1、發(fā)電機失磁保護介紹1 概述同步發(fā)電機是根據電磁感應的原理工作的，發(fā)電機的轉子電流（勵磁電流）用于產生電磁場。正常運行工況下，轉子電流必須維持在一定的水平上。發(fā)電機失磁故障是指勵磁系統(tǒng)提供的勵磁電流突然全部消失或部分消失。同步發(fā)電機失磁后將轉入異步運行狀態(tài)，從原來的發(fā)出無功功率轉變?yōu)槲諢o功功率。對于無功功率容量小的電力系統(tǒng)，大型機組失磁故障首先反映為系統(tǒng)無功功率不足、電壓下降，嚴重時將造成系統(tǒng)的電壓崩潰，使一臺發(fā)電機的失磁故障擴大為系統(tǒng)性事故。在這種情況下，失磁保護必須快速可靠動作，將失磁機組從系統(tǒng)中斷開，保證系統(tǒng)的正常運行。引起發(fā)電機失磁的原因大致有：發(fā)電機轉子繞組故障、勵磁系統(tǒng)故障、自動滅

2、磁開關誤跳閘及回路發(fā)生故障等。2 發(fā)電機失磁過程中機端測量阻抗分析發(fā)電機從失磁開始進入穩(wěn)態(tài)異步運行，一般分為三個階段：（1） 失磁后到失步前（2） 臨界失步點（3） 異步運行階段2.1隱極式發(fā)電機以汽輪發(fā)電機經聯絡線與無窮大系統(tǒng)并列運行為例，其等值電路與正常運行時的向量圖如圖1所示。圖1 發(fā)電機與無限大系統(tǒng)并列運行圖中，為發(fā)電機的同步電勢，為發(fā)電機機端相電壓，為無窮大系統(tǒng)相電壓，為發(fā)電機定子電流，為發(fā)電機同步電抗，為發(fā)電機與系統(tǒng)之間的等值電抗，且有 ，為受端的功率因數角，為與之間的夾角（即功角）。若規(guī)定發(fā)電機發(fā)出有功功率、無功功率時，表示為，則 （1） （2）功率因數角為 （3）在正常運行時，

3、。為穩(wěn)定運行極限，后發(fā)電機失步。1. 失磁后到失步前在失磁后到失步前的階段中，轉子電流逐漸減小，Ed隨之減小，隨之增大，兩者共同的結果維持發(fā)電機有功功率P不變。與此同時，無功功率Q隨著Ed的減小與的增大迅速減小，按（2）式計算的Q值由正變負，發(fā)電機由發(fā)出感性無功轉變?yōu)槲崭行詿o功。此階段中，發(fā)電機機端測量阻抗為帶入公式，則 （4）式中，、為常數，此方程表示一個以為圓心，為半徑的圓，如圖2所示，此圓又稱為等有功組抗圓。 發(fā)電機失磁以前，向系統(tǒng)送出無功功率，角為正，測量阻抗位于第一象限。失磁以后，隨著無功功率的變化，角由正值變?yōu)樨撝担虼藴y量阻抗也沿著圓周由第一象限進入第四象限。圖2 等有功阻抗圓

4、2. 臨界失步點對汽輪發(fā)電機，當時，發(fā)電機處于失去靜態(tài)穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，故稱為臨界失步點。此時輸送到受端的無功功率為 （5）式中Q為負值，表明臨界失步時，發(fā)電機自系統(tǒng)吸收無功功率，且為一常數，臨界失步點也稱為等無功點。此時機端測量阻抗為帶入（5）式，則 （6）由（5）式可知，發(fā)電機在輸出不同的有功功率P而臨界失步時，其無功功率Q恒定為常數。（6）式描述的方程表示了一個以（0，）為圓心，為半徑的圓。如圖3所示，這個圓成為臨界失步阻抗圓，也稱作等無功阻抗圓。其圓周為發(fā)電機以不同的有功功率P臨界失步時，機端測量阻抗的軌跡，圓內為失步區(qū)。圖3 等無功阻抗圓3. 失步后的異步運行狀態(tài)發(fā)電機失步后進入異步運

5、行狀態(tài)，此時異步發(fā)電機的等效電路如圖5所示，其中為定子繞組漏抗，為轉子繞組漏抗，為轉子繞組電阻，為轉差率；為反映發(fā)電機功率大小的等效電阻；為定子繞組與轉子繞組之間的互感電抗。圖4 異步發(fā)電機的等效電路圖機端測量阻抗為 （7）當發(fā)電機空載失磁時，此時機端測量阻抗最大，當時，的數值為最小，其中，、分別為發(fā)電機的同步電抗與直軸暫態(tài)電抗。當s取其他值時，式（7）表示為其中，帶入上式 （8）式中， 由式（8）可知，隨著s的變化，發(fā)電機機端測量阻抗為復平面內以為圓心，為半徑的圓。如圖5所示，此圓稱作異步阻抗圓。圖5 發(fā)電機異步阻抗圓綜上所述，當一臺發(fā)電機失磁前在過勵磁狀態(tài)下運行時，其機端測量阻抗位于復平面

6、的第一象限，失磁以后，測量阻抗沿著等有功阻抗圓向第四象限移動。當它與臨界失步圓相交時，表明機組運行處于靜穩(wěn)定極限。越過此點后，發(fā)電機轉入異步運行。其運行軌跡如圖6中所示。圖6 發(fā)電機機端測量阻抗在失磁后的變化軌跡2.2凸極式發(fā)電機水輪發(fā)電機一般為凸極式，其,有功、無功的表達式如下： （9） （10） 功率因數角為 （11）1. 失磁后到失步前與汽輪機一樣，在失磁后到失步前的階段中，Eq減小，隨之增大，兩者共同的結果維持發(fā)電機有功功率P不變。與此同時，無功功率Q由正值轉變?yōu)樨撝?，發(fā)電機由發(fā)出有功功率轉變?yōu)槲沼泄β省?此時發(fā)電機機端測量阻抗為：帶入公式，則 （12）由此方程看出，水輪機在正常運

7、行到失步前的階段中，其測量阻抗與汽輪機相同,如圖2，是以（，）為圓心，為半徑的圓。2. 臨界失步點對水輪機而言，為求出靜穩(wěn)極限點，對（10）式進行求導，使 （13）此時，發(fā)電機機端測量阻抗為 （14）式（9）（10）（13）（14）描述了一個發(fā)電機機端測量阻抗隨變量變化的方程，使用MATLAB軟件在復平面內繪制軌跡，可以得到一個如圖7所示的滴狀軌跡圖，即為水輪發(fā)電機臨界失步曲線，圓內為失步區(qū)。圖7 發(fā)電機機端測量阻抗在失磁后的變化軌跡3. 失步后的異步運行狀態(tài)水輪機異步運行時機端測量阻抗變化如圖5所示，也是復平面內以為圓心，為半徑的圓。當水輪發(fā)電機正常運行時，其機端測量阻抗位于復平面的第一象限

8、，失磁以后，測量阻抗沿著等有功阻抗圓向第四象限移動。當它與靜態(tài)邊界曲線（圖7滴狀曲線）相交時，表明機組運行處于靜穩(wěn)定極限。越過此點后，發(fā)電機轉入異步運行。3 RCS985系列發(fā)變組失磁保護判據RCS985系列發(fā)變組失磁保護由以下三個判據組成，三個條件同時滿足，并且相應壓板投入后，失磁保護才會動作。（1） 低電壓判據（2） 定子側阻抗判據（3） 轉子側判據3.1低電壓判據發(fā)電機失磁后，由于轉子勵磁減小，造成發(fā)電機機端三相電壓急劇下降。低電壓判據為反映機端電壓下降而設置。低電壓判據一般取母線三相電壓，也可以選擇機端三相電壓。TV斷線時閉鎖本判據。三相同時低壓判據：3.2定子側阻抗判據RCS985系

9、列水輪機保護定值描述了異步阻抗圓（圖5）、滴狀靜穩(wěn)阻抗圖（圖7）兩個曲線，用以規(guī)定發(fā)電機定子側阻抗軌跡變化范圍。當定子側阻抗進入任一個圓內，失磁保護定子阻抗元件就啟動。由于失磁后發(fā)電機由發(fā)出無功功率轉變?yōu)槲諢o功功率，而水輪機滴狀靜穩(wěn)阻抗曲線（圖7）包含了發(fā)電機發(fā)出無功的情形。因此需要輔助以無功反向判據：為防止機端短路時，機端電壓太低或負序分量過多，造成阻抗繼電器誤動，可按需求增加以下輔助判據：（1） 正序電壓>=6V；（2） 負序電壓U2<=0.1Un（發(fā)電機額定電壓）；（3） 發(fā)電機電流>=0.1Ie（發(fā)電機額定電流）。3.3轉子側判據轉子側判據包括轉子低電壓判據與發(fā)電機

10、的變勵磁電壓判據。兩個判據任一個滿足，并且轉子判據控制字投入，則轉子側判據啟動。（1） 轉子低電壓判據當發(fā)電機轉子勵磁電壓Ur突然下降到0或者幅值，勵磁電壓判據迅速動作，可在發(fā)電機抵達靜穩(wěn)極限之前動作。該判據為：（2） 發(fā)電機變勵磁電壓判據當發(fā)電機低勵或者發(fā)生失磁故障時，Ur逐漸下降到0或者減至某一值，變勵磁低電壓動作。該判據為：式中，為發(fā)電機同步電抗標幺值，為系統(tǒng)聯系電抗標幺值； P為發(fā)電機輸出功率標幺值； Pt為發(fā)電機凸極功率幅值標幺值； Uf0為發(fā)電機勵磁空載額定電壓有名值； Krel為可靠系數。圖8 發(fā)電機變勵磁電壓判據對于汽輪機，當勵磁電壓Ur下降為零時，Ed也變?yōu)榱悖墒剑?）知，

11、此時P=0，因此變勵磁電壓判據為一條過原點的直線。對于水輪機，當勵磁電壓Ur下降為零時，由于水輪機交直軸電樞反應電抗的不同，仍然會有一部分凸極功率Pt存在，若Us取標幺值1，則由式（9）可知，凸極功率。如圖8所示，水輪機變勵磁電壓判據為（Ur，P）平面內過（0，Pt）的一條直線。發(fā)電機變勵磁電壓判據事實上可以表述為，當發(fā)電機提供的勵磁電壓跟不上發(fā)電機有功功率的變化時，就表現為失磁，此時（Ur，P）點落Ur-P平面內的動作區(qū)內。4 RCS985系列發(fā)變組失磁保護出口邏輯RCS985系列發(fā)變組失磁保護出口邏輯由本文第三節(jié)所介紹的三個判據組成，共配置三段，可按需求整定為告警或者跳閘。（1） 失磁保護I段（2） 失磁保護II