基于G60失磁保护与EX2100励磁系统低励限制的配合分析

基于G60失磁保护与EX2100励磁系统低励限制的配合分析

王忠明

（广州珠江天然气发电有限公司广东广州511457）

摘要：国外引进的G60发电机保护装置配置的阻抗型失磁保护的整定定值是在R-X平面给出的，而EX2100励磁系统的低励限制整定定值则是在P-Q平面给出的，目前尚未自主地对两保护配合关系进行校核。针对以上情况，以390H型燃气轮机发电机为例，详细演算了发电机阻抗型失磁保护的整定计算过程，将两保护归算到同一个P-Q平面上，并通过发电机的进相试验进一步验证。校核结果显示当发电机进相运行时，低励限制先于失磁保护动作，说明了发电机低励限制与失磁保护参数整定合理，为同类型的发电机组提供参考。

关键词：发电机；励磁系统；失磁保护；低励限制；配合分析

0引言

为确保电网和机组的安全稳定运行，南方电网要求并网发电机开展继电保护整定计算，其中包括发电机失磁保护的整定计算。根据反事故措施［1］和有关标准［4］要求，并网发电机必须进行发电机失磁保护与励磁低励限制的配合分析，发电机失磁保护和励磁低励限制的动作关系应该是低励限制先于失磁保护动作，而二者之间整定值的相互配合是满足上述动作顺序的基础。

据了解，国内在用的GE公司生产的UR系列G60型发电机保护装置均配有发电机失磁保护，EX2100励磁调节器中均配置低励限制，但大部分保护装置GE公司仅提供了失磁保护的定值单，未提供保护整定计算书，更没有失磁保护与低励限制的配合分析。

由于以上原因，本文对G60发电机失磁保护进行详细的整定计算，并进行失磁保护与低励限制的配合分析，再结合进相试验结论，证明发电机失磁保护与低励限制的配合能满足要求。

1失磁保护的整定计算

大型同步发电机的失磁故障发生率相对较高，据统计数据表明，励磁系统故障约占发电机总故障的60％以上［2］，且故障后可能会对电力系统的安全运行和发电机自身产生严重危害，因此合理配置失磁保护具有十分重要的意义。

以390H型发电机为例，其额定容量SN＝468MVA，额定有功功率PN＝397.8MW，额定无功功率QN＝246.5Mvar，额定机端电压UN为19ｋV，额定定子电流IN为14.221kA，直轴同步电抗＝2.19，直轴瞬变电抗＝0.265（不饱和值），直轴瞬变电抗=0.225（饱和值），机端TV变比ｎTV为19.2kＶ／0.1kＶ，机端TA变比为ｎTA为18kA／5Ａ。由基本参数计算得出：

GE公司提供的失磁保护原定值为：圆Ⅰ的圆心为（0-8.86Ω），半径为7.23Ω；圆Ⅱ的圆心为（0-17.46Ω），半径为15.84Ω。此次核算定值与原定值的失磁保护阻抗下抛圆的半径相同，仅圆心沿虚轴位置有些差别。利用上述失磁保护的整定计算过程反算并参阅GE公司关于发电机失磁保护的技术资料[7]得知，GE公司提供的原定值整定计算时采用直轴瞬变电抗的饱和值，而国内一般采用直轴瞬变电抗不饱和值[5]。新核算定值与原定值阻抗圆曲线所确定的R-X平面以及P-Q平面均满足失磁保护的功能要求。考虑国内现场实际情况，最终采用直轴瞬变电抗不饱和值下的新核算定值，即下抛圆1的圆心为（0-9.14Ω），半径为7.23Ω；下抛圆2的圆心为（0-17.75Ω），半径为15.84Ω。为了分析的需要，设定新核算定值的下抛圆分别定义为圆1和圆2，原厂家定值的下抛圆分别定义为圆I和圆II，以下同理。

同理，设原定值失磁阻抗圆Ⅰ映射至P-Q平面的圆心为（0CⅠ），半径为RⅠ，代入式（3）和（4）和得出，CⅠ=-4.86U2RⅠ=3.97U2。

设原定值失磁阻抗圆Ⅱ映射至P-Q平面的圆心为（0CⅡ），半径为RⅡ，代入式（3）和（4）和得出，CⅡ=-4.89U2RⅡ=4.46U2。

为了便于分析，假设电压U等于1，得出：

圆1与Q负半轴交点分别为（0，-4.23+3.34=-0.89），（0，-4.23-3.34=-7.57）

圆2与Q负半轴交点分别为（0，-4.06+3.63=-0.43），（0，-4.06-3.63=-7.69）

圆Ⅰ与Q负半轴交点分别为（0，-4.86+3.97=-0.89），（0，-4.86-3.97=-8.83）

圆Ⅱ与Q负半轴交点分别为（0，-4.89+4.46=-0.43），（0，-4.89-4.46=-9.35）

综合以上4条曲线所确定的P-Q区域内的圆心和半径及其Q轴负半轴的交点，圆2的轨迹最靠近低励限制的曲线，只要圆2满足失磁保护与低励限制的配合，其他3个圆肯定满足。故以圆2曲线为例进行失磁保护与低励限制曲线进行配合分析，如图3中的曲线3所示。

3低励限制逻辑

正常情况下励磁调节器工作于自动方式，当发电机低励时，从系统吸收无功，转子出现转差、定子电流增大、定子电压降低、有功输出下降，励磁调节器检测到电气量的变化符合低励限制的条件时，低励限制器开始动作，增大励磁电流。

发电机在低励状态下工作可能导致发电机定子端部铁芯由于漏磁的增大发热量会显著增加。若进相较深，励磁电流过小，则会增大了失磁保护误动的可能性。因此发电机励磁系统应设置低励限制来保障机组和电网的安全稳定。

根据反事故措施［１］和有关标准［4］要求，390H型发电机配置了低励限制功能，查阅EX2100励磁调节器工具软件Toolbox中的低励限制模块“UELHTC”得知，当机端电压为1pu时，低励限制的定值单如表1所示：

4失磁保护与低励限制的配合

EX2100励磁系统低励限制的作用是当励磁电流下降到限制值时限制励磁电流下降，从失磁保护、低励限制的原理和动作行为可得到两者的相互配合原则：发电机从失磁到最后失稳或失步，机端测量阻抗和功率都应该先进入低励限制区，最后过渡到失磁保护圆，在Ｐ-Ｑ平面上失磁保护阻抗圆处在低励限制线的下方，且相互之间的裕度充分合理、过渡平稳。

由图3可知，当机端电压为1pu时，低励限制曲线与失磁保护阻抗圆没有交点，低励限制先于失磁保护动作。

由第2节式（3）以及图2均得出，失磁保护和低励限制的定值均是是动态变化的，均与电压的平方正比，即当机端电压下降时，失磁保护定值与低励限制定值均随电压的平方成正比关系，故低励限制与失磁保护在任何电压情况下均没有交点，低励限制和失磁保护之间的配合是动态，所以在P-Q坐标平面内，2者是一簇曲线的配合。由此可见，低励限制限于失磁保护动作，满足反事故措施［１］和有关标准［4］要求。

依据进相试验相关标准[3]，对机组做了进相试验，在进相试验过程中，一方面测试了发电机的进相能力，验证了低励限制整定值与失磁保护整定值之间存在一定的安全裕度；另一方面也验证了低励限制与失磁保护整定值配合的正确性。发电机的进相试验数据如图3曲线１所示。

5结语

本文就发电机励磁系统低励限制和失磁保护之间的配合整定这一问题，通过G60失磁保护的整定计算，并将发电机失磁保护与励磁系统低励限制曲线都归算到（Ｐ－Ｑ）平面上。初步得出结论：EX2100励磁系统低励限制与发电机失磁保护的配合能够满足要求。一方面可以消除了390H型发电机进相运行时失磁保护存在误动的疑虑，另一方面也可满足对励磁调节器的低励限制定值的整定与发电机失磁保护的配合要求，似可亦用于同类型发电机低励限制与失磁保护配合分析时作参考。

参考文献：

[1]国能安全[2014]161号，防止电力生产事故的二十五项重点要求及编译释义[S].

[2]林莉．同步发电机失磁过程分析与保护方法研究[J]．高电压技术，2014，（11）：3544-3553

[3]Q/GDW746-2012，同步发电机进相试验导则[S].

[4]DL/T843-2010，大型汽轮发电机励磁系统技术条件［Ｓ］．

[5]高春如．大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M]．中国电力出版社，2010，183-184

[6]GE公司．G60GeneratorProtectionSystemURSeriesInstructionManual[Z]．美国：GE公司，2005

[7]GE公司．GEK27887_LossofExcitationRelay（CEH51A）Instructions[Z].美国：GE公司，2005

作者简介：

王忠明（1981—），男，海南临高人，硕士研究生，现为广州珠江天然气发电有限公司生产技术部电气主管，从事燃气电厂电气专业技术管理工作。