大型调相机的保护配置及其实现

江苏电机工程　第３０卷第６期　４５　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　大型调相机的保护配置及其实现　潘仁秋，何其伟，陈俊　（南京南瑞继保电气有限公司．江苏南京２１　１　１０２）　摘　要：介绍了ＲＣＳ一９８５Ｒ／Ｓ微机发电机保护在北京安定变电站１６０　Ｍｖａｒ调相机上的成功应用详细分析了北京安　定变电站调相机的启动方式、保护配置和运行情况，重点介绍了调相机与常规发电机不同的几种保护功能．关键词：调相机；微机保护：ｒ＊￣８－步启动法　中图分类号：ＴＭ３４２　文献标志码：Ｂ　调相机也称为同步补偿机，实质上是接在电力　系统上的一种空载运行的同步电动机．它仅从电网　吸收少量的有功功率（通常不超过其额定容量的　５　）供电机本身损耗．可向电网提供无极连续调节　的容性或感性无功．改善功率因数．降低网络中的损　耗，对调整电网电压和提高电网的稳定性具有较好　的作用。此外。在电网电压下降的情况下．调相机的　励磁系统能够自动调节实行强行励磁．保证调相机　运行的稳定性，可继续向系统提供无功功率　目前．　北京安定５００　ｋＶ变电站的ｌ６０　Ｍｖａｒ调相机为我国　正式投入运行的容量最大的调相机．该调相机于　ｌ９９６年７月投入运行．原保护为晶体管型．运行已　达十年．元器件严重老化．难以保证调相机的安全运　行．对其进行微机化改造势在必行　调相机的保护配　置与同容量、同类型的发电机保护类似。但因调相机　的运行工况与发电机不尽相同．其保护也存在着一　定的差异　目前国内系统介绍发电机保护配置的文　献很详尽．但有关调相机保护配置及其应用的文献　则较少　１调相机的启动方式及其对保护的影响　由于调相机没有启动力矩．不能自启动．必须借　助其他措施　目前．调相机采用最多的是电抗器降压　异步启动法．电抗器降压异步启动法是将系统电源　经电抗器加到调相机定子　线端．在工频电压的作　用下．借助异步转距启动起来　］　为了保持系统电压　在一定的数值并限制启动电流的数值．在保证调相　机具有足够异步启动转距的前提下．在其定子与系　统之间串人电抗器　北京安定变电站１６０　Ｍｖａｒ调相　机正是采用该启动方式．其接线方式如图１所示．图　中ｋ１为启动开关．ｋ２为主开关　调相机的异步启动过程时间较短．北京安定变　电站调相机的整个启动过程为：启动时励磁开关断　开．调相机转子绕组经灭磁电阻短接　当启动开关　收稿日期：２０１　１—０６—２１：修回日期：２０１　１—０７—２５　。　文章编号：１００９—０６６５（２０１１）０６—００４５—０３　Ｔ　图１北京安定变电站调相机接线方式　ｋ１合上后．调相机立即经电抗器与系统相联而异步　启动．当涮相机转速接近同步转速（约９５％同步转　速，也称为亚同步转速）．启动电流下降到接近稳态　电流时投入主开关ｋ２．同时励磁开关闭合．调相机　由轴励磁机加励磁后依靠同步励磁转矩将转子拖入　同步．启动成功后约１　Ｓ断开启动开关．整个启动过　程需时约１９　Ｓ　调相机启动过程中合启动开关瞬间．　将有很大的冲击电流．虽然经过电抗器限制启动电　流．但根据现场实测该冲击电流仍可达２倍额定电　流以上．将对过负荷保护产生不利影响：此外冲击电　流还会导致调相机差动保护两侧电流互感器（ＴＡ）　传变特性不一致．影响差动保护的性能　２调相机的保护配置　２．１保护功能配置　调相机配置以下保护功能：纵向差动保护、过负　荷保护、负序过负荷保护、电抗器后保护、防直合主　开关保护、转子一点接地保护、转子两点接地保护、　启动开关非全相保护、同步鉴定功能、方向过流保　护、定子接地保护、低电压保护、失磁保护、主开关非　江苏　电　机工　程　全相保护、主开关失灵启动、油温高切机启动跳闸、　油位低切机启动跳闸以及２号主变过流启动跳闸　２．２调相机区别于常规发电机的保护功能　同步调相机的保护与同容量、同类型的发电机　保护功能配置类似．但因调相机的工况与发电机不　尽相同．其保护功能也有差异。　（１）差动保护。差动保护是调相机的快速主保　护．其原理与发电机差动保护原理相同．所不同的是　发电机差动保护为两侧差动．而调相机由于具有电　抗器启动环节。在启动过程中差动范围包括三侧．因　此调相机差动保护应按　侧差动设计．差动电流分　别取自ＴＡ１．ＴＡ２和ＴＡ３．差动范围内包括启动电　抗器　此外．安定变调相机机端ＴＡ２．ＴＡ３与中性点　ＴＡｌ的变比不一致．因此差动保护必须具备软件自　动调平衡功能　（２）失磁保护　调相机失磁的性质完全不同于　同步发电机失磁，其性质只属于欠励范畴．调相机失　磁不会导致失步，除了自身过流之外．不会给系统造　成大的威胁　调相机从系统吸收的有功功率始终是一个很小　的恒定值，调相机机端测量阻抗的表达式为［　：　’　，　ｆ　Ｔ　ｌ１　＋ｊ　一　（ｃｏｓ２　＿ｊｓｉｎ２　）（１）　～ｈ　一　ｈ　式（１）中：　为系统电压；　为系统等效电抗；　为　功率因数角　机端测量阻抗轨迹落在第１Ｉ和第１ＩＩ象限．如　图２所示　ｊｘ　Ｉ　’＼２Ｐｈ．　Ｉ／　＼＼　ｒ　＼　图２调相机的机端测量阻抗轨迹　调相机主要在过励状态下运行．正常过励状态　下，机端测量阻抗ｚ的运行轨迹在第１Ｉ象限靠近　轴处：而从过励状态过渡到欠励或失磁时．机端测量　阻抗将沿着阻抗圆滑行，进入第１ＩＩ象限．如图２箭　头所示。可见发电机失磁保护的阻抗判据．无论采用　静稳阻抗网或异步阻抗圆．均无法正确反映调相机　的失磁故障　安定变电站调相机的失磁保护摒弃常　规发电机失磁保护阻抗判据．而是由机端低电压判　据和励磁装置故障信号共同组合来实现．失磁保护　在调相机启动完成后自动投入．其逻辑如图３所示　（３）过负荷保护　调相机的过负荷保护是防止　满足低电压判据　＆　主开关位置节点开入　＆　～　Ａ整流柜故障开入卜＿—　ｆ＆　失磁保护ｔｔ¨　旋转整流柜故障开入　图３调相机失磁保护逻辑图　电压长期降低时．由于电压调整器和强行励磁装置　的作用．使调相机可能　现持续过负荷而设置　调相　机过负荷保护的定值通常按１．４倍额定电流整定　］．　．调相机启动时．虽然经过电抗器限制启动电流．但在　启动开关合闸瞬间．冲击电流仍然很大．根据现场实　测可达２倍额定电流以上．可能导致过负荷保护误　动作．为了确保过负荷保护正确Ｔ作．应在调相机启　动过程中将其退出运行．待调相机启动完毕后再自　动投入。本工程过负荷反映ＴＡ２和ＴＡ３的和电流．　以主开关处于合位作为调相机启动完成的标志　（４）低电压保护。当系统电压消失时．调相机转　速下降，为防止系统再次　现电压后．调相机在无启　动电抗器的情况下启动．导致系统电压降低．影响系　统稳定性．要求低电压保护动作后．经时限将低速运　行的调相机从电网中切除或使灭磁开关跳闸．同时　投入启动电抗器，使其处于准备启动状态［　．本Ｔ程　采用前一种方式　低电压保护只在调相机启动完成　后投入，经主开关的位置接点闭锁　为了防止调相机　机端电压互感器（ＴＶ）二次小开关误跳导致低电压　保护误动作，引入ＴＶ二次小开关的位置接点作为　辅助判据．提高保护的可靠性　．　（５）方向过流保护．　为了防止反应渊相机内部　故障的后备保护在外部故障时误动作．设置方向过　流保护，方向元件采用９０。接线方式．电压取自主　变高　侧母线Ｔｖ．电流取自ＴＡ２　．　（６）电抗器后保护。调相机启动完成后．启动开　关跳开，ＴＡ３与启动开关之间的电缆在纵差动保护　的范围外，这段电缆一旦发生故障将没有保护来反　映，电抗器后保护正是针对此而设置．保护反映　ＴＡ３的电流大小．只在调相机启动完毕后投入　（７）防直合主开关保护　调相机的启动电流很　大．为了防止未经电抗器启动．而直接误合主开关　ｋ２．导致设备损坏而设置　保护直接反映ＴＡ２的过　电流．保护动作于跳闸　防直合主开关保护只在调相　机启动过程中投入．启动完毕后退出该保护　（８）同步鉴定功能　调相机肩动过程中．合上肩　动开关后．当定子电流下降到一定值时．认为转速接　近同步转速．保护发出同步信号接点．用于控制合主　潘仁秋等：大型调相机的保护配置及其实现　４７　开关。同步鉴定功能反映电抗器支路ＴＡ３的电流．　在启动成功后自动退出运行。　调相机启动时，反同步的转子旋转磁场在定子　绕组中会感应出一个三相对称的电势．其频率为（１—　２　）　，ｓ为滑差，　为工频。此时。定子电流中除了工　频电流外，还有一个由上述频率为（１－２ｓ）　的电势所　３保护投运和运行情况　２００５年１１月１５日７：３０北京安定变电站调相　引起的电流＿４］。由于合闸瞬间冲击电流很大．据实测　可达２倍额定电流以上，两侧ＴＡ暂态传变特性不　一机开机成功投入运行．保护运行至今一切正常．未出　现任何异常情况。调相机启动过程中．启动开关合　上瞬间，调相机差动保护Ｃ相启动，而Ａ，Ｂ相差流　略小于启动定值．这是因调相机两侧ＴＡ的三相剩　磁存在差异。据录波数据分析启动时间约１２０　ｍｓ．　考虑机端ＴＡ和中性点ＴＡ变比不一致．机端ＴＡ变　比８　０００／５．中性点ＴＡ变比６　０００／５．以中性点侧为　基准．机端电流需进行校正　Ｃ相差动电流相关波形　如图４—６所示。图４中，ｎＣ为中性点Ｃ相电流：图５　中，　为机端校正电流；图６中，ｄ　为Ｃ相差流。　２０　致．导致差流的产生　４结束语　调相机比同容量、同类型发电机的运行工况复　杂，其保护也不尽相同．要保证调相机保护的可靠运　行．需要处理好以下技术环节　（１）调相机启动过程对保护的影响：　（２）失磁保护、过负荷保护、低电压保护等调相　机特殊保护功能的正确配置和实现　北京安定变电站１６０　Ｍｖａｒ调相机保护的成功　改造．为国内相关工程提供了参考　参考文献：　［１］崔刚．对金昌变调相机运行的分析和探讨［Ｊ］．甘肃电力．　１９９３（３）：３９—４３．　：　０　０。０２　０．０４　０．０６　０．０８　０．１　０．１２　０．１４　０．１６　ｔ／ｓ　图４中性点Ｃ相电流波形　２０　［２］周鹗．电机学［Ｍ］．北京：中国电力｝｝｝版社．１９９８．　［３］能源部西北电力设计院．电力工程电气设计手册２（电气二　次部分）［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９１．　圣　［４］林其煌．调相机失磁保护的分析研究［Ｊ］．福建电力与电工．　１９９４．１４（１）：卜５．　：　：　２０　０　０．０２　０．０４　０．０６　０．０８　０．１　０．１２　０．１４　０．１６　［５］王维俭．电气主设备继电保护原理与应用［Ｍ］．北京：中国　电力出版社．２００２．　ｔ／ｓ　图５机端Ｃ相校正电流波形　作者简介：　潘仁秋（１９７２一），男，江苏南京人，工程师，从事电气主设备微机　保护的设计和管理工作：　２０　０　０．０２　０．０４　０．０６　０．０８　０．１　０．１２　０．１４　０．１６　ｔ／ｓ　何其伟（１９７６一），男，江西南昌人，工程师，从事电气主设备微机　保护的设计工作：　陈俊（１９７８一），男，江苏姜堰人，工程师，从事电气主设备微机　保护的研发工作。　图６调相机差动Ｃ相差流波形　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ　ＰＡＮ　Ｒｅｎ—ｑｉｕ，ＨＥ　Ｑｉ－ｗｅｉ，ＣＨＥＮ　Ｊｕｎ　（Ｎａｎｊｉｎｇ　ＮＡＲＩ－Ｒｅｌａｙｓ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２　１　１　１　０２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＲＣＳ一９８５Ｒ／Ｓ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ—ｂａｓｅｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　１　６０Ｍｖａｒ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ　ｉｎ　Ａｎｄｉｎｇ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｓｔａｒｔ　ｍａｎｎｅｒ　ｏｆ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ａｎｄ　ｈｅ　ｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ；ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ－ｂａｓｅｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｕｎｃｔｆｉｏｎ