导得

(5)

结合复功率概念(S=P+jQ)，可得

(6)

(7)

式中：G为电导；B为电纳。由式(6)和式(7)可知，将图1的P-Q平面横、纵坐标同时除以U2，得出关于导纳平面上的发电机理论稳定运行极限图，如图2所示。

图2 导纳平面的发电机理论稳定运行极限图Fig.2 Theoretical stable operation limit diagram of admittance plane

从图2可以看出，静态稳定极限与B轴在接近1/Xd(即直轴同步电抗的倒数)处相交。将转化而来的导纳平面用作失磁保护的判据时，只需考虑Xd，不再需要考虑电压的大小，使得失磁保护的整定更加简单。

1.2 励磁设备低励限制

ABB U6800励磁设备的低励限制功能由装置内的P-Q限制器完成，此限制器可以对发电机低励进行干预，避免发电机进入非稳定区域或发生失步。P-Q限制器可以在P为0%，20%，40%，60%，80%或 100%时设定6个与发电机额定电压相关的Q，从而得到P-Q平面上的6个坐标点，以此定义发电机的稳定边界曲线。但当发电机低励时，机端电压会降低，这时P-Q限制器根据公式

(9)

自动调整发电机稳定限制边界曲线，以实现精确保护，式中：Q(P)为发电机稳定边界曲线上的无功值；Ua为发电机实际电枢电压。

2 导纳型失磁保护和低励限制的整定

2.1 导纳型失磁保护的整定

2.1.1 导纳型失磁保护的动作特性

保护装置7UM62的失磁保护元件动作特性由三段保护特性构成，如图3所示。

图3 导纳平面上的失磁保护特性Fig.3 characteristics of field loss protection on the admittance plane

特性1与特性2曲线模拟同步电机的静态稳定极限，如果保护装置计算出的导纳结果超出了特性1和特性2曲线，保护装置将发信并以一较长延时发跳闸命令，而如果在特性1或特性2动作的同时检测到发电机励磁电压低，则将以一短延时发跳闸命令。而特性3模拟发电机的动态稳定曲线，当导纳的测量值越过该曲线时发电机将失去稳定，要求保护装置立即发跳闸命令，因此超过特性3时保护装置也以一短延时发跳闸命令。

2.1.2 导纳型失磁保护的整定计算

取1.05的安全裕度，特性1用发电机直轴同步电抗整定(标幺值)为

式中：Ign为发电机额定电流，13 032 A；Ugn为发电机额定电压，21.00 kV；UPT.prim为发电机机端电压互感器(PT)额定一次电压，21.00 kV；ICT.prim为发电机机端电流互感器(CT)额定一次电流，16 000 A；Xd=2.188 Ω。

特性1的角度α1的选择以同步发电机稳定特性的倾角为定值，按照发电机厂家给出的发电机容量曲线(如图4所示，图中PF 为功率因数)，稳定极限曲线3与横轴的夹角为100°，即特性1的整定值为：横轴-0.39 p.u.，倾角100°，延时30 s。

特性2与特性1共同模拟发电机静态稳定边界，因此定值选取图4上曲线3与横轴夹角90°的线段，该线段的延伸段与横轴的交点为-240.00 MV·A，因此特性2的横轴标幺值为

即特性2的整定值为：横轴-0.44 p.u.，倾角90°，延时30 s。

特性3用于匹配同步电机的动态稳定极限特性，根据保护装置说明书可在直轴同步电抗的倒数与直轴暂态电抗的倒数之间选取一个合适的值作为失磁保护特性3的定值，且这个值必须大于1，角度在80°～110°之间。所以，特性3的整定值为：横轴-1.10 p.u.，倾角100°，延时0.3 s。

图4 发电机容量曲线Fig.4 Generator capacity curve

低电压闭锁功能的启动定值可取装置默认值(25.0 V)。

励磁电压低元件的整定按照保护装置说明书，整定到空载时励磁电压的50%左右。根据发电机厂家给出的技术数据，发电机空载时励磁电压为144.0 V，励磁设备电压分压器变比为10∶1，则励磁电压监视功能的启动定值可设为7.2 V，延时按照装置说明书给出的典型设置整定为0.5 s。

2.2 励磁设备低励限制的整定

2.2.1 发电机进相试验

为得到临港燃机发电机的进相能力、为励磁设备低励限制参数设置提供依据，分别对4台相同容量的发电机进行进相试验。以#3发电机为例，试验考虑了实际运行情况(发电机功角不超过70°)和一定的稳定裕度(6%的静稳定裕度)，对4个发电机带厂用电运行的工况进行进相试验，试验结果见表1。

表1 #3发电机进相运行工况Tab.1 Leading phase operation conditions of No.3 generator

进相深度受到机组各级电压的限制，特别是发电机机端电压，厂用电电压可由有载调压进行调节。表1的4个工况中，发电机机端电压(额定电压21.00 kV)均接近于运行下限(90%的额定机端电压，即18.90 kV)。由此可得到#3发电机在P为5，250，341，422 MW时的进相运行能力。

2.2.2 励磁设备低励限制整定

对发电机进相试验得到的数据和进相能力进行综合分析，同时考虑机组安全运行的实际情况，对励磁设备初始低励限制整定值进行优化，得到最终正确的整定值，见表2。初始整定、进相能力和优化后的低励限制曲线如图5所示。

表2 励磁装置低励限制整定值Tab.2 Low excitation limit setting of excitation device

注：整定值以发电机额定容量Sn=474 MV·A为基准。

图5 励磁装置低励限制曲线Fig.5 Low excitation limit curve of excitation device

3 失磁保护与低励限制的配合校核

励磁装置低励限制曲线是基于P-Q平面整定的，和导纳平面的失磁保护进行配合，需要将低励限制曲线转化到导纳平面。根据图5低励限制曲线的趋势，只要选取线段AB和BC进行转换并比较即可。

通过表2可知，线段AB与横轴的交点为-132.72 MV·A，倾角为90°；通过计算，线段BC的延伸段与横轴的交点为-161.16 MV·A，倾角为81°。参考发电机失磁保护将无功功率转换成导纳平面标幺值的方法，线段AB,BC转换到导纳平面后的标幺值

即线段AB的特性为：横轴-0.25 p.u.，倾角90°。线段BC的特性为：横轴-0.30 p.u.，倾角81°。

将低励限制线段AB的特性、线段BC的特性和失磁保护特性1、特性2、特性2归到同一坐标，如图6所示。

图6 失磁保护特性曲线与低励限制曲线的比较Fig.6 Comparison diagram of field loss protection characteristic curve and low excitation limit curve

从图6上可以明显看出，低励限制曲线与失磁保护特性曲线在当前象限没有交点，且失磁保护特性曲线在低励限制曲线的外围，说明发电机在各种可能的低励情况下，励磁装置的低励限制都是先行干预的，如果发电机失磁严重，瞬间被拖进非稳定区时，失磁保护就会根据情况判断并延时动作。因此得出结论，失磁保护和低励限制的配合是正确的。

4 结束语

本文结合临港燃机失磁保护和励磁装置低励限制的特性，详细介绍了导纳型失磁保护的整定方法，通过进相试验优化了低励限制的整定参数。最后用平面转换的方法校核了失磁保护和低励限制配合的正确性，为其他电厂相同配置的失磁保护整定提供了参考依据。