摘? 要：提出了一種準(zhǔn)確配置轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的方法，該方法考慮勵(lì)磁逆變過程中直流和交流之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，得出轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)定值整定方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的精確整定。仿真結(jié)果表明，該方法可以更加準(zhǔn)確地反映發(fā)電機(jī)過負(fù)荷特性，給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的實(shí)際整定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù);交直流轉(zhuǎn)化;發(fā)電機(jī)過負(fù)荷特性

0? ? 引言

隨著新能源接入電網(wǎng)的容量不斷增大，其大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送成為電網(wǎng)需要面對(duì)的問題。實(shí)踐中，為解決此問題，我國(guó)建造了大規(guī)模的直流輸電系統(tǒng)，然而，直流輸電系統(tǒng)中需要配置大量同步發(fā)電機(jī)電源，且對(duì)配套電源的過負(fù)荷特性提出了較高要求，準(zhǔn)確合理配置轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)成為維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定的保證。

目前，國(guó)內(nèi)專家對(duì)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)已進(jìn)行深入研究，并得到了大量的研究成果，文獻(xiàn)[1]研究了水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)配置，為同類型的保護(hù)整定提供了計(jì)算依據(jù)。文獻(xiàn)[2]研究了600 MW機(jī)組的轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)整定。文獻(xiàn)[3]研究了發(fā)電機(jī)保護(hù)與限制配合的問題。上述文獻(xiàn)針對(duì)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)進(jìn)行了深刻研究，為同步發(fā)電機(jī)保護(hù)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)提供了許多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但這些文獻(xiàn)均未考慮從發(fā)電機(jī)直流側(cè)和交流側(cè)轉(zhuǎn)化關(guān)系去分析同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)配合問題。

在前人研究的基礎(chǔ)上，為解決轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的準(zhǔn)確配置問題，使同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行在安全范圍，本文推導(dǎo)了勵(lì)磁交流電流和直流電流的模型，通過仿真分析給出了強(qiáng)勵(lì)時(shí)交流電流和直流電流關(guān)系，然后進(jìn)行仿真建模，對(duì)理論推導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該方法可以保證發(fā)電機(jī)過載時(shí)的安全。

1? ? 轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的主要作用是在發(fā)電機(jī)過負(fù)荷時(shí)告警或切除發(fā)電機(jī)，但在系統(tǒng)電壓過低時(shí)，需要發(fā)電機(jī)在繞組熱容量允許的情況下發(fā)揮一定的過載能力，所以需要配置適當(dāng)?shù)膮?shù)來協(xié)調(diào)過載和設(shè)備安全。轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)主要配置依據(jù)是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子過負(fù)荷容量，文獻(xiàn)[4]規(guī)定的隱極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子過載能力為t=33.75/（If2-1），If為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，t為發(fā)電機(jī)允許過載時(shí)間。

轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)作用是保護(hù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組安全，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流為直流電流，而轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)屬于發(fā)變組保護(hù)范圍，一般采用勵(lì)磁變高壓側(cè)或低壓側(cè)電流。

交流側(cè)電流和直流側(cè)電流存在一定比例關(guān)系，目前一般采用觸發(fā)角等于0時(shí)的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)化關(guān)系為Iac=0.816Id，該轉(zhuǎn)化關(guān)系為觸發(fā)角等于0時(shí)的交直流電流關(guān)系，而在正常運(yùn)行時(shí)交直流電流關(guān)系大約為Iac=0.78Id，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)在強(qiáng)勵(lì)期間交直流電流關(guān)系在上述兩種關(guān)系之間，即Iac=0.78～0.816Id。

常用的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)表達(dá)式為：

式中：Ijz為基準(zhǔn)電流;C為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)熱容量系數(shù)，一般按照2倍基準(zhǔn)勵(lì)磁電流時(shí)允許過載時(shí)間10 s整定。

經(jīng)過計(jì)算可知，在當(dāng)前的保護(hù)配置方案下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)可能超過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過載能力，并且規(guī)律為發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)程度越高，超出熱容量系數(shù)的概率越小;而強(qiáng)勵(lì)程度較輕時(shí)，超出熱容量系數(shù)的概率較大。

2? ? 交直流電流關(guān)系

根據(jù)逆變器的規(guī)律，得出交直流電流表達(dá)式為：

其中：

式中：α為觸發(fā)角;γ為換相角。

觸發(fā)角α的表達(dá)式如下：

式中：U2為勵(lì)磁變低壓側(cè)交流電壓有效值;Ufd為勵(lì)磁電壓;Kc為換弧壓降系數(shù);Id為勵(lì)磁直流電流。

換相角γ的表達(dá)式如下：

由式（4）和式（5）可以計(jì)算出勵(lì)磁換相角γ和觸發(fā)角α，得出換相角γ和觸發(fā)角α后，可以得出交直流電流之間關(guān)系。

發(fā)電機(jī)發(fā)生強(qiáng)勵(lì)后，勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流都會(huì)快速放大，觸發(fā)角電壓和電流也在實(shí)時(shí)變化，說明發(fā)電機(jī)在強(qiáng)勵(lì)時(shí)，兩者之間比例并不是恒定常數(shù)。故假設(shè)交直流電流是常數(shù)的話，會(huì)在不同故障時(shí)出現(xiàn)一定的誤差。當(dāng)誤差過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過熱時(shí)間超長(zhǎng)，發(fā)電機(jī)設(shè)備出現(xiàn)損壞;當(dāng)誤差較小時(shí)，發(fā)電機(jī)則過勵(lì)時(shí)間不夠，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)首先要考慮轉(zhuǎn)子過負(fù)荷的能力，保護(hù)配置不僅要考慮發(fā)電機(jī)主體設(shè)備安全，而且需要考慮充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)的過載能力，在系統(tǒng)故障時(shí)，電壓會(huì)出現(xiàn)下降，勵(lì)磁需要適當(dāng)過載，用于支撐系統(tǒng)電壓。但在超出發(fā)電機(jī)過載能力后，需要限制勵(lì)磁電流在合理水平。如果勵(lì)磁電流限制失敗，需要發(fā)電機(jī)過負(fù)荷保護(hù)迅速動(dòng)作，這樣才能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓支撐和設(shè)備安全之間的合理權(quán)衡。

所以，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)不僅要考慮轉(zhuǎn)子本體安全，還需要進(jìn)一步與勵(lì)磁設(shè)備的過勵(lì)限制環(huán)節(jié)相配合，但勵(lì)磁規(guī)范中對(duì)過勵(lì)限制的性能提出了明確要求，即在發(fā)電機(jī)2倍額定電流水平下，過載時(shí)間不少于10 s。根據(jù)該持續(xù)時(shí)間可以計(jì)算出過勵(lì)限制對(duì)應(yīng)的熱容量系數(shù)為30，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷最大熱容量對(duì)應(yīng)最大過載時(shí)間為11.25 s。兩者之間的最大極差為1.25 s，這樣的極差對(duì)于實(shí)際極差是偏小的，但兩者都表現(xiàn)出不可協(xié)調(diào)性。一方面是電網(wǎng)設(shè)備安全，超出11.25 s后會(huì)造成發(fā)電設(shè)備過載，增加發(fā)電機(jī)損壞的可能性;而過勵(lì)限制的10 s是用于保證故障時(shí)發(fā)電設(shè)備的電壓支撐能力，少于10 s電網(wǎng)電壓可能會(huì)過早崩潰。

綜上所述，基于目前各種條件的限制，發(fā)電機(jī)的電網(wǎng)支撐能力和安全之間存在不可調(diào)和的矛盾，即勵(lì)磁限制和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)之間極差過小，該問題的解決思路主要有兩個(gè)方向：一是適當(dāng)降低對(duì)勵(lì)磁限制過勵(lì)時(shí)間的要求，可以適當(dāng)縮短過勵(lì)限制的過載時(shí)間，保證過勵(lì)限制和轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)之間的極差保持在1.5～2 s?？s短過勵(lì)限制的時(shí)間，對(duì)電網(wǎng)安全會(huì)產(chǎn)生不利影響，需要進(jìn)行大量和充分的計(jì)算驗(yàn)證，如果經(jīng)驗(yàn)證計(jì)算后，縮短過勵(lì)限制后仍然可以滿足電網(wǎng)安全要求，可以采用縮短過勵(lì)限制的方案。二是通過改造現(xiàn)有發(fā)電機(jī)設(shè)備，提供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過載能力，將現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷能力提高到11.5～12 s，即熱容量系數(shù)提高到34.5～36，就可以滿足安全極差的要求，但需要進(jìn)一步評(píng)估改造發(fā)電機(jī)設(shè)備的成本以及改造對(duì)發(fā)電機(jī)參數(shù)的影響，是否需要重新進(jìn)行發(fā)電機(jī)參數(shù)計(jì)算，是否需要進(jìn)行全套的涉網(wǎng)試驗(yàn)，如果改造成本在發(fā)電廠承受范圍內(nèi)，說明該方案也是一種可行辦法。但最后采取哪種方案，需要多種主體綜合權(quán)衡后才能決定。

3? ? 結(jié)論

本文重新研究了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)，考慮了勵(lì)磁交直流側(cè)關(guān)系，與以往相比，本文的創(chuàng)新主要有以下方面：

（1）依據(jù)現(xiàn)有整定方案，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷特性可能超出轉(zhuǎn)子過負(fù)荷允許范圍。

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)盡量選取直流量作為保護(hù)判別量，這樣可以保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安全和動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

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收稿日期：2020-04-01

作者簡(jiǎn)介：王鵬（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。