引言

對于大型發(fā)電機,定子和轉子的材料利用率很高,其熱容量與銅損的比值較小,因而熱時間常數(shù)也較小[1],發(fā)電機的相對過負荷能力較低,較容易因為過負荷而導致溫度升高,影響機組正常壽命。針對這種情況,應裝設定子繞組過負荷保護。而對于定子繞組過負荷能力較低(例如低于1.5倍、60s)的發(fā)電機,過負荷保護由定時限和反時限兩部分構成,要求反時限部分動作特性按發(fā)電機定子繞組的過負荷能力確定,動作于停機。保護應反映電流變化時定子繞組的熱積累過程[2]。

額定容量在1200MVA及以下的電機,應能承受1.5倍的額定定子電流歷時30s而無損傷。電機允許的過電流時間與過電流倍數(shù)可以用下式表示:

式中,i是定子電流的標幺值,即定子電流與額定定子電流的比值。

應允許其他定子過電流和時間的組合,但其組合下產生的熱量應與在額定定子電流時產生的熱量相當。在上述過電流工況下的定子溫度將超過額定負載時的數(shù)值,因此,以每年過電流次數(shù)不超過兩次作為電機結構設計條件。

1某電廠發(fā)電機所配置的定子繞組過負荷保護

某電廠(以下簡稱"Y廠")為2x660Mw機組,單臺發(fā)電機容量為733.33MVA,功率因數(shù)cosφ=0.9,額定電壓22kV,額定電流19245A。采用南瑞繼保生產的RCs-985B發(fā)電機變壓器組成套保護裝置,保護為雙套配置。其定子繞組過負荷保護由定時限和反時限兩部分構成。

反時限定子繞組過負荷保護由三部分組成:(1)下限啟動:(2)反時限部分:(3)上限定時限部分。

反時限定子組過負荷保護動作方程如下:

式中,Kszd為發(fā)電機發(fā)熱時間常數(shù):Ksrzd為發(fā)電機散熱效應系數(shù):Iezd為發(fā)電機額定電流二次值。

當定子電流超過下限整定值Iszd時,反時限部分啟動并進行累積。反時限保護熱積累值大于熱積累定值,則保護發(fā)出跳閘信號。反時限保護模擬發(fā)電機的發(fā)熱過程,并能夠模擬散熱。

2反時限定子過負荷保護的熱容量系數(shù)定值整定

RCs-985B型發(fā)變組保護裝置的定子繞組過負荷保護的反時限部分需要整定的定值有:(1)反時限啟動電流:(2)反時限上限延時:(3)定子繞組過負荷熱容量系數(shù):(4)散熱效應系數(shù)。

其中,反時限啟動電流按與定時限過負荷保護配合的條件整定,反時限上限延時則應與出線快速保護動作時限配合,這兩個定值的整定方法在《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》(DL/T684一2012,以下簡稱《導則》)中已經有明確規(guī)定,此處不再贅述。

而定子繞組熱容量系數(shù)和散熱效應系數(shù)的整定,首先可由式(2)得:

式中,I*為以定子額定電流為基準的標幺值:Ksr為散熱效應系數(shù),《導則》推薦值為1.02~1.05,同時按照RCs-985B說明書,Ksr建議取值在1.02~1.05之間,以防止多次區(qū)外故障導致熱積累不能散掉。

Y廠整定Ksr=1.02。

那么,定子繞組熱容量系數(shù)Ktc(即Kszd)該如何整定?

《導則》對此的描述是:機組(空冷發(fā)電機除外),容量sn≤1200MVA時,Ktc=37.5。當有制造廠家提供的參數(shù)時,以廠家參數(shù)為準。

由Y廠汽輪發(fā)電機技術數(shù)據匯總表可查得定子繞組熱容量系數(shù)給值37.5。此值通過式(1)計算,1.5倍的額定定子電流時動作時間

符合"應能承受1.5倍的額定定子電流歷時30s而無損傷"的規(guī)定。因此,Ktc=37.5在國內其他很多電廠被普遍采用。

但Y廠整定Ksr=1.02,將Ktc=37.5代入式(3),

此動作時間超越了廠家提供的發(fā)電機過負荷能力,當發(fā)生發(fā)電機過負荷時會對發(fā)電機造成損傷。而發(fā)電機定子繞組過負荷保護作為涉網保護,《國家電網公司網源協(xié)調管理規(guī)定》(國網(調4)457一2014)也對此作出了相應規(guī)定:定子電流過負荷保護的定值設置應略低于機組設計能力。因此,此動作時間也不符合《國家電網公司網源協(xié)調管理規(guī)定》的相關要求。

為解決這個問題,進行了兩種計算論證。

計算1:根據式(3),限定1=30s,在Ksr=1.02時推算Ktc的值,即Ktc=30×(1.52-1.022),可得Ktc=36.28。

但這種計算存在的問題是不能滿足全部過電流工況,當I*<1.5時,保護動作時間將長于發(fā)電機允許的過電流時間。

例1:設Ktc=36,I*=1.3,依式(3)計算的保護動作時間

而依式(1)計算的發(fā)電機允許的過電流時間

計算2:Y廠發(fā)變組保護定值系外委給某專業(yè)定值計算公司計算。在該公司遞交的最終定值單里,整定Ktc=33.1。此整定值是否更合理?由于定值計算書中并沒有對此給出詳細說明,因此對該值開展了計算論證。

Ktc=33.1是依據反時限啟動電流推算出來的。按照《導則》,反時限動作特性的下限電流(即反時限啟動電流)按與定時限過負荷保護配合的的原則整定,即:

式中,Kco是配合系數(shù),取1.05:Iop是定時限過負荷保護定值,Iop按發(fā)電機長期允許的負荷電流下能可靠返回的條件整定,即

其中,Krel為可靠系數(shù),取1.05,Kr為返回系數(shù),取0.95,Ie為發(fā)電機額定電流(二次值)。

代入式(4),可得

將Iop.min=1.16Ie代入式(3),可得

1=108.5s即在1.16倍額定電流時,發(fā)電機所允許運行的時間。結合Y廠的定值,Ksr=1.02,可以得出Ktc=108.5×(1.162-1.022)≈33.1。

相比較例1,這種整定保護動作時間更快,能更好地滿足過電流工況,但存在的問題是當I*<1.16時,保護動作時間將長于發(fā)電機允許的過電流時間。

例2:設I*=1.15,依據式(3)保護動作時間

117.3s,依據式(1),發(fā)電機允許的過電流時間

存在這種問題的原因是必須整定Ksr=1.02,除了廠家提出的防止熱積累不能散掉的原因外,保護裝置本身該定值的整定范圍也是1.02~2.0。但相比較計算1而言,整定Ktc=33.1滿足了1.16<I*<1.5區(qū)間工況對發(fā)電機過電流運行的保護要求,擴大了保護范圍,整定值更加合理。

3結語

定子繞組過負荷保護作為發(fā)電機保護的構成部分,其定值整定的合理性、正確性直接關系到發(fā)電機的穩(wěn)定安全運行。通過對定子繞組過負荷保護的反時限部分的定子熱容量系數(shù)定值的計算和論證,得出其整定值Ktc=33.1能夠更好地滿足定子繞組過負荷曲線的要求,也能與定子電流限制完全配合,更適應該大型發(fā)電機組對過負荷運行的需要。