调相机励磁限制器与调变组保护配合探讨

引言
调相机，一种既可以发出无功（也称“吐无功”），也可以吸收无功（也称“吞无功”）的同步电机，它可以增加系统的短路容量和转动惯量，受系统电压和不对称短路影响小，在系统暂态、动态过程中的调节性能好，其动态无功输出能力可达额定容量的2倍以上，同时具备深度进相能力，可以有效解决无功支撑不足、系统电压多变等系统性问题[1-2]。目前，已有大批量新一代300 Mvar、分布式50 Mvar调相机得到应用，它们在换流站、变电站、新能源区发挥着电网稳定器的作用。未来，发展以新能源为主体的新型电力系统成为主旋律，调相机在提供无功支撑、抑制过电压、维持系统稳定方面将发挥更大的作用。
调相机的功能发挥很大程度上取决于二次控制、保护系统工作情况，调相机暂态调节、吞吐容量和安全运行边界受励磁系统和调相机变压器组保护（以下简称“调变组保护”）制约，如何在保证调相机充分发挥自身能力的同时，保障调相机安全，成为调相机应用实践的焦点，其中调相机励磁限制器与调变组保护的配合尤为重要。本文将以国内一线调相机厂家生产的300 Mvar调相机和国内一线励磁厂家生产的PCS9410系列励磁调节器为例，详细介绍调相机励磁装置限制器与调变组保护在关键定值上的整定与配合。
1 励磁限制器与调变组保护配合要求
1.1
调相机励磁限制器
调相机励磁限制器用于在调相机运行至接近安全边界时，触发限制器动作后将调相机往回拉，控制调相机运行回安全范围。调相机励磁限制器主要有无功功率低励限制、磁场过流过热限制、滞相定子电流限制、伏赫兹限制[3-4]。
1.2
调变组保护
调变组保护用于调相机运行至超出安全边界时，触发保护动作后跳机和解列。由于保护动作后作用于跳机和解列，对系统安全运行的影响较大，故除去与运行工况无关的本体故障和系统故障外，在调相机暂态和稳态运行中，与励磁系统控制相关的保护均需与励磁限制器形成配合，主要包含调相机失磁保护、励磁绕组过负荷保护、调相机定子过负荷保护、调相机过励磁保护。
1.3
配合原则
要保障调相机安全，需提前整定调变组保护的定值，确定安全运行边界。一般根据调相机的管理和调度权限，由管理单位整定、管理和维护调变组定值。在保障调相机安全的前提下，要充分发挥调相机的调节能力和吞吐能力，起到稳定器的作用，则需要励磁限制器在调相机接近安全边界时早于调变组保护动作，将调相机限制回安全范围。故励磁限制器与调变组保护配合的原则大致为>
（1）被监视的模拟量一致、工况接近、功能原理相近、整定原则类似的励磁限制器和调变组保护进行配合，对应关系为：无功功率低励限制与调相机失磁保护，磁场过流过热限制与励磁绕组过负荷保护，滞相定子电流限制与调相机定子过负荷保护，伏赫兹限制与调相机过励磁保护。
（2）励磁限制器的启动值和动作值小于对应的保护，限制器的动作时间小于对应的保护，保证励磁限制器先于调变组保护动作，即励磁限制器的动作曲线要小于调变组保护。
2 励磁限制器与调变组保护配合整定
2.1
无功功率低励限制调相机失磁保护
无功功率低励限制用于限制调相机无功功率不低于整定值，防止调相机进入深度进相的非安全状态，主要定值包含“无功功率低励限值”和“无功低励动作时间”。励磁调节器实时监测调相机无功功率，当无功功率小于“无功功率低励限值”且持续时间达到“无功低励动作时间”，则无功功率低励限制动作，将调相机无功功率限制回整定值以上。
调相机失磁保护反映调相机励磁回路异常引起的调相机异常运行，与励磁无功功率低励限制一样，重点监视调相机的无功功率进相运行情况，当调相机无功降低到接近不安全区域时，无功功率低励限制器先动作，将调相机无功功率限制回安全范围。如果限制器动作后异常工况继续发展至保护动作值后，调变组保护再动作跳闸。
为发挥调相机具备的深度进相能力，调相机失磁保护只投入失磁Ⅱ段，需要与励磁限制器配合的是逆无功功率判据，主要定值包含“逆无功功率Ⅱ段百分比”和“失磁Ⅱ段动作时间”，其中“失磁Ⅱ段动作时间”固定整定为2 s。
参照文献[5]要求，300 Mvar调相机进相运行额定功率为-150 Mvar（即50%），故“无功功率低励限值”应小于-150 Mvar。根据配合原则，励磁限制器动作值应小于调变组保护，故“无功功率低励限值”应小于-150 Mvar且大于“逆无功功率Ⅱ段百分比”对应的无功功率值。根据文献[6]，“逆无功功率Ⅱ段百分比”取为调相机进相运行额定功率的1.1～1.2倍，一般取1.1倍，即55%，则对应的无功功率值为-165 Mvar，故“无功功率低励限值”应整定在-150～165 Mvar，一般整定为-155 Mvar。根据配合原则，励磁限制器动作时间应小于调变组保护，故“无功低励动作时间”应小于2 s，考虑需要发挥调相机深度进相能力和抑制系统过电压能力，一般整定为0.5 s。
2.2
磁场过流过热限制与励磁绕组过负荷保护
磁场过流过热限制是用于调相机励磁电流超过其最大长期连续运行电流时对励磁电流的限制，防止长时间过流导致过热，损坏调相机励磁绕组。励磁绕组发热与励磁电流二次方和持续时间的乘积成正比关系，即励磁电流及其允许运行时间成反时限特性曲线，如图1所示。

当调相机励磁电流超过启动值时，热容量计算方法如下>

式中：if为调相机实际励磁电流值；ifN为调相机额定励磁电流值；t为热积累持续时间；C为热容量。
调变组的励磁绕组过负荷保护反映励磁绕组的平均发热状况，热积累原理与磁场过流过热限制相同。故配合原则为磁场过流过热限制的启动值和热容量均应小于励磁绕组过负荷保护，涉及定值为励磁限制“强励限制启动定值”应小于保护“励磁反时限启动电流”，励磁限制“磁场热容计算电流”和“磁场热容计算时间”对应的热容量应小于保护的“励磁绕组热容量”。
参照文献[5]要求，励磁系统在1.1倍额定励磁电流工况下长期运行，故励磁限制器启动值应不小于110%。同时，文献[6]规定，保护启动值应根据调相机厂家实际过负荷曲线，按照调相机长期允许的励磁过负荷能可靠返回的条件整定，故一般情况下，调变组励磁反时限保护启动值整定为114%，励磁限制器启动值应小于调变组保护启动值，故参照火电机组整定原则[3]，强励限制启动定值一般取110%。文献[5]规定，300 Mvar调相机励磁绕组能够耐受2.5倍额定励磁电流，时间15 s，根据式（1）得出对应热容量为>

一般地，调变组励磁反时限过流保护设置热容量为78.75，考虑调变组保护与励磁限制的配合，即励磁限制器要先于调变组保护动作，所以励磁热容量取值小于调变组保护，一般取为0.9×78.75，即70.875。励磁热容量计算由“磁场热容计算电流”“磁场热容计算时间”决定，其中“磁场热容计算电流”固定取值为200%，根据式（1），可计算出“磁场热容计算时间”为>

故“磁场热容计算电流”整定为200%，“磁场热容计算时间”整定为23.63 s。
2.3
滞相定子电流限制与调相机定子过负荷保护
滞相定子电流限制是用于调相机定子电流超过其最大长期连续运行电流时，对定子电流的限制，防止长时间过流导致过热，损坏调相机定子绕组。滞相定子电流限制与磁场过流过热限制一样，随发电机定子电流增加，动作时间反时限减少，其热容量计算方法如下>

式中：it为调相机实际定子电流值；itN为调相机额定定子电流值；t为热积累持续时间；C为热容量。
调变组的定子过负荷保护热积累原理与滞相定子电流限制相同。故配合原则为滞相定子过流限制的启动值和热容量均应小于调相机定子过负荷保护，涉及定值为励磁限制“定子过流启动电流”应小于保护“定子反时限启动电流”，励磁限制“定子热容计算电流”和“定子热容计算时间”对应的热容量应小于保护的“定子绕组热容量系数”。
以华中地区300 Mvar调相机为例，调变组定子反时限保护启动值整定为110%，励磁限制器启动值应小于调变组保护启动值，故定子过流启动电流一般取109%，即整定为9.439 kA。文献[5]规定，300 Mvar调相机定子绕组能够耐受3.5倍额定定子电流，时间15 s，根据式（2）得出对应热容量为>

一般地，调变组定子反时限过流保护设置热容量为168.75，考虑调变组保护与励磁限制的配合，即励磁限制器要先于调变组保护动作，所以励磁限制器的定子热容量取值小于调变组保护，一般取为0.9×168.75，即151.875。励磁定子热容量计算由“定子热容计算电流”“定子热容计算时间”决定，其中“定子热容计算电流”固定取值160%，根据式（2），可计算出“定子热容计算时间”为>

故“定子热容计算电流”整定为13.856 kA（160%），“定子热容计算时间”整定为97.36 s。
2.4
伏赫兹限制与调相机过励磁保护
当伏赫兹比值超过安全范围时，容易导致调相机及主变过激磁和过热现象，因此当伏赫兹比值超出安全范围时，必须限制机端电压幅值，维持伏赫兹比值在安全范围内。伏赫兹（V/F）限制动作时间随伏赫兹过激磁倍数增加而减小，呈反时限动作曲线，其动作时间曲线由多点时间定值（按伏赫兹比值等距分布）组成。
调相机过励磁保护的动作原理和伏赫兹限制相同，故配合原则为相同的伏赫兹倍数下，伏赫兹限制动作时间要小于调相机过励磁保护，即励磁伏赫兹限制器多点组成的动作曲线应小于调变组保护过激磁保护多点组成的曲线。
以典型300 Mvar双水内冷调相机为例，其过励磁保护和伏赫兹限制定值如表1所示。

由于每两点之间的动作关系为线性直线，故可计算出伏赫兹限制在保护动作点对应的动作时间，以便进行直观比较，如表2所示。

通过表1、表2数据对比可见，相同伏赫兹倍数下，伏赫兹限制器动作时间均小于过励磁保护。另通过表1定值数据画出伏赫兹限制和过励磁保护对应的动作曲线，如图2所示。

由图2可见，伏赫兹限制器的动作曲线整体小于过励磁保护动作曲线，即相同伏赫兹倍数下，伏赫兹限制先于保护动作，定值匹配。
3 结语
在以新能源为主体的新型电力系统中，调相机将发挥越来越大的作用，而励磁和保护定值的合理整定和配合，将决定调相机的功能能否充分发挥。在未来电网发展和应用过程中，调变组保护的定值会根据系统需要进行修改，对应地，励磁限制器定值也要根据配合原则进行修改，以确保调相机在安全范围内充分发挥其在暂态、稳态等多种工况下的无功支撑功能和过电压抑制功能。