調相機勵磁限制器與調變組保護配合探討

引言

調相機，一種既可以發出無功（也稱“吐無功”），也可以吸收無功（也稱“吞無功”）的同步電機，它可以增加系統的短路容量和轉動慣量，受系統電壓和不對稱短路影響小，在系統暫態、動態過程中的調節性能好，其動態無功輸出能力可達額定容量的2倍以上，同時具備深度進相能力，可以有效解決無功支撐不足、系統電壓多變等系統性問題[1-2]。目前，已有大批量新一代300 Mvar、分布式50 Mvar調相機得到應用，它們在換流站、變電站、新能源區發揮著電網穩定器的作用。未來，發展以新能源為主體的新型電力系統成為主旋律，調相機在提供無功支撐、抑制過電壓、維持系統穩定方面將發揮更大的作用。

調相機的功能發揮很大程度上取決于二次控制、保護系統工作情況，調相機暫態調節、吞吐容量和安全運行邊界受勵磁系統和調相機變壓器組保護（以下簡稱“調變組保護”）制約，如何在保證調相機充分發揮自身能力的同時，保障調相機安全，成為調相機應用實踐的焦點，其中調相機勵磁限制器與調變組保護的配合尤為重要。本文將以國內一線調相機廠家生產的300 Mvar調相機和國內一線勵磁廠家生產的PCS9410系列勵磁調節器為例，詳細介紹調相機勵磁裝置限制器與調變組保護在關鍵定值上的整定與配合。

1 勵磁限制器與調變組保護配合要求

1.1

調相機勵磁限制器

調相機勵磁限制器用于在調相機運行至接近安全邊界時，觸發限制器動作后將調相機往回拉，控制調相機運行回安全范圍。調相機勵磁限制器主要有無功功率低勵限制、磁場過流過熱限制、滯相定子電流限制、伏赫茲限制[3-4]。

1.2

調變組保護

調變組保護用于調相機運行至超出安全邊界時，觸發保護動作后跳機和解列。由于保護動作后作用于跳機和解列，對系統安全運行的影響較大，故除去與運行工況無關的本體故障和系統故障外，在調相機暫態和穩態運行中，與勵磁系統控制相關的保護均需與勵磁限制器形成配合，主要包含調相機失磁保護、勵磁繞組過負荷保護、調相機定子過負荷保護、調相機過勵磁保護。

1.3

配合原則

要保障調相機安全，需提前整定調變組保護的定值，確定安全運行邊界。一般根據調相機的管理和調度權限，由管理單位整定、管理和維護調變組定值。在保障調相機安全的前提下，要充分發揮調相機的調節能力和吞吐能力，起到穩定器的作用，則需要勵磁限制器在調相機接近安全邊界時早于調變組保護動作，將調相機限制回安全范圍。故勵磁限制器與調變組保護配合的原則大致為：

（1）被監視的模擬量一致、工況接近、功能原理相近、整定原則類似的勵磁限制器和調變組保護進行配合，對應關系為：無功功率低勵限制與調相機失磁保護，磁場過流過熱限制與勵磁繞組過負荷保護，滯相定子電流限制與調相機定子過負荷保護，伏赫茲限制與調相機過勵磁保護。

（2）勵磁限制器的啟動值和動作值小于對應的保護，限制器的動作時間小于對應的保護，保證勵磁限制器先于調變組保護動作，即勵磁限制器的動作曲線要小于調變組保護。

2 勵磁限制器與調變組保護配合整定

2.1

無功功率低勵限制調相機失磁保護

無功功率低勵限制用于限制調相機無功功率不低于整定值，防止調相機進入深度進相的非安全狀態，主要定值包含“無功功率低勵限值”和“無功低勵動作時間”。勵磁調節器實時監測調相機無功功率，當無功功率小于“無功功率低勵限值”且持續時間達到“無功低勵動作時間”，則無功功率低勵限制動作，將調相機無功功率限制回整定值以上。

調相機失磁保護反映調相機勵磁回路異常引起的調相機異常運行，與勵磁無功功率低勵限制一樣，重點監視調相機的無功功率進相運行情況，當調相機無功降低到接近不安全區域時，無功功率低勵限制器先動作，將調相機無功功率限制回安全范圍。如果限制器動作后異常工況繼續發展至保護動作值后，調變組保護再動作跳閘。

為發揮調相機具備的深度進相能力，調相機失磁保護只投入失磁Ⅱ段，需要與勵磁限制器配合的是逆無功功率判據，主要定值包含“逆無功功率Ⅱ段百分比”和“失磁Ⅱ段動作時間”，其中“失磁Ⅱ段動作時間”固定整定為2 s。

參照文獻[5]要求，300 Mvar調相機進相運行額定功率為-150 Mvar（即50%），故“無功功率低勵限值”應小于-150 Mvar。根據配合原則，勵磁限制器動作值應小于調變組保護，故“無功功率低勵限值”應小于-150 Mvar且大于“逆無功功率Ⅱ段百分比”對應的無功功率值。根據文獻[6]，“逆無功功率Ⅱ段百分比”取為調相機進相運行額定功率的1.1～1.2倍，一般取1.1倍，即55%，則對應的無功功率值為-165 Mvar，故“無功功率低勵限值”應整定在-150～165 Mvar，一般整定為-155 Mvar。根據配合原則，勵磁限制器動作時間應小于調變組保護，故“無功低勵動作時間”應小于2 s，考慮需要發揮調相機深度進相能力和抑制系統過電壓能力，一般整定為0.5 s。

2.2

磁場過流過熱限制與勵磁繞組過負荷保護

磁場過流過熱限制是用于調相機勵磁電流超過其最大長期連續運行電流時對勵磁電流的限制，防止長時間過流導致過熱，損壞調相機勵磁繞組。勵磁繞組發熱與勵磁電流二次方和持續時間的乘積成正比關系，即勵磁電流及其允許運行時間成反時限特性曲線，如圖1所示。

當調相機勵磁電流超過啟動值時，熱容量計算方法如下：

式中：if為調相機實際勵磁電流值；ifN為調相機額定勵磁電流值；t為熱積累持續時間；C為熱容量。

調變組的勵磁繞組過負荷保護反映勵磁繞組的平均發熱狀況，熱積累原理與磁場過流過熱限制相同。故配合原則為磁場過流過熱限制的啟動值和熱容量均應小于勵磁繞組過負荷保護，涉及定值為勵磁限制“強勵限制啟動定值”應小于保護“勵磁反時限啟動電流”，勵磁限制“磁場熱容計算電流”和“磁場熱容計算時間”對應的熱容量應小于保護的“勵磁繞組熱容量”。

參照文獻[5]要求，勵磁系統在1.1倍額定勵磁電流工況下長期運行，故勵磁限制器啟動值應不小于110%。同時，文獻[6]規定，保護啟動值應根據調相機廠家實際過負荷曲線，按照調相機長期允許的勵磁過負荷能可靠返回的條件整定，故一般情況下，調變組勵磁反時限保護啟動值整定為114%，勵磁限制器啟動值應小于調變組保護啟動值，故參照火電機組整定原則[3]，強勵限制啟動定值一般取110%。文獻[5]規定，300 Mvar調相機勵磁繞組能夠耐受2.5倍額定勵磁電流，時間15 s，根據式（1）得出對應熱容量為：

一般地，調變組勵磁反時限過流保護設置熱容量為78.75，考慮調變組保護與勵磁限制的配合，即勵磁限制器要先于調變組保護動作，所以勵磁熱容量取值小于調變組保護，一般取為0.9×78.75，即70.875。勵磁熱容量計算由“磁場熱容計算電流”“磁場熱容計算時間”決定，其中“磁場熱容計算電流”固定取值為200%，根據式（1），可計算出“磁場熱容計算時間”為：

故“磁場熱容計算電流”整定為200%，“磁場熱容計算時間”整定為23.63 s。

2.3

滯相定子電流限制與調相機定子過負荷保護

滯相定子電流限制是用于調相機定子電流超過其最大長期連續運行電流時，對定子電流的限制，防止長時間過流導致過熱，損壞調相機定子繞組。滯相定子電流限制與磁場過流過熱限制一樣，隨發電機定子電流增加，動作時間反時限減少，其熱容量計算方法如下：

式中：it為調相機實際定子電流值；itN為調相機額定定子電流值；t為熱積累持續時間；C為熱容量。

調變組的定子過負荷保護熱積累原理與滯相定子電流限制相同。故配合原則為滯相定子過流限制的啟動值和熱容量均應小于調相機定子過負荷保護，涉及定值為勵磁限制“定子過流啟動電流”應小于保護“定子反時限啟動電流”，勵磁限制“定子熱容計算電流”和“定子熱容計算時間”對應的熱容量應小于保護的“定子繞組熱容量系數”。

以華中地區300 Mvar調相機為例，調變組定子反時限保護啟動值整定為110%，勵磁限制器啟動值應小于調變組保護啟動值，故定子過流啟動電流一般取109%，即整定為9.439 kA。文獻[5]規定，300 Mvar調相機定子繞組能夠耐受3.5倍額定定子電流，時間15 s，根據式（2）得出對應熱容量為：

一般地，調變組定子反時限過流保護設置熱容量為168.75，考慮調變組保護與勵磁限制的配合，即勵磁限制器要先于調變組保護動作，所以勵磁限制器的定子熱容量取值小于調變組保護，一般取為0.9×168.75，即151.875。勵磁定子熱容量計算由“定子熱容計算電流”“定子熱容計算時間”決定，其中“定子熱容計算電流”固定取值160%，根據式（2），可計算出“定子熱容計算時間”為：

故“定子熱容計算電流”整定為13.856 kA（160%），“定子熱容計算時間”整定為97.36 s。

2.4

伏赫茲限制與調相機過勵磁保護

當伏赫茲比值超過安全范圍時，容易導致調相機及主變過激磁和過熱現象，因此當伏赫茲比值超出安全范圍時，必須限制機端電壓幅值，維持伏赫茲比值在安全范圍內。伏赫茲（V/F）限制動作時間隨伏赫茲過激磁倍數增加而減小，呈反時限動作曲線，其動作時間曲線由多點時間定值（按伏赫茲比值等距分布）組成。

調相機過勵磁保護的動作原理和伏赫茲限制相同，故配合原則為相同的伏赫茲倍數下，伏赫茲限制動作時間要小于調相機過勵磁保護，即勵磁伏赫茲限制器多點組成的動作曲線應小于調變組保護過激磁保護多點組成的曲線。

以典型300 Mvar雙水內冷調相機為例，其過勵磁保護和伏赫茲限制定值如表1所示。

由于每兩點之間的動作關系為線性直線，故可計算出伏赫茲限制在保護動作點對應的動作時間，以便進行直觀比較，如表2所示。

通過表1、表2數據對比可見，相同伏赫茲倍數下，伏赫茲限制器動作時間均小于過勵磁保護。另通過表1定值數據畫出伏赫茲限制和過勵磁保護對應的動作曲線，如圖2所示。

由圖2可見，伏赫茲限制器的動作曲線整體小于過勵磁保護動作曲線，即相同伏赫茲倍數下，伏赫茲限制先于保護動作，定值匹配。

3 結語

在以新能源為主體的新型電力系統中，調相機將發揮越來越大的作用，而勵磁和保護定值的合理整定和配合，將決定調相機的功能能否充分發揮。在未來電網發展和應用過程中，調變組保護的定值會根據系統需要進行修改，對應地，勵磁限制器定值也要根據配合原則進行修改，以確保調相機在安全范圍內充分發揮其在暫態、穩態等多種工況下的無功支撐功能和過電壓抑制功能。

審核編輯：劉清