GE励磁低励限制与汽轮发电机失磁保护及 进相试验配合校核

郑桂杰 刘 宁 刘晓文 郝 宇 孙 鹏

（北方联合电力有限责任公司达拉特发电厂，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

0 引言

规程及反措中对励磁限制与发变组保护配合有明确要求，其中要求低励限制及保护应与失磁保护协调配合，遵循低励限制先于低励保护动作、低励保护先于失磁保护动作的原则，低励限制线应与静稳极限边界配合，且留有一定裕度[1-3]。发电机进相试验充分考虑发电机定子端部发热、定子电流、发电机静态稳定极限及厂用电电压等条件，确定不同有功功率下发电机吸收系统无功功率的最大值[4]，且发电机进相运行时不应进入发电机失磁保护动作区。现场中影响发电机进相试验深度的因素主要是厂用380V母线电压低。为防止发电机组在进相运行时由于进相深度过大，导致厂用辅机跳闸或发电机失磁保护动作引起发电机组非正常停运事故，需要励磁低励限制先于发电机失磁保护动作，低励限制先于进相试验深度值动作。目前，GE公司EX2100系列励磁调节器在国内仍占有一定份额，本文根据现场某机组GE励磁低励限制参数、失磁保护阻抗定值、进相运行试验报告，校核GE励磁低励限制与发电机失磁保护、进相试验配合关系是否满足要求，不满足配合要求的给出解决方案。

1 GE励磁低励限制与发电机失磁保护配合校核

励磁采用GE公司EX2100E励磁调节器，发变组保护采用南瑞继保RCS985B型装置，由于发电机失磁保护是在阻抗平面，低励限制是在功率平面，需将二者换算至同一坐标平面进行比较。

机组与系统联系紧密时，发电机失磁保护阻抗圆一般采用异步圆，按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》整定的失磁保护异步圆，下面进行具体计算。

与系统联系紧密的发电厂或采用自并励励磁方式的发电机组宜将阻抗判据作为失磁保护的复合判据之一，优先采用定子阻抗判据与机端三相同时低电压的复合判据[1]。

发电机参数如下：额定容量SN=667MV·A，额定有功功率PN=600MW，额定无功功率QN=330Mvar，机端电压Ue=20kV，发电机电流互感器电流比TAn为25 000A/5A，发电机机端电压互感器电压比TVn为，直轴同步电抗（不饱和值）Xd=215.5%，直轴暂态电抗（不饱和值）dX′=30.1%。

1.1 计算发电机失磁保护异步圆定值

失磁保护采用阻抗+机端低电压+其他判据动作条件之一必须满足在阻抗圆内，现场发电机失磁采用异步阻抗圆，计算异步圆的边界整定值[5-7]。失磁异步阻抗圆特性如图1所示。

图1 失磁异步阻抗圆特性

1.2 失磁异步阻抗圆映射到P-Q平面

设失磁保护阻抗圆的圆心为（0,X0），半径R0，圆内为动作区域，其方程为

式中：R=(Uc osϕ)/I；X=(Us inϕ) /I。将sinϕ=Q/(UI)、I2=(P2+Q2)/U2代入式（1），化简可得P-Q平面方程，即

式中，P、Q、U、I分别为以发电机额定视在功率和额定定子线电压为基值的有功功率、无功功率、定子线电压、定子相电流的标幺值[8-11]。

异 步 圆 半 径R0=(Xd- 0.5Xd′ )/2，圆 心X0= -(Xd+ 0.5Xd′ )/2，代入式（2），化简后得

将R0=0.60，X0=-0.69代入式（2），化简得

异步阻抗圆从R-X坐标系映射到P-Q坐标系，该圆圆心为（0, -5.95U2），半径为5.17U2，保护动作区在圆内。

1.3 分析比较

机组GE励磁低励限制数据见表1。表1中有功功率标幺值、无功功率标幺值均为计算值，基准容量为发电机额定视在功率。

表1 机组GE励磁低励限制数据

根据式（4），当发电机机端电压等于额定电压时，方程为P2+ (Q+ 5.95)2＜5 .172，该圆圆心为（0, -5.95），半径为5.17，保护动作区在圆内。圆上方与Q轴交点坐标为（0, -0.78）（见图2失磁异步圆1）。当发电机机端电压等于0.9倍额定电压时，方程为P2+ (Q+ 4.82)2＜4 .192，该圆圆心为（0, -4.82），半径为4.19，保护动作区在圆内。圆上方与Q轴交点坐标为（0, -0.63）（见图2失磁异步圆2）。当发电机机端电压等于0.85倍额定电压时，方程为P2+ (Q+ 4.30)2＜3 .742，该圆圆心为（0, -4.30），半径为3.74，保护动作区在圆内。圆上方与Q轴交点坐标为（0, -0.56）（见图2失磁异步圆3）。

由上述计算可知，即使电压最低时，异步边界阻抗圆与Q轴的交点坐标为（0, -0.56），而低励限制试验数据在各有功功率下对应的进相无功功率标幺值均在其之上，低励限制先于发电机失磁保护动作，因此失磁保护与低励限制之间配合关系正确。异步阻抗圆在P-Q平面上的映射如图2所示。励磁低励限制与发电机失磁保护配合满足要求。

图2 异步阻抗圆在P-Q平面上的映射

2 低励限制与进相试验配合校核

发电机进相运行试验报告见表2（内蒙古电力科学研究院，2007-06-11）。表2中，有功功率标幺值、进相无功功率标幺值为计算值。

表2 达电四期2×600MW工程2号机组 进相运行试验报告

将励磁低励限制数据与进相试验数据对比见 表3。

表3 励磁低励限制数据与进相试验数据对比

由表3数据可知，有功功率分别为300MW、450MW、600MW时，限制特性的进相深度大于机组进相试验报告中的进相无功值，低励限制特性与进相试验数据配合关系不满足要求，需要进行调整，使低励限制先于进相试验报告对应数据动作，并留有一定裕度（低励限制曲线随电压变化自动调整，设置时可酌情考虑留出裕度）。

3 低励限制值调整方法

3.1 励磁程序中低励限制相关参数

UEL Margin值设置为0.175p.u.。表4中有功有名值、无功有名值为计算值。

表4 性能曲线数据

现场机组励磁低励限制曲线如图3所示。图3中，横坐标为有功功率P，纵坐标为无功功率Q。1为性能曲线数据中11点设定值；2为低励限制曲线，曲线2上方3个圆点为进相试验值；3为手动方式低励限制曲线。

图3 励磁低励限制曲线（原曲线）

由励磁程序中低励限制数据确定的曲线，在相应有功功率下无功功率值见表5，并与对应的进相数据对比。

由表5可知，自动方式时，低励限制曲线特性与进相试验数据配合不满足要求，手动方式满足。

表5 低励限制曲线值及计算值 （程序中UEL Margin为0.175p.u.）

3.2 低励限制值调整方法

由图3及表5对比可知，可通过改变低励限制参数性能曲线数据的11点有功功率、无功功率值来满足要求；也可通过改变励磁低励限制中UEL Margin设定值来满足要求。

1）方法1：通过调整励磁低励限制中UEL Margin设定值，使低励限制特性与进相试验特性相配合，并留有一定裕度。

UEL Margin值设置为0.175p.u.时（换算为有名值为0.175×667=116.7Mvar），11点特性曲线与进相试验值的无功差值绝对值，当有功功率300MW时为193.7Mvar，有功功率450MW时为201.2Mvar，有功功率600MW时为146.7Mvar。

取最大值201.2Mvar，乘以可靠系数1.05，有201.2×1.05=211.26Mvar，标幺值为211.26÷667=0.317。将UEL Margin 值设置为0.317p.u.后，相应的无功限制值见表5，低励限制特性与进相试验数据配合关系满足要求。

调整UEL Margin值后低励限制曲线如图4所示。

图4 低励限制曲线（UEL Margin设置为0.317p.u.）

图4中，横坐标为有功功率P，纵坐标为无功功率Q。1为性能曲线数据中11点设定值；2为低励限制曲线，曲线2下方3个圆点为进相试验值；3为手动方式低励限制曲线。

机组在进相试验各点的试验数据及按低励限制曲线计算数据见表6，限制动作值均在进相试验特性数据之前限制，满足要求。

表6 调整UEL Margin后机组各有功值下无功限制值

由表6对比可知，调整参数后，励磁低励限制先于发电机进相试验值而动作，配合关系满足要求，并有一定裕度。

2）方法2：根据进相试验报告，通过改变低励限制参数性能曲线数据的11点有功、无功值满足要求。现场建议采用此方法。

UEL Margin值设置为0.175p.u.不变，各有功功率下进相值按10%裕度考虑，改变性能曲线数据 11点曲线值完成配合关系，90%进相无功值为低励限制值。

设置曲线无功功率有名值计算方法为各有功功率下90%进相无功功率值减去116.7Mvar（UEL Margin值0.175p.u.换算为有名值为0.175×667= 116.7Mvar）。调整11点曲线值后各有功功率下无功限制值见表7。

表7 调整11点曲线值后各有功值下无功限制值

由表7对比可知，调整励磁性能曲线参数后，励磁低励限制先于发电机进相试验值而动作，并且在各点均有较高的进相能力，配合关系满足要求并有一定裕度。

参数设置方法：把相应的功率值插入对应点中即可，也可重新均匀设置间隔。

调整后性能曲线数据列表见表8。需要说明的是，第11点有功标幺值为0.95p.u.时，一般不会出现此种工况，参考有功标幺值为0.90p.u.时的数据，按进相-10MW设置，也可设置为0。

表8 调整后性能曲线数据列表 （p.u.）

调整后低励限制曲线如图5所示。

图5中，横坐标为有功功率P，纵坐标为无功功率Q。1为性能曲线数据中11点设定值；2为低励限制曲线，曲线2下方3个圆点为进相试验值；3为手动方式低励限制曲线。

图5 低励限制曲线（性能曲线数据改变）

3）方法3：可通过同时改变UEL Margin值及改变低励限制参数性能曲线数据的11点有功功率、 无功功率值满足要求。此时也可将性能曲线数据值设置为与进相运行试验数据相符，裕度由UEL Margin值的选取调整，不再赘述。

低励限制的输出与机端电压有关，当机端电压低于额定值时其限制值也相应变小。

现场调试励磁调节器时，低励限制不需选取11点，只需设置5点即可满足，因规程要求汽轮发电机组进相试验工况宜为50%、75%、100%额定有功功率，现场一般按此工况试验。

4 结论

励磁调节器低励限制定值的整定，需要结合发电机失磁保护及发电机进相运行工况综合考虑，使之合理匹配，防止异常工况下发电机失磁保护在励磁系统低励限制未动作之前动作导致机组停运，或者进相运行工况下在励磁系统低励限制未动作之前，由于发电机铁心温度升高及厂用系统电压降低等原因导致的机组停运。本文通过调整低励限制曲线，使励磁低励限制与发电机失磁保护配合满足要求，励磁低励限制先于进相试验进相深度动作，且发电机进相运行时未进入发电机失磁保护动作区。