摘要：随着直流输电、新能源、大电网、特高压等技术的发展，同步调相机重新得到关注，300 Mvar 大型同步调相机即将投入使用。文章介绍了调相机保护配置、工作原理，并与发电机保护进行对比研究，重点介绍了调相机保护与常规发电机保护的不同。
关键词：调相机；发电机；继电保护
0 引言
目前国内同步调相机最大单机容量为160 Mvar，尚未使用过300 Mvar 调相机。实际上，国内运行中的大型调相机很少，上世纪投运的100 Mvar 以上级调相机后来也部分拆除。GB/T 14285《继电保护和安全自动装置技术规程》的1993 版尚有同步调相机保护要求，而2006 版已无调相机保护内容。
1 调相机保护配置
调相机配置以下保护功能：调相机纵差保护、调相机匝间保护、调相机复压过流保护、定子接地基波零序电压保护、三次谐波比率定子接地保护、注入式定子接地保护、乒乓式转子一点接地保护、注入式转子一点接地保护、定子过负荷保护、负序过负荷保护、调相机失磁保护、低压解列保护、过电压保护、过励磁保护、误上电保护、开关量保护、调相机启动差动保护、调相机启动过流保护、调相机启动零序电压保护。
2 调相机保护原理
2.1调相机纵差保护
调相机纵差保护是反应调相机内部定子绕组相间短路的快速主保护，采用比率制动特性，其原理与发电机差动保护原理相同。保护取机端三相电流和中性点三相电流，反应调相机定子侧的两相和三相短路，但不反应匝间短路故障。
2.2调相机匝间保护
调相机匝间保护反应调相机内部同一绕组的两匝或几匝线圈因绝缘层破损，导致直接接触。
零序电压匝间保护采用机端专用PT开口三角的零序电压，零序电压基波分量大于整定值则保护延时出口。机端专用PT一次中性点不允许接地，而是通过高压电缆与发电机中性点联接起来，所以需全绝缘。
调相机正常运行或相间短路时，无零序电压。定子绕组单相接地时，故障相对地电压等于零，中性点对地电压为相电压，三相定子绕组对中性点电压仍然对称，不出现机端对绕组中性点的零序电压。当定子绕组发生匝间短路时，便出现机端三相对中性点电压不对称。如图2，机端专用PT开口三角会输出零序电压。
（a）匝间短路 （b）三相电动势相量图
图1 发电机定子绕组匝间短路及其相量图
2.3 调相机100%定子接地保护
对调相机100%定子接地保护由基波零序电压定子接地保护和三次谐波比率定子接地保护构成。
基波零序电压定子接地保护反应调相机零序电压的大小，保护调相机85～95％（机端往中性点方向）的定子绕组单相接地，采用调相机中性点零序电压基波分量。
三次谐波比率定子接地保护只保护调相机中性点25％左右的定子接地，通过比较机端开口三角零序电压和中性点侧零序电压三次谐波的大小和相位构成保护判据。
2.4 注入式定子接地保护
调相机注入式定子接地保护的接地电阻判据与定子绕组的接地点无关，可以反映调相机100%的定子绕组单相接地，如图2所示。
2.5 乒乓式转子接地保护
转子接地保护反应调相机转子对大轴绝缘电阻的下降。
调相机转子一点接地保护采用切换采样原理，切换图3中S1、S2 电子开关，得到相应的回路方程，通过求解方程，可以得到转子接地电阻Rg，接地相对位置α。转子一点接地保护设两段，高值告警，低值跳闸。
图2注入式定子接地
图3 乒乓式转子接地
2.6 注入式转子接地保护
可根据现场转子绕组的引出方式，选择双端注入式或单端注入式转子接地保护原理，在转子绕组的正负两端（或负端）与大轴之间注入一个低频方波电压，实时求解转子一点接地电阻。同样转子一点接地保护设两段，高值告警，低值跳闸。
保护灵敏度与转子接地位置无关，保护无死区，在转子绕组上任一点接地都有很高的灵敏度；可在未加励磁电压的情况下，监视转子绝缘情况。
2.7 调相机失磁保护
失磁保护反应调相机励磁回路故障引起的调相机异常运行。失磁保护由机端低电压、转子低电压、无功反向判据组合，完成需要的失磁保护方案。
2.8 调相机过励磁保护
调相机出口不设断路器时，只需配置一套过励磁保护；调相机出口设断路器时，需投入调相机过励磁、变压器过励磁两套保护功能。过励磁倍数n=U*/f*。
2.9 调相机误上电保护
调相机误上电的发生有两种可能，第一种是调相机在盘车或升速过程中突然接入电网；第二种是非同期合闸。
调相机在盘车或升速过程中突然接入电网，将产生很大的定子电流，损害调相机。另外，当调相机转速很低时，定子旋转磁场将切割转子，造成转子过热，损伤转子。
调相机非同期合闸，将产生很大的冲击电流及转矩，可能损坏调相机大轴及引起系统振荡。
保护投入条件：低电压判据、低频判据以及断路器位置接点判据（处于跳开位置）构成，任一投入条件满足即可，投入条件消失后，延时自动返回。保护动作条件反应调相机定子过电流。
2.10 调相机低压解列保护
防止调相机异常失压后重新上电，造成非同步冲击。该保护动作于停机。低电压保护反应机端三相相间电压低，动作于跳闸出口。
2.11 调相机过电压保护
过电压保护用于保护调相机各种运行情况下引起的定子过电压。调相机电压保护所用电压量的计算不受频率变化影响。过电压保护反应机端三相相间电压，动作于跳闸出口。
2.12 调相机启动过程保护
调相机在SFC启动过程之始已加励磁，且持续时间较长，部分保护功能被闭锁，因此仍需配置具有一定灵敏度的保护功能，反应机组相间故障和定子接地故障的保护。
增设和频率无关的启动差动保护、启动过流保护、启动零序电压保护。闭锁：常规差动保护、负序过流、失磁等。
3 调相机保护与发电机保护的区别
调相机是处于同步运行状态的电动机，其保护配置与同容量、同类型的发电机保护类似，但其运行工况与发电机不尽相同，故二者的保护配置也存在一定的差异。目前，中国大型汽轮发电机主要配置纵联差动保护( 包括完全纵差和不完全纵差) 、复合电压过流保护、定子绕组对称过负荷保护、转子表层负序过负荷保护、定子绕组单相接地保护、定子过电压保护、过励磁保护、失磁保护、失步保护、逆功率保护、误上电保护、转子一点接地保护、励磁绕组过负荷保护、轴电流保护、频率异常保护、电超速保护等。
大型水轮发电机转速较慢，一般未装设超速保护和频率异常保护( 抽水蓄能水轮发电机通常会有频率异常保护) 。此外，大型水轮发电机由于绕组分支数较多，会配置裂相横差或零序电流型横差保护。
调相机没有原动机，运行时从电网吸收少量有功功率维持其损耗，转速随电网频率同步变化，因此不存在原动机与负载不匹配激发振荡现象，也不会超速，因此可取消失步保护、频率保护及逆功率保护。调相机在并网条件下，如果发生换流站全站失电事故，调相机将惰转运行，为防止在此情况下重新送电导致调相机异步启动，需设置低压解列保护功能，在调相机失电时跳开并网开关，防止发生冲击。
调相机失磁保护的阻抗动作特性目前尚无明确规定，正常工作过程中阻抗位于阻抗平面的第二象限，失磁后进入第三象限。发电机失磁保护的汽轮发电机机端阻抗元件动作特性采用异步边界阻抗圆判据和静稳极限阻抗圆判据。。
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）调相机启动过程保护；
（2）失磁保护、误上电保护、低压解列保护、过激磁保护等调相机特殊保护功能的正确配置和实现。
参考文献
[1]潘仁秋，何其伟，陈俊．大型调相机的保护配置及其实现[J]．江苏电机工程，2011，30(6):45-47．
[2]罗凌，李振文，宋兴荣，林杰，刘敏，王晓．大容量调相机继电保护配置方案研究[J]．湖南电力，2016，36(5):26-30．
[3]邹东霞，余锐，聂娟红，苏毅．300Mvar大型同步调相机的启动及继电保护[J]．电力系统保护与控制，2016，44(20):160-164
作者简介
冯辉（1987-），男，江苏邳州人，助理工程师，现从事特高压换流站调相机相关运维检修工作。
论文作者:冯辉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/27
标签：相机论文; 定子论文; 转子论文; 绕组论文; 电压论文; 过电压论文; 判据论文; 《电力设备》2017年第33期论文;