張兵海,王獻志,劉清泉,陳天英,張衛(wèi)明

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

對于大型發(fā)電機,定子和轉子的材料利用率很高,其熱容量與銅損比值較小,熱時間常數(shù)比較小,為防止受到過負荷的損害,大型發(fā)電機都要裝設反應定子繞組的平均發(fā)熱狀態(tài)的過負荷保護[1],GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》規(guī)定,3 k V電壓等級及以上的發(fā)電機均應配置發(fā)電機定子繞組過負荷保護[2]。一般理解發(fā)電機定子過負荷保護不僅承擔定子繞組過負荷導致的過熱等異常工況的保護,還對設備起著后備保護的作用,但是通過簡化后的短路電流時域計算和仿真軟件的仿真計算說明發(fā)現(xiàn),因為短路電流衰減特性的存在,按整定導則整定的發(fā)電機定子過負荷保護無法承擔后備保護的作用。

1 發(fā)電機定子繞組過負荷動作特性及整定原則

發(fā)電機定子繞組過負荷保護,保護取發(fā)電機中性點三相電流的最大相電流,一般由定時限和反時限兩部分組成。根據(jù)DL/T 684—2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》(簡稱“整定導則”)[3],過負荷保護的定時限按躲發(fā)電機定子繞組長期允許的負荷電流下能可靠返回的條件整定:

式中:Krel為可靠系數(shù),一般取1.05;IGN為發(fā)電機定子繞組一次額定電流,A;Kr為返回系數(shù),一般取0.9～0.95,條件允許應取較大值;na為電流互感器變比。

保護延時(躲過后備保護的最大延時)動作于信號或自動減負荷。保護門檻實際取值范圍為1.105～1.167倍,工程整定時應躲過發(fā)電機最大連續(xù)出力功率的額定電流,如350 MW機組的最大連續(xù)出力功率可能為380 MW,600 MW機組可能最大連續(xù)出力功率為660 MW。

一般認為,保護能反應系統(tǒng)(電網(wǎng))故障,220 k V輸電線路的保護最長延時一般為5.0～6.0 s,500 k V輸電線路的保護最長延時一般為6.0～7.0 s,因此延時可直取9.0 s。

過負荷保護的反時限根據(jù)發(fā)電機制造廠提供的過負荷能力確定,動作特性見圖1,保護的動作公式為

圖1 發(fā)電機定子繞組允許過電流曲線

式中:Ktc為定子繞組熱容量常數(shù),機組容量Sn≤1 200 MVA時,Ktc=37.5,具體以廠家提供數(shù)據(jù)為準;I*為以發(fā)電機額定電流為基準的標幺值;t為允許的持續(xù)時間,s;Ksr為散熱系數(shù),一般取1.02～1.05。

工程整定時,Ktc取值略小于制造廠提供的發(fā)熱系數(shù),即略小于37.5,一般取值35,可以保證一定的裕量;起始電流Iop.min*與定時限門檻配合,取1.0～1.05的配合系數(shù);上限截止電流Iop.max*取機端三相短路電流;下限延時tmax可取一較大數(shù)值延時,如1 000 s或取公式計算值;上限截止時間tmin與線路保護的速動保護配合,一般取0.3 s或0.5 s。

根據(jù)以上動作特性,認為發(fā)電機定子過負荷保護對發(fā)電機變壓器組以及近端輸電線路范圍內(nèi)設備起著后備保護的作用[4],在發(fā)電機變壓器組或輸電線路近端短路時,發(fā)電機變壓器組或線路主保護拒動時,發(fā)電機定子過負荷保護應該動作。

得此觀點的基礎是沒有考慮短路電流的衰減特性,當考慮短路電流的衰減特性時,將會產(chǎn)生不同的結論。

2 短路過程中發(fā)電機阻抗的變化特性

發(fā)電機機端三相短路電流,以U相為例:

公式(4)中的前半部分為短路電流周期分量,后半部分為非周期分量。

本文以350 MW機組為例進行計算,發(fā)電機參數(shù)為:Pe=350 MW,Ue=20 k V,cosφ=0.85,X″d=0.180 2/0.195 9(飽 和/不 飽 和 值),X′d=0.233 5/0.265 3(飽和/不飽和值),Xd=2.171 4,T″d=0.035 s,T′d=0.97 s,Td0=8.47 s;主 變 壓 器參數(shù)為:Se=430 MVA,額定電壓20/236 k V,短路阻抗XT=0.18。

定性分析按不考慮非周期分量考慮,取θ0=90°,則:

由此可以看出,發(fā)電機提供的短路電流不是恒定值,而是按一定規(guī)律和時間常數(shù)衰減變小的電流。

對于這種帶有指數(shù)的復雜運算,手工計算的準確度和復雜程度比較大,而一般工程現(xiàn)場的短路電流計算,均對公式進行了簡化。采用簡化的計算方法計算出來的短路電流,在發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算時,可能會使保護靈敏度的計算不準確,進而產(chǎn)生不正確的結論。

同樣的方法也適用于計算兩相短路電流以及主變壓器高壓側短路電流。主變壓器高壓側短路計算時,阻抗參數(shù)中增加主變壓器短路阻抗XT,不對稱短路計算時阻抗參數(shù)中增加負序阻抗X2。

使用軟件進行仿真計算,因為復雜的公式已定義到模塊中,通過建模仿真進行計算,則有助于計算不同時域的短路電流,進而掌握其靈敏度的變化情況。

3 PSCAD建模仿真計算

與Matlab不同,PSCAD是專用于電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真的工具,可以通過圖形化的組合,搭建所要計算的機組小系統(tǒng),對不同位置、不同短路形式、不同時域的短路電流進行仿真計算。

本文以示例的350 MW機組搭建模型,見圖2。

圖2 發(fā)電機變壓器短路仿真計算模型

在圖2中,因為僅計算發(fā)電機機端、主變壓器高壓側短路時發(fā)電機提供的短路電流,計算時設置的短路形式為金屬性短路,不存在系統(tǒng)電流助增的問題,因此圖2中的系統(tǒng)等效模塊與機組脫開,脫開后不影響軟件計算與仿真。

圖3為發(fā)電機模塊設置參數(shù)。圖4為主變壓器模塊設置參數(shù)。過負荷反時限保護模塊見圖5。

圖3 發(fā)電機模塊參數(shù)

圖4 主變壓器參數(shù)模塊

圖5 過負荷反時限元件保護模塊

因為PSCAD的反時限模塊與國內(nèi)保護動作公式略有區(qū)別,圖5的反時限模塊中增加了啟動元件模塊。

因此,過負荷反時限元件51中的啟動門檻按國內(nèi)保護動作公式的散熱系數(shù)取值,一般取1.02～1.05,本文中取1.02;IEC的極端反時限的A固定為80,因此根據(jù)國內(nèi)的《整定導則》,發(fā)熱系數(shù)一般取33～37.5,本文中取35,因此取TD=35/(80×1.022)=0.420 5。

獨立設置的啟動元件門檻取1.105 Ie。

圖6為機端三相短路仿真計算結果,保護未動作。(仿真設置的故障起始時間t=5.0 s)

圖6 發(fā)電機機端三相短路仿真計算結果

圖6 中,IiG為發(fā)電機機端電流瞬時值,IG_rms為發(fā)電機機端電流有效值,IG_rms_pu為發(fā)電機機端電流標幺值,IiG_output為過負荷反時限保護元件的動作輸出(動作后輸出為1,正常狀態(tài)輸出為0)。標幺值計算是大于啟動門檻之后開始計算,小于啟動門檻后不再進行計算。

更改故障類型和故障位置,仿真機端兩相短路和主變壓器高壓側三相、兩相、單相短路故障,計算數(shù)據(jù)均說明,保護不會動作。

圖2中的勵磁調節(jié)器模型采用的是勵磁理想模型,即認為在所模擬故障的發(fā)展過程中勵磁輸出參數(shù)不變化,更改勵磁調節(jié)器模型為交流勵磁模型(IEEE AC1 A～8B,即三級勵磁或無刷勵磁形式)或靜態(tài)勵磁模型(IEEE ST1 A～7B,即機端勵磁變或定子副繞組勵磁形式)發(fā)現(xiàn),短路電流衰減時間更短,保護仍不會動作。

更改TD設定值,仿真測試過負荷反時限保護的TD動作邊界,結果見表1。

表1 改變發(fā)熱系數(shù)后對不同位置的保護動作試驗結果

表1數(shù)據(jù)說明,對于機端三相短路,只有當TD≤0.047時,反時限保護才可以動作,相當于國內(nèi)保護動作公式中的發(fā)熱系數(shù)Ktc≤3.9。因為PSCAD軟件內(nèi)部置死的TD的最小取值為0.01,因此試驗的最低限整定TD時,對于主變壓器高壓側兩相短路和單相短路,保護不動作。

4 結論

(1)對于發(fā)電機變壓器組,不論故障位置在機端還是主變壓器高壓側,不論故障的短路形式如何,短路電流均呈現(xiàn)為衰減特性。只有當短路阻抗中的非發(fā)電機阻抗遠大于發(fā)電機阻抗時,才可以忽略其衰減特性。

(2)按照《整定導則》取值的發(fā)電機定子繞組過負荷保護反時限保護對于發(fā)電機機端到主變壓器高壓側、輸電線等設備的各種短路故障沒有靈敏度,起不到后備保護的作用。

(3)反時限保護的“上限動作時間(tmin)”定值宜取可能的較小數(shù)值,如0.3 s或0.5 s,滿足其與出線快速保護動作時間在數(shù)值上的配合即可。

(4)發(fā)電機定子繞組過負荷保護作用于保護電氣設備的過熱(引入溫度測量值)、過載或周期性過載(如失磁失步導致的過載)等異常工況,以及內(nèi)部或系統(tǒng)原因導致的電流長期異常等。

(5)同樣的方法適用于對發(fā)電機轉子表層過負荷(定子負序電流過負荷)保護的分析。

(6)在PSCAD中將勵磁調節(jié)器模型、汽(水)輪機調速器模型、電網(wǎng)等效模型完善后,可進行發(fā)電機失步、振蕩過程中發(fā)電機定子過負荷保護的動作行為研究,檢查過負荷反時限與失步保護的配合情況。