某电厂发电机定子过负荷保护热容量常数定值的论证

引言

对于大型发电机,定子和转子的材料利用率很高,其热容量与铜损的比值较小,因而热时间常数也较小[1],发电机的相对过负荷能力较低,较容易因为过负荷而导致温度升高,影响机组正常寿命。针对这种情况,应装设定子绕组过负荷保护。而对于定子绕组过负荷能力较低(例如低于1.5倍、60s)的发电机,过负荷保护由定时限和反时限两部分构成,要求反时限部分动作特性按发电机定子绕组的过负荷能力确定,动作于停机。保护应反映电流变化时定子绕组的热积累过程[2]。

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。电机允许的过电流时间与过电流倍数可以用下式表示:

式中,i是定子电流的标幺值,即定子电流与额定定子电流的比值。

应允许其他定子过电流和时间的组合,但其组合下产生的热量应与在额定定子电流时产生的热量相当。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,因此,以每年过电流次数不超过两次作为电机结构设计条件。

1某电厂发电机所配置的定子绕组过负荷保护

某电厂(以下简称"Y厂")为2x660Mw机组,单台发电机容量为733.33MVA,功率因数cosφ=0.9,额定电压22kV,额定电流19245A。采用南瑞继保生产的RCs-985B发电机变压器组成套保护装置,保护为双套配置。其定子绕组过负荷保护由定时限和反时限两部分构成。

反时限定子绕组过负荷保护由三部分组成:(1)下限启动:(2)反时限部分:(3)上限定时限部分。

反时限定子组过负荷保护动作方程如下:

式中,Kszd为发电机发热时间常数:Ksrzd为发电机散热效应系数:Iezd为发电机额定电流二次值。

当定子电流超过下限整定值Iszd时,反时限部分启动并进行累积。反时限保护热积累值大于热积累定值,则保护发出跳闸信号。反时限保护模拟发电机的发热过程,并能够模拟散热。

2反时限定子过负荷保护的热容量系数定值整定

RCs-985B型发变组保护装置的定子绕组过负荷保护的反时限部分需要整定的定值有:(1)反时限启动电流:(2)反时限上限延时:(3)定子绕组过负荷热容量系数:(4)散热效应系数。

其中,反时限启动电流按与定时限过负荷保护配合的条件整定,反时限上限延时则应与出线快速保护动作时限配合,这两个定值的整定方法在《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》(DL/T684一2012,以下简称《导则》)中已经有明确规定,此处不再赘述。

而定子绕组热容量系数和散热效应系数的整定,首先可由式(2)得:

式中,I*为以定子额定电流为基准的标幺值:Ksr为散热效应系数,《导则》推荐值为1.02~1.05,同时按照RCs-985B说明书,Ksr建议取值在1.02~1.05之间,以防止多次区外故障导致热积累不能散掉。

Y厂整定Ksr=1.02。

那么,定子绕组热容量系数Ktc(即Kszd)该如何整定?

《导则》对此的描述是:机组(空冷发电机除外),容量sn≤1200MVA时,Ktc=37.5。当有制造厂家提供的参数时,以厂家参数为准。

由Y厂汽轮发电机技术数据汇总表可查得定子绕组热容量系数给值37.5。此值通过式(1)计算,1.5倍的额定定子电流时动作时间

符合"应能承受1.5倍的额定定子电流历时30s而无损伤"的规定。因此,Ktc=37.5在国内其他很多电厂被普遍采用。

但Y厂整定Ksr=1.02,将Ktc=37.5代入式(3),

此动作时间超越了厂家提供的发电机过负荷能力,当发生发电机过负荷时会对发电机造成损伤。而发电机定子绕组过负荷保护作为涉网保护,《国家电网公司网源协调管理规定》(国网(调4)457一2014)也对此作出了相应规定:定子电流过负荷保护的定值设置应略低于机组设计能力。因此,此动作时间也不符合《国家电网公司网源协调管理规定》的相关要求。

为解决这个问题,进行了两种计算论证。

计算1:根据式(3),限定1=30s,在Ksr=1.02时推算Ktc的值,即Ktc=30×(1.52-1.022),可得Ktc=36.28。

但这种计算存在的问题是不能满足全部过电流工况,当I*<1.5时,保护动作时间将长于发电机允许的过电流时间。

例1:设Ktc=36,I*=1.3,依式(3)计算的保护动作时间

而依式(1)计算的发电机允许的过电流时间

计算2:Y厂发变组保护定值系外委给某专业定值计算公司计算。在该公司递交的最终定值单里,整定Ktc=33.1。此整定值是否更合理?由于定值计算书中并没有对此给出详细说明,因此对该值开展了计算论证。

Ktc=33.1是依据反时限启动电流推算出来的。按照《导则》,反时限动作特性的下限电流(即反时限启动电流)按与定时限过负荷保护配合的的原则整定,即:

式中,Kco是配合系数,取1.05:Iop是定时限过负荷保护定值,Iop按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定,即

其中,Krel为可靠系数,取1.05,Kr为返回系数,取0.95,Ie为发电机额定电流(二次值)。

代入式(4),可得

将Iop.min=1.16Ie代入式(3),可得

1=108.5s即在1.16倍额定电流时,发电机所允许运行的时间。结合Y厂的定值,Ksr=1.02,可以得出Ktc=108.5×(1.162-1.022)≈33.1。

相比较例1,这种整定保护动作时间更快,能更好地满足过电流工况,但存在的问题是当I*<1.16时,保护动作时间将长于发电机允许的过电流时间。

例2:设I*=1.15,依据式(3)保护动作时间

117.3s,依据式(1),发电机允许的过电流时间

存在这种问题的原因是必须整定Ksr=1.02,除了厂家提出的防止热积累不能散掉的原因外,保护装置本身该定值的整定范围也是1.02~2.0。但相比较计算1而言,整定Ktc=33.1满足了1.16<I*<1.5区间工况对发电机过电流运行的保护要求,扩大了保护范围,整定值更加合理。

3结语

定子绕组过负荷保护作为发电机保护的构成部分,其定值整定的合理性、正确性直接关系到发电机的稳定安全运行。通过对定子绕组过负荷保护的反时限部分的定子热容量系数定值的计算和论证,得出其整定值Ktc=33.1能够更好地满足定子绕组过负荷曲线的要求,也能与定子电流限制完全配合,更适应该大型发电机组对过负荷运行的需要。