T35保護(hù)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力配合分析

周道軍

（1.神華國(guó)華太倉(cāng)發(fā)電有限公司，江蘇省太倉(cāng)市，215433；2.神華國(guó)華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100025）

發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷綜合能力關(guān)系到發(fā)電機(jī)的電壓安全以及用電安全，并且影響電網(wǎng)的功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定，是網(wǎng)源協(xié)調(diào)的一個(gè)重要支撐因素。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力與轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)二者之間的匹配原則應(yīng)遵循：“轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值小于轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力”。轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力之間應(yīng)留合理級(jí)差。若轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值過(guò)大，則不利于機(jī)組安全；若保護(hù)定值過(guò)小，系統(tǒng)故障時(shí)可能導(dǎo)致機(jī)組過(guò)早跳機(jī)，不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2012年2 月，國(guó)調(diào)中心印發(fā)了 《關(guān)于開(kāi)展并網(wǎng)機(jī)組網(wǎng)源協(xié)調(diào)重要參數(shù)專(zhuān)項(xiàng)核查工作的通知》，2013年4月中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)全網(wǎng)范圍內(nèi)近1150臺(tái)大容量機(jī)組完成核查，其中火電600 MW以上 （含）、水電50 MW 以上 （含）、燃機(jī)100 MW 以上 （含）共664 臺(tái)。核查報(bào)告顯示，系統(tǒng)內(nèi)多臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力與過(guò)負(fù)荷保護(hù)之間協(xié)調(diào)配合關(guān)系不滿(mǎn)足規(guī)程要求。由于生產(chǎn)廠家提供的過(guò)負(fù)荷保護(hù)曲線與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力曲線不一致，在定值整定計(jì)算時(shí)，若保護(hù)特性曲線選擇不當(dāng)，兩者之間極易發(fā)生不匹配現(xiàn)象。本文以T35保護(hù)為例展開(kāi)分析。

1 過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定技術(shù)要求

1.1 轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力技術(shù)要求

規(guī)程規(guī)定：汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)具備下列規(guī)定的過(guò)負(fù)荷能力 （時(shí)間為10～120s）。

式中：I＊——轉(zhuǎn)子電流標(biāo)幺值；

t——時(shí)間，s。

1.2 繼電保護(hù)整定計(jì)算要求

《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》附錄D 說(shuō)明，“實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以近似認(rèn)為勵(lì)磁繞組的過(guò)負(fù)荷特性與過(guò)電壓能力相同”。

轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)由定時(shí)限和反時(shí)限兩部分組成。

1.2.1 定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)

動(dòng)作電流按正常運(yùn)行額定勵(lì)磁電流下能可靠返回的條件整定。

式中：Krel——可靠系數(shù)，取1.05；

Kr——返回系數(shù)，取0.85～0.95，條件允許應(yīng)取較大值；

na——電流互感器變比；

I-——交流側(cè)額定勵(lì)磁電流，A。

1.2.2 反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)

反時(shí)限過(guò)負(fù)荷倍數(shù)與相應(yīng)允許持續(xù)時(shí)間的關(guān)系曲線，由制造廠家提供的轉(zhuǎn)子繞組允許過(guò)熱條件決定。

最大動(dòng)作時(shí)間對(duì)應(yīng)的最小動(dòng)作電流，按與定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)相同條件整定。

反時(shí)限動(dòng)作特性上限動(dòng)作電流與強(qiáng)勵(lì)頂值倍數(shù)匹配。如果強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為2倍，則在2倍額定勵(lì)磁電流下持續(xù)時(shí)間達(dá)到允許持續(xù)時(shí)間時(shí)，保護(hù)動(dòng)作是跳閘。當(dāng)小于強(qiáng)勵(lì)頂值而大于過(guò)負(fù)荷允許電流時(shí)，保護(hù)按反時(shí)限特性動(dòng)作。

1.3 國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷能力

以上海發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN 型600～660 MW水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)為例，轉(zhuǎn)子繞組具有規(guī)定的短時(shí)過(guò)電壓能力：勵(lì)磁電壓為208%、146%、125%、112%時(shí)，過(guò)電壓時(shí)間分別為10s、30s、60s、120s。

2 過(guò)負(fù)荷保護(hù)返回系數(shù)Kr 的選擇

轉(zhuǎn)子反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)啟動(dòng)電流Ipickup按與定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)相同的條件整定，如式 （2），取Ipickup=Iop，則有：

式中：Ipickup——轉(zhuǎn)子反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)啟動(dòng)電流；

Ipu——輸入電流，A；

K ——過(guò)電流倍數(shù)。

式（3）中返回系數(shù)Kr的選擇影響T35 過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作曲線協(xié)調(diào)配合關(guān)系，其選擇應(yīng)考慮下列原則：

（1）返回系數(shù)Kr取0.85～0.95，條件允許應(yīng)取較大值。

綜上所述，整定計(jì)算時(shí)宜取Kr=0.95。

3 T35過(guò)負(fù)荷保護(hù)特性曲線分析

3.1 T35保護(hù)曲線分類(lèi)

GE T35 發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷保護(hù)提供了IEEE（IEEE Extremely Inverse、IEEE Very Inverse、IEEE Moderately Inverse）、IEC （IEC Curve A、IEC Curve B、IEC Curve C、IEC Short Inverse）和IAC （IAC Extremely Inverse、IAC Very Inverse、IAC Inverse、IAC Short Inverse）標(biāo)準(zhǔn)共11條特性曲線，另外，還提供了I2t和用戶(hù)自定義FlexLogicTM（FlexCurve A、FlexCurve B）特性曲線，共計(jì)14條特性曲線。

3.2 IEEE特性曲線分析

（1）曲線方程為：

式中：T——?jiǎng)幼鲿r(shí)間，s；

TDM——時(shí)間刻度倍數(shù)；

A、B、p——常數(shù)。

（2）IEEE 反時(shí)限曲線常數(shù)。IEEE 反時(shí)限曲線常數(shù)如表1所示。

表1 IEEE反時(shí)限曲線常數(shù)

（3）與轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比分析。規(guī)程規(guī)定，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓倍數(shù)大于2倍時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電流倍數(shù)為2倍。勵(lì)磁系統(tǒng)允許頂值電流持續(xù)時(shí)間不低于10s。按照與勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電流允許持續(xù)時(shí)間配合，取2 倍勵(lì)磁頂值電流時(shí)動(dòng)作時(shí)間為10.20s來(lái)計(jì)算TDM 值，同時(shí)取返回系數(shù)Kr=0.95，根據(jù)式 （4）分別計(jì)算3條IEEE 特性曲線在不同過(guò)負(fù)荷情況下的動(dòng)作時(shí)間，并與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比，如表2所示。

表2 IEEE曲線與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比表

表2反映出IEEE Extremely Inverse和IEEE Very Inverse 曲 線 在1.46 倍 及 其 以 下、IEEE Moderately Inverse曲線在1.17倍及其以下過(guò)負(fù)荷階段，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間已經(jīng)超出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷能力要求，如圖1所示，此時(shí)機(jī)組過(guò)負(fù)荷運(yùn)行可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子繞組線圈絕緣損壞事故的發(fā)生。

圖1 發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷能力與IEEE特性配合曲線

3.3 IEC特性曲線分析

（1）曲線方程為：

式中：K、E——常數(shù)。

（2）IEC反時(shí)限曲線常數(shù)。IEC反時(shí)限曲線常數(shù)如表3所示。

表3 IEC反時(shí)限曲線常數(shù)

（3）與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比分析。按照與勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電流允許持續(xù)時(shí)間配合，取2倍勵(lì)磁頂值電流時(shí)動(dòng)作時(shí)間為10.20s來(lái)計(jì)算TDM 值，取返回系數(shù)Kr=0.95，根據(jù)式 （5）分別計(jì)算4條IEC特性曲線在不同過(guò)負(fù)荷情況下的動(dòng)作時(shí)間，并與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比，如表4所示。

圖2 發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷能力與IEC特性配合曲線

表4反映出IEC Curve C 曲線在1.46倍及其以下、其他3 條曲線在1.2 倍及其以下過(guò)負(fù)荷階段，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間已經(jīng)超出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷能力要求，如圖2所示，此時(shí)機(jī)組過(guò)負(fù)荷運(yùn)行可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子繞組線圈絕緣損壞的事故發(fā)生。

3.4 IAC特性曲線分析

（1）曲線方程為：

式中：G、H、J、K、L——常數(shù)。

（2）IAC 反時(shí)限曲線常數(shù)。IAC 反時(shí)限曲線常數(shù)如表5所示。

（3）與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比分析。按照與勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電流允許持續(xù)時(shí)間配合，取2倍勵(lì)磁頂值電流時(shí)動(dòng)作時(shí)間為10.20s來(lái)計(jì)算TDM 值，取返回系數(shù)Kr=0.95，根據(jù)式 （6）分別計(jì)算4條IAC特性曲線在不同過(guò)負(fù)荷情況下的動(dòng)作時(shí)間，并與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比如表6所示。

表6反映出只有IAC Inverse曲線在1.17倍及其以下過(guò)負(fù)荷時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間超出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷能力要求，其他3條曲線均滿(mǎn)足與轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷能力曲線配合要求，如圖3 所示。圖中IAC Very Inverse和IAC Short Inverse曲線顯示在機(jī)組過(guò)負(fù)荷初期保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷能力曲線級(jí)差較大，沒(méi)有充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷能力，該區(qū)間機(jī)組過(guò)負(fù)荷運(yùn)行將會(huì)過(guò)早的切除發(fā)電機(jī)組。

表4 IEC曲線與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比表

表5 IAC反時(shí)限曲線常數(shù)

表6 IAC曲線與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力對(duì)比表

圖3 發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷能力與IAC特性配合曲線

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析，GE T35裝置定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定計(jì)算時(shí)返回系數(shù)Kr宜取較大值，即Kr=0.95，這樣能消除過(guò)負(fù)荷保護(hù)死區(qū)，對(duì)保護(hù)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行最有利。

T35轉(zhuǎn)子反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)中有8條特性曲線不滿(mǎn)足與轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力協(xié)調(diào)配合關(guān)系，包括3條IEEE曲線、4 條IEC 曲 線 和4 條IAC Inverse曲線。另外3條IAC 曲線與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力滿(mǎn)足協(xié)調(diào)配合關(guān)系，其中IAC Extreme Inverse特性曲線動(dòng)作時(shí)間與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力曲線級(jí)差始終保持最合理的關(guān)系，是最優(yōu)的協(xié)調(diào)配合關(guān)系曲線。它充分發(fā)揮了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷限制能力，能在全范圍內(nèi)保護(hù)發(fā)電機(jī)組過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全，并留有合理的配合級(jí)差，且有利于下一級(jí)勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)勵(lì)限制保護(hù)定值整定計(jì)算。IAC Extreme Inverse與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷能力配合關(guān)系如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷能力與保護(hù)配合曲線