白蓮河抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)失磁保護(hù)的探討

景 城，王 琳

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600）

1 工程概況

白蓮河抽水蓄能電站裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的單級(jí)混流可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電電動(dòng)機(jī)為立軸、半傘、空冷可逆式同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)，發(fā)電工況額定容量334 MV·A，電動(dòng)機(jī)工況額定容量325 MW，額定電壓15.75±6.5%kV。發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器采用單元接線方式，之間通過(guò)IPB連接，設(shè)換相開關(guān)與發(fā)電機(jī)斷路器。主變壓器型號(hào)為SSP10-360000/500，額定容量 360 MV·A，高壓側(cè)額定電壓525±2×2.5%kV。每?jī)膳_(tái)主變高壓側(cè)接入一套地下500 kV GIS聯(lián)合單元，經(jīng)500 kV干式高壓電纜接入地面500 kV GIS，以一回出線接入華中電網(wǎng)。

電站機(jī)組保護(hù)采用的裝置是法國(guó)ARIVER生產(chǎn)的P34x系列，下面將對(duì)從失磁保護(hù)動(dòng)作原理上進(jìn)行剖析，比較該裝置與國(guó)產(chǎn)失磁保護(hù)動(dòng)作原理，分析二者存在的差異。

2 發(fā)電機(jī)失磁原理及后果

發(fā)電機(jī)失磁故障是指發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有：轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁機(jī)故障、自動(dòng)滅磁開關(guān)誤跳閘、半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等。當(dāng)發(fā)電機(jī)完全失去勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流將逐漸衰減至0。由于發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)隨著勵(lì)磁電流的減小而減小，因此，其電磁轉(zhuǎn)矩也將小于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因而引起轉(zhuǎn)子加速，使發(fā)電機(jī)的功角增大。當(dāng)功角超過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定極限角時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機(jī)失磁后將從并列運(yùn)行的電力系統(tǒng)中吸取電感性無(wú)功功率供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)發(fā)電機(jī)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速后，將進(jìn)入異步運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)失磁后而異步運(yùn)行時(shí)，將對(duì)電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生以下影響：

（1）需要從電網(wǎng)中吸收很大的無(wú)功功率以建立發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)。

（2）由于從電力系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率將引起電力系統(tǒng)的電壓下降，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解。

（3）失磁后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，將在轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路中產(chǎn)生交流電流，因而形成附加損耗，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁回路過(guò)熱。

3 兩種失磁保護(hù)對(duì)比分析

3.1 電站失磁保護(hù)原理

由P34x繼電器構(gòu)成的失磁保護(hù)由3個(gè)元件組成，包括2段延時(shí)阻抗元件和1個(gè)無(wú)功進(jìn)相 （功率因數(shù)）報(bào)警元件，其動(dòng)作原理如圖1所示，邏輯框圖見(jiàn)圖2。

圖1 失磁保護(hù)原理

圖2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)失磁保護(hù)邏輯框圖

阻抗元件輸入信號(hào)為Ia和Ua，最小工作電流和電壓分別為20 mA和1V（二次側(cè)額定電流和電壓：Ιn=1 A，Vn=100/120V），100 mA和 4V （二次側(cè)額定電流和電壓：Ιn=5 A，Vn=380/480 V）。

電機(jī)失磁失步后，在吸收系統(tǒng)無(wú)功的同時(shí)尚能保持20%～30%的有功輸出，這種情況可以保持幾分鐘而不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞，傳統(tǒng)的失磁阻抗元件不能反應(yīng)這種狀態(tài)，因此P34x提供了無(wú)功進(jìn)相 （功率因數(shù)）報(bào)警元件來(lái)處理這種情況。處于失磁狀態(tài)下電機(jī)運(yùn)行依賴于剩余系統(tǒng)能否向電機(jī)提供所需求的無(wú)功，如果系統(tǒng)不能提供足夠的無(wú)功，系統(tǒng)電壓降下降且系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定，這種情況一般發(fā)生在大型電機(jī)連接在一個(gè)相對(duì)較弱系統(tǒng)，且電機(jī)帶有較大負(fù)荷。為確保這種情況下能快速跳閘，其中的一個(gè)阻抗元件必須采用較短的延時(shí)，該原件快速跳開發(fā)電機(jī)以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。為防止振蕩下誤動(dòng)，該阻抗元件直徑要求較小。較大直徑的阻抗元件用來(lái)檢測(cè)發(fā)電機(jī)低負(fù)荷下的失磁故障，且設(shè)置一個(gè)延時(shí)防止振蕩下的誤動(dòng)。

3.2 國(guó)內(nèi)常用的失磁保護(hù)原理

目前，國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)應(yīng)用較多為靜穩(wěn)邊界圓動(dòng)作特性 （見(jiàn)圖3），發(fā)電機(jī)失磁后，機(jī)端測(cè)量阻抗軌跡由圖中第I象限隨時(shí)間進(jìn)入第Ⅳ象限，達(dá)靜穩(wěn)邊界附近進(jìn)入圓內(nèi)。靜穩(wěn)邊界阻抗判據(jù)滿足后，至少延時(shí)1～1.5 s發(fā)失磁信號(hào)、壓出力或跳閘，延時(shí)1～1.5 s的原因是躲開系統(tǒng)振蕩。扇形與R軸的夾角10～15為了躲開發(fā)電機(jī)出口經(jīng)過(guò)渡電阻的相間短路，以及躲開發(fā)電機(jī)正常進(jìn)相運(yùn)行。

圖3 國(guó)內(nèi)失磁保護(hù)動(dòng)作特性

3.3 兩種原理定值計(jì)算比較

按國(guó)內(nèi)失磁原理整定的定值計(jì)算，靜穩(wěn)阻抗圓與jx軸的上下交點(diǎn)分別為Z1A和Z1B。

系統(tǒng)電抗 （折算至機(jī)端，按單臺(tái)發(fā)電機(jī)計(jì)算，不考慮其他機(jī)組影響）計(jì)算：

最大系統(tǒng)聯(lián)系電抗Xstmax=0.0407+0.1299=0.1706

最小系統(tǒng)聯(lián)系電抗Xstmin=0.0261+0.1299=0.1560

發(fā)電機(jī)側(cè)基準(zhǔn)阻抗

故 Z1Amax=0.1706*70.7=120.6 Ω， Z1Amin=0.156*70.7=11.03。

表1 兩種原理定值整定比較表

根據(jù) “導(dǎo)則”計(jì)算

因此，定值整定如下 （括號(hào)內(nèi)為標(biāo)幺值）：①考慮系統(tǒng)最大運(yùn)行方式， Z1A=12.06（0.1706），Z1B＝-76.4（1.08）。②考慮系統(tǒng)最小運(yùn)行方式，Z1A=11.03（0.156）， Z1B＝-76.4（1.08）。

兩種原理計(jì)算定值比較見(jiàn)表1。

4 結(jié) 語(yǔ)

由對(duì)白蓮河抽水蓄能電站失磁保護(hù)裝置及動(dòng)作原理與國(guó)內(nèi)常用的機(jī)組失磁保護(hù)進(jìn)行的比較分析，可以看出該電站失磁保護(hù)裝置的優(yōu)點(diǎn)是：電機(jī)失磁失步后，在吸收系統(tǒng)無(wú)功的同時(shí)尚能保持20-30%的有功輸出，這種情況可以保持幾分鐘而不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞，傳統(tǒng)的失磁阻抗元件不能反應(yīng)這種狀態(tài)；缺點(diǎn)是：①兩圓的上頂點(diǎn)均不能整定到坐標(biāo)原點(diǎn)以上，因此不能完全擬合靜穩(wěn)邊界。②沒(méi)有轉(zhuǎn)子判據(jù)作為配合，也沒(méi)有負(fù)序閉鎖等元件配合，可靠性有些不足。

［1］ 賀家李，寧從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1994.

［2］ 何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析 ［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.