浅议发电机定子对称过负荷保护

浅议发电机定子对称过负荷保护0前言电力系统安全稳定运行是关系国计民生的世界性问题，历来受到各国政府及电力企业的高度关注。电源和电网是电力系统的有机组成部分，两者对电力系统的安全负有同等的义务和责任，在原有体制下，倚重行政命令的强制力，网源协调较为紧密；网厂分开后，新型、大容量机组大规模接入电网，由于缺乏规范约束，网源协调的安全隐患不容易及时整改，由于网源不协调而导致的安全事件有所增加，随着大型能源基地和大容量特高压交直流输电通道的建成投产，出现类似事件的风险将增加，且后果可能更为严重。发电机定子绕组对称过负荷保护是网源协调的一项重要内容。其定值整定的是否合理对电网的安全稳定有着直接影响。1发电机定子过流能力的要求GB/T7064-2008《隐极同步发电机技术要求》对于汽轮发电机规定如下[4]：额定容量在1200MVA及以下的电机，应能承受1.5倍的额定定子电流历时30s而无损伤。对于额定容量大于1200MVA的电机，应能承受1.5倍的额定定子电流，但允许的过电流时间应由供需双方商定，可以小于30s；随着容量增加过电流时间可减小，但最小为15s。容量在1200MVA及以下，电机允许的过电流时间与过电流倍数以下式表示：2*137.5Its（式1）式中：I*为发电机定子过电流的标幺值，单位pu；t为过电流持续时间，单位为s。注：在上述过电流工况下的定子温度将超过额定负载时的数值，电机结构设计以每年过电流次数不超过2次为依据。2发电机定子对称过负荷保护的分析2.1导则推荐的定子对称过负荷保护整定对于发电机因过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流，装设定子绕组对称过负荷保护，通常由定时限过负荷及反时限过电流两部分组成。反时限过电流保护的动作特性，即过电流倍数与相应的允许持续时间的关系，由制造厂家提供的定子绕组允许的过负荷能力确定。发电机定子绕组允许的短时过电流倍数与允许持续时间的关系为：22*tcsrKtIK（式2）式中：Ktc为定子绕组热容量常数，单位为s；Ksr为散热系数，一般取1.02～1.05。机组（空冷发电机除外）容量Sn≤1200MVA时，Ktc=37.5。2.2定子对称过负荷保护整定存在的问题以上可知，在发电机定子过流反时限保护的计算中，按照导则2012取定子绕组热容量常数Ktc=37.5，则定子对称过负荷保护动作时间t1大于国标要求的定子过流允许时间t2。这样，发电机过流保护动作时间大于发电机的定子过流允许时间。即12222**37.537.51srttIKI（Ksr1）恒成立。由此可见，僵化地按照导则2012推荐公式整定的发电机定子反时限过电流保护不能起到保护汽轮发电机的作用。2.3定子对称过负荷保护与过流能力的配合汽轮发电机制造厂家除非有特别说明，其生产的汽轮发电机定子过流能力一定满足GB/T7064-2008《隐极同步发电机技术要求》的规定。由于发电机定子反时限过电流保护的散热系数Ktc一般取为1.02～1.05，那么发电机定子反时限过电流保护的定子绕组热容量常数Ktc的值必须小于37.5。Ktc的取值有两种方案可以供大家斟酌。方案一：根据额定容量在1200MVA及以下的发电机，应能承受1.5Ign（发电机额定电流）、历时30s的过电流的要求，按照式2计算出定子绕组热容量常数Ktc的值。即有：22301.5tcsrKK（式3）由式3得到的定子绕组热容量常数Ktc的值介于36.288和34.425之间。此时，定子电流在1.5Ign以上时转子过流保护动作时间t2小于发电机过流允许时间t1；定子电流在1.5Ign及以下时转子过流保护动作时间t2大于货等于发电机过流允许时间t1，并不是完全配合。即有：21*222**21*222**37.537.51.5137.537.51.51srsrttIIKIttIIKI方案二：按照反时限过电流保护下限动作电流Iop.min时，过流动作时间t1不超过此时发电机过流允许时间t2进行整定。根据导则2012，过流下限标幺值：.min*1.051.051.160.95relopcorKIKK式中：Kco为配合系数；Krel为可靠系数；Kr为返回系数；Iop.min*为反时限过电流保护下限动作电流以定子额定电流为基准的标幺值，单位为pu。此时，发电机过流允许时间t1：122.min*37.5108.511.161opKtsI此时，按照式3计算出定子绕组热容量常数Ktc：22108.51.16tcsrKK（式4）由式4得到的定子绕组热容量常数Ktc的值介于33.114和26.376之间。为了保证反时限过流保护动作时间一定不超过发电机过流的允许能力，对应散热系数Ksr=1.02时，取Ktc=33.1；Ksr=1.05时，取Ktc=26.3。以上分析可知，方案二的反时限过流保护能够做到动作时间均小于发电机过流允许时间，保护定值优于方案一。笔者推荐发电机过流反时限保护按照方案二进行整定。由式1和式3分别计算出的发电机允许过流时间t1、反时限保护动作时间t2（导则推荐值，Ksr=1.02，Ktc=37.5）、反时限保护动作时间t3（Ksr=1.02，Ktc=33.0）发电机过流允许时间t1、定子对称过负荷保护动作时间t3和定子限制动作时间t4见表1。表1发电机过流保护与过流允许时间数据表I*/（pu）t1/（s）t2/（s）t3/（s）1.16108.5122.9108.11.3054.357.750.81.5030.031.027.31.9014.414.612.82.308.78.87.82.706.06.05.33.503.33.32.94.501.92.01.7根据表1的数据，绘制出发电机定子过流允许曲线、发电机定子对称过负荷保护导则推荐曲线和优化后的发电机定子对称过负荷保护曲线的对比情况如图1所示。横坐标轴为电流标幺值I*，纵坐标轴为时间t（s）。图1发电机过流保护与过流允许曲线对比图从表1可以看出按照导则2012推荐整定的定子对称过负荷保护动作时间完全超出了国标要求的发电机定子过流允许时间；优化后的定子过流反时限保护动作时间均小于国标要求的发电机定子过流允许时间。表1所列的时间均满足t3＜t1，优化后的定子对称过负荷保护反时限部分动作特性的选取正确。3结束语电源作为电力系统中最重要的动态元件，不仅承担电力生产任务，在电力系统安全稳定运行中还发挥着基础性、关键性的作用。当电力系统遭受故障时，电源应积极发挥其应有的电压、频率支撑作用，与电网控制措施相协调，保障电力系统安全稳定运行。定子对称过负荷保护应在电机厂给定（或国标要求）的发电机定子过流能力范围内。基于上文分析，笔者认为：a)发电机定子过流反时限保护不能机械地按照导则2012的规定进行计算。b)为保证涉网保护与电网保护相协调，需实际校核相关保护与电网保护的定值。