励磁调节器低励限制曲线与汽轮发电机失磁保护整定配合研究

张明江，刘国玉,祖光鑫，武国良，穆兴华，崔佳鹏

(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030; 2.国网北京电力调度控制中心,北京 100035)

0 引 言

励磁系统的低励限制特性应由系统静稳极限和发电机端部发热限制条件确定，并计及发电机端电压的变化[1-2]。低励限制又称为欠励限制或P/Q限制[3-4]，是在低励限制器中整定的发电机允许的最小无功功率与有功功率关系的曲线。

在发电机的保护中设置有失磁保护，反映励磁系统中励磁电流的消失或减小[5-6]。在发电机进相试验时，人为减磁的过程中，可能造成低励限制和失磁保护动作。励磁调节器低励限制与发电机失磁保护的配合关系是否正确尤为重要，同时也是网源协调的一项重要内容[7-8]。根据相关标准[9]，发电机低励限制和失磁保护的动作关系应该是低励限制保护首先动作，然后失磁保护动作，而两者之间在定值上的相互配合是满足上述动作顺序的前提。

现有的低励限制整定方法[10-11]是从保证机组安全稳定运行的角度出发，但这远远没有发挥出机组的进相运行能力。提出一种基于静稳阻抗圆双外切正六边形的汽轮发电机低励限制曲线整定方法，既能保证机组和系统的安全稳定运行，又能更大限度地发挥机组进相运行能力。

1 失磁保护

发电机失磁保护反映励磁系统中励磁电流的消失或减小，主要判据为低电压判据[12]、转子侧判据和定子侧阻抗判据。而定子侧阻抗判据分为：异步边界阻抗圆和静稳极限阻抗圆。文中论述与低励限制配合的失磁保护主要涉及静稳极限阻抗圆判据。

汽轮发电机静稳极限阻抗圆如图1所示，其整定值为

图1 静稳极限阻抗圆动作特性Fig.1 Action characteristic of static stable limit impedance circle

(1)

式中：UN为发电机额定电压，kV；SN为发电机额定视在功率，MVA；Xd为发电机同步电抗(不饱和值)，标么值；Xcon为发电机与系统间的联系电抗(包括升压变压器阻，系统处于最小运行方式)，标么值(以发电机额定容量为基准)；nV为发电机机端电压互感器变比；nA为发电机机端电流互感器变比。

静稳极限阻抗圆的圆心和半径为

(2)

2 低励限制

低励限制的整定一般是在进行进相试验前，由调控中心根据实际情况给定一组有功功率和无功功率值。否则，可以根据相关规定[9]，低励限制的整定原则是按发电机不同有功功率静稳极限及发电机端部发热条件确定的。由系统静稳条件确定进相曲线时，应根据系统最小运行方式下的系统等值阻抗，确定该励磁系统的低励限制动作曲线。如果对进相没有特别要求，一般可按有功功率P=PN时允许无功功率Q=-0.05QN和P=0时Q=-0.3QN两点来确定低励限制的动作曲线，如图2所示。其中，PN、QN分别为发电机的额定有功功率和额定无功功率。低励限制的动作曲线方程为

图2 低励限制的动作曲线Fig.2 Action curve of low excitation limit

(3)

3 低励限制和失磁保护的配合

上述低励限制的整定过于简单，不能更大限度地发挥发电机的进相能力。提出一种基于静稳阻抗圆双外切正六边形的汽轮发电机低励限制曲线整定方法，该方法整定简单，能更大限度地发挥发电机的进相能力。

为了防止失磁保护先于低励限制动作，根据式(2)写出静稳极限裕度阻抗圆，其圆心和半径为

(4)

式中，Kk为可靠系数，一般取1.05≤Kk≤1.2。

接下来，分别做出静稳极限裕度阻抗圆的外切正六边形1和外切正六边形2，依次连接静稳极限裕度阻抗圆和外切正六边形1的交点、外切正六边形1和外切正六边形2的交点、静稳极限裕度阻抗圆和外切正六边形2的交点，便可得到R-X坐标系下基于静稳阻抗圆双外切正六边形的汽轮发电机低励限制的整定曲线，如图3所示。

图3 基于静稳阻抗圆双外切正六边形的低励限制的整定曲线Fig.3 Setting curve of low excitation limit based on static stable impedance circle double external tangent hexagon

发电机机端的复功率可表达为

所以，有

(5)

式中，U为发电机电压，kV。

由于一般励磁调节器中的低励限制定值整定的是有功功率和无功功率，所以根据上式，即可将上述24点坐标转换至P-Q坐标系下。

4 案例分析

4.1 设备和系统参数

以黑龙江某电厂励磁调节器低励限制保护和失磁保护整定为例，用上述方法校核低励限制和失磁保护是否满足配合关系。该电厂机组参数如表1和表2所示，系统电压为220kV，系统等值电抗标么值为0.0206(基准容量为100MVA)。

表1 发电机参数Table 1 Parameters of generator

表2 变压器参数Table 2 Parameters of transformer

4.2 失磁保护定值计算

根据式(1)，代入相关数值，得到静稳极限阻抗圆的上下两点坐标为Xc=3.7 Ω、Xd=-31.62 Ω。根据式(2)，得到静稳极限阻抗圆的圆心坐标为(0,-13.96)，半径r=17.66 Ω。取Kk=1.2，得到静稳极限裕度阻抗圆的圆心坐标为(0,-13.96)，半径r裕=21.19 Ω。

4.3 低励限制定值计算

低励限制定值的整定分为三种。

第一种：调控中心给定的低励限制定值，如表3所示。

表3 调控中心给定的低励限制定值Table 3 Setting values of low excitation limit given by control center

由于所给定的功率点太少，并且这三点在一条直线上，所以根据这三点写出所确定的直线方程为

根据式(6)，代入相关数值，可将上述9点坐标转换至R-X坐标系下，分别为(0，-39.19)、(15.26，-38.24)、(25.42，-27.67)、(26.84，-16.54)、(24.27，-9.22)、(21.02，-5.01)、(18.14，-2.61)、(15.78，-1.2)、(13.88，-0.36)。

(6)

根据式(6)，代入相关数值，可将上述9点坐标转换至R-X坐标系下，分别为(0，-74.532)、(39.92，-53.3)、(41.202，-24.308)、(33.16，-11.326)、(26.519，-5.764)、(21.773，-3.11)、(18.355，-1.71)、(15.817，-0.912)、(13.872，-0.431)。

第三种：也就是文中提出的方法。依据前文论述，代入相关数值，得到R-X坐标系下的24点坐标为(0，7.23)、(5.678，7.23)、(10.596，4.391)，其余各点坐标依次类推；得到P-Q坐标系下的24点坐标为(0，672.2)、(326.5，415.7)、(391.4，162.2)，其余各点坐标依次类推。

4.4 进相试验数据

进相试验时，取有功功率分别为80%PN、70%PN、60%PN三种工况，试验过程中的有功功率和无功功率数据如表4所示。

表4 进相试验时的有功功率和无功功率Table 4 Active power and reactive power during leading phase test

将失磁静稳阻抗圆整定值、低励限制整定值、进相试验数据，一起画在R-X坐标系下，如图4所示。

图4 R-X坐标系下的试验数据Fig.4 Test data in R-X coordinate system

从图4可以看到，从坐标原点向R轴正方向的曲线依次为低励限制整定值(第三种)、低励限制整定值(第一种)、低励限制整定值(第二种)。也就是说，在进相试验过程中，最先触碰到的是低励限制整定值(第二种)曲线，然后是低励限制整定值(第一种)曲线，最后是低励限制整定值(第三种)曲线。从保证机组安全稳定运行的角度来说，低励限制整定值(第二种)曲线最安全可靠，但是这也过于保守，远远没有发挥出机组的进相运行能力。而按照低励限制整定值(第三种)曲线整定，也就是本文提出的方法，在保证机组安全稳定运行的前提下，能更大限度地发挥机组进相运行的能力，这在系统电压偏高、保证系统安全稳定运行方面更有利。同时，该方法的低励限制曲线的整定完全按照代数和几何知识，简单方便直观，实用性强。

将失磁静稳阻抗圆整定值、低励限制整定值、进相试验数据，一起画在P-Q坐标系下，能得到相同的结论。

5 结 语

励磁调节器低励限制与发电机失磁保护的配合关系是否正确尤为重要，同时也是网源协调的一项重要内容。在概要介绍低励限制和失磁保护的基础上，提出了一种基于静稳阻抗圆双外切正六边形的汽轮发电机低励限制曲线整定方法。通过案例分析，结合三种进相运行工况，将该方法与另外两种方法进行了对比，证明了该整定方法在更大限度发挥机组进相运行能力、保证系统安全稳定运行方面的优越性，有很高的实用价值。