某電廠發(fā)電機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù)熱容量常數(shù)定值的論證

引言

對于大型發(fā)電機(jī),定子和轉(zhuǎn)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(shí)間常數(shù)也較小[1],發(fā)電機(jī)的相對過負(fù)荷能力較低,較容易因?yàn)檫^負(fù)荷而導(dǎo)致溫度升高,影響機(jī)組正常壽命。針對這種情況,應(yīng)裝設(shè)定子繞組過負(fù)荷保護(hù)。而對于定子繞組過負(fù)荷能力較低(例如低于1.5倍、60s)的發(fā)電機(jī),過負(fù)荷保護(hù)由定時(shí)限和反時(shí)限兩部分構(gòu)成,要求反時(shí)限部分動作特性按發(fā)電機(jī)定子繞組的過負(fù)荷能力確定,動作于停機(jī)。保護(hù)應(yīng)反映電流變化時(shí)定子繞組的熱積累過程[2]。

額定容量在1200MVA及以下的電機(jī),應(yīng)能承受1.5倍的額定定子電流歷時(shí)30s而無損傷。電機(jī)允許的過電流時(shí)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(biāo)幺值,即定子電流與額定定子電流的比值。

應(yīng)允許其他定子過電流和時(shí)間的組合,但其組合下產(chǎn)生的熱量應(yīng)與在額定定子電流時(shí)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)。在上述過電流工況下的定子溫度將超過額定負(fù)載時(shí)的數(shù)值,因此,以每年過電流次數(shù)不超過兩次作為電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件。

1某電廠發(fā)電機(jī)所配置的定子繞組過負(fù)荷保護(hù)

某電廠(以下簡稱"Y廠")為2x660Mw機(jī)組,單臺發(fā)電機(jī)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(chǎn)的RCs-985B發(fā)電機(jī)變壓器組成套保護(hù)裝置,保護(hù)為雙套配置。其定子繞組過負(fù)荷保護(hù)由定時(shí)限和反時(shí)限兩部分構(gòu)成。

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

反時(shí)限定子組過負(fù)荷保護(hù)動作方程如下:

式中,Kszd為發(fā)電機(jī)發(fā)熱時(shí)間常數(shù):Ksrzd為發(fā)電機(jī)散熱效應(yīng)系數(shù):Iezd為發(fā)電機(jī)額定電流二次值。

當(dāng)定子電流超過下限整定值Iszd時(shí),反時(shí)限部分啟動并進(jìn)行累積。反時(shí)限保護(hù)熱積累值大于熱積累定值,則保護(hù)發(fā)出跳閘信號。反時(shí)限保護(hù)模擬發(fā)電機(jī)的發(fā)熱過程,并能夠模擬散熱。

2反時(shí)限定子過負(fù)荷保護(hù)的熱容量系數(shù)定值整定

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

其中,反時(shí)限啟動電流按與定時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)配合的條件整定,反時(shí)限上限延時(shí)則應(yīng)與出線快速保護(hù)動作時(shí)限配合,這兩個(gè)定值的整定方法在《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》(DL/T684一2012,以下簡稱《導(dǎo)則》)中已經(jīng)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(yīng)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(zhǔn)的標(biāo)幺值:Ksr為散熱效應(yīng)系數(shù),《導(dǎo)則》推薦值為1.02~1.05,同時(shí)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(dǎo)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(dǎo)則》對此的描述是:機(jī)組(空冷發(fā)電機(jī)除外),容量sn≤1200MVA時(shí),Ktc=37.5。當(dāng)有制造廠家提供的參數(shù)時(shí),以廠家參數(shù)為準(zhǔn)。

由Y廠汽輪發(fā)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)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(jì)算,1.5倍的額定定子電流時(shí)動作時(shí)間

符合"應(yīng)能承受1.5倍的額定定子電流歷時(shí)30s而無損傷"的規(guī)定。因此,Ktc=37.5在國內(nèi)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(shí)間超越了廠家提供的發(fā)電機(jī)過負(fù)荷能力,當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)過負(fù)荷時(shí)會對發(fā)電機(jī)造成損傷。而發(fā)電機(jī)定子繞組過負(fù)荷保護(hù)作為涉網(wǎng)保護(hù),《國家電網(wǎng)公司網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理規(guī)定》(國網(wǎng)(調(diào)4)457一2014)也對此作出了相應(yīng)規(guī)定:定子電流過負(fù)荷保護(hù)的定值設(shè)置應(yīng)略低于機(jī)組設(shè)計(jì)能力。因此,此動作時(shí)間也不符合《國家電網(wǎng)公司網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理規(guī)定》的相關(guān)要求。

為解決這個(gè)問題,進(jìn)行了兩種計(jì)算論證。

計(jì)算1:根據(jù)式(3),限定1=30s,在Ksr=1.02時(shí)推算Ktc的值,即Ktc=30×(1.52-1.022),可得Ktc=36.28。

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

例1:設(shè)Ktc=36,I*=1.3,依式(3)計(jì)算的保護(hù)動作時(shí)間

而依式(1)計(jì)算的發(fā)電機(jī)允許的過電流時(shí)間

計(jì)算2:Y廠發(fā)變組保護(hù)定值系外委給某專業(yè)定值計(jì)算公司計(jì)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(jì)算書中并沒有對此給出詳細(xì)說明,因此對該值開展了計(jì)算論證。

Ktc=33.1是依據(jù)反時(shí)限啟動電流推算出來的。按照《導(dǎo)則》,反時(shí)限動作特性的下限電流(即反時(shí)限啟動電流)按與定時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)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(shí)限過負(fù)荷保護(hù)定值,Iop按發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)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(jī)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(shí),發(fā)電機(jī)所允許運(yùn)行的時(shí)間。結(jié)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(hù)動作時(shí)間更快,能更好地滿足過電流工況,但存在的問題是當(dāng)I*<1.16時(shí),保護(hù)動作時(shí)間將長于發(fā)電機(jī)允許的過電流時(shí)間。

例2:設(shè)I*=1.15,依據(jù)式(3)保護(hù)動作時(shí)間

117.3s,依據(jù)式(1),發(fā)電機(jī)允許的過電流時(shí)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(hù)裝置本身該定值的整定范圍也是1.02~2.0。但相比較計(jì)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(jī)過電流運(yùn)行的保護(hù)要求,擴(kuò)大了保護(hù)范圍,整定值更加合理。

3結(jié)語

定子繞組過負(fù)荷保護(hù)作為發(fā)電機(jī)保護(hù)的構(gòu)成部分,其定值整定的合理性、正確性直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。通過對定子繞組過負(fù)荷保護(hù)的反時(shí)限部分的定子熱容量系數(shù)定值的計(jì)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(fù)荷曲線的要求,也能與定子電流限制完全配合,更適應(yīng)該大型發(fā)電機(jī)組對過負(fù)荷運(yùn)行的需要。