一種新判據的發電機失磁保護分析

國網技術學院泰山校區 高 原

1.引言

近年來，隨著全國電力系統單機容量的不斷增大，大型發電機組的安全穩定運行顯得尤為重要。勵磁系統作為發電機組的重要組成部分，其能否正常運行會對機組乃至整個電力系統產生較大影響。由于發電機失磁對電力系統及發電機本身都會造成嚴重危害，特別是水輪發電機不允許失磁異步運行。為保證電力系統和發電機的安全，必須裝設失磁保護，以便及時發現失磁故障并采取必要措施。因此，加強對失磁保護的研究是非常必要的。常規的失磁保護判據存在一定延時，保護速動性差，且存在較大的誤動可能，因此有必要對失磁保護進行詳細分析進而得出一種新的原理和判據。

2.發電機失磁概述

2.1 發電機失磁的原因

同步發電機在正常穩定運行時，一方面向系統輸出有功功率，另一方面根據系統安全穩定性需要，還要在勵磁裝置作用下向系統輸出一定的感性無功功率，這是電力系統一項重要、優質、廉價的無功電源[1]。但同步發電機是一種旋轉發電機，正常運行時發電機轉子勵磁回路一部分元件處于高速旋轉之中。對于常規直流勵磁機勵磁系統，由于勵磁機定子繞組斷線，整流子、滑環損壞，碳刷斷落，發電機勵磁回路斷線，滅磁開關誤動等原因，特別是對于現在普遍推廣使用的半導體勵磁系統，由于勵磁功率回路發生整流變壓器故障、變壓器高、低壓側熔斷器熔斷、整流二極管燒毀以及勵磁調節器個別元件故障，均可引起發電機勵磁電流大幅度減小，甚至為零，稱之為所謂的“失磁”。[2、3、4]

2.2 發電機失磁過程分析

在失磁初始階段，勵磁電壓突然減小，定子電動勢相應減小，定子端電壓和電流隨之逐漸減小，滑差和功角則由于機械慣性變化很小，必然使發電機輸出有功功率和無功功率降低。失磁后，勵磁電流將逐漸衰減至零，發電機的感應電勢隨著勵磁電流的減小而減小，電磁轉矩將小于原動機的轉矩轉子加速使發電機的功角增大。當功角超過靜態穩定極限角時，發電機與系統失去同步。發電機失磁后將從系統中吸取感性無功供給轉子勵磁電流，轉子出現轉差，在定子繞組中感應電勢，定子電流增大，定子電壓降低，有功功率降低，無功功率反向并且逐漸增大，在轉子回路出現差頻電流，使電力系統電壓下降及某些電源支路過電流，發電機的各電氣量不斷擺動，進而威脅發電機和系統的安全運行。[5]

圖1 失磁保護的原理圖

2.3 發電機失磁的危害

(1)發電機失磁后處于異步運行狀態，其吸收系統無功向系統輸送一定的有功，相當于進相運行。發電機端電壓及系統電壓降低，甚至可能引起系統電壓崩潰。

(2)發電機定子電流增大，這對定子繞組發熱將有不良影響。另外，失磁時的異步運行與欠勵磁時的進相運行類似，還會引起端部漏磁增大，使定子端部鐵心迭片和結構部件過熱，不利于機組的絕緣和安全。

(3)失磁后在定子旋轉磁場作用下，為了維持穩定的異步運行，勵磁功率及轉子損耗將會增大，造成轉子局部過熱。

(4)對于直接冷卻高利用的大型汽輪發電機，在重負荷下失磁后，其轉矩、有功功率要發生劇烈的周期性擺動，將有很大甚至超過額定值的電磁轉矩周期性作用到發電機軸系上，并通過定子傳遞到機座上。此時，轉差也將作周期性變化，發電機周期性嚴重超速，這些情況都威脅著機組的安全。

3.發電機失磁保護的構成

3.1 發電機失磁保護的判據

發電機失磁保護應該能夠反映發電機的失磁故障，而在發電機外部故障、電力系統振蕩、發電機自同期并列以及發電機低勵磁(同步)運行時不應誤動。目前，國內比較普遍的失磁保護的判據有無功功率方向改變判據(逆無功)、靜穩邊界阻抗圓判據以及異步邊界阻抗圓判據三種[5]。但是在振蕩、短路、長線充電、電壓回路斷線、自同步運行等異常情況時都存在誤動的可能，需要借助其他特征量作為輔助判據，以便保證動作的選擇性。其他特征量主要包括勵磁電壓下降、沒負序分量、無功功率方向改變等。現實中一般采用兩種或兩種以上的閉鎖方式作為失磁保護的輔助判據。目前主要采用延時的方式來躲過系統振蕩對保護的影響，但這種方式使保護的動作時間變長了，犧牲了保護的速動性。為此考慮研究失磁和振蕩的差別，從本質上區別兩者的不同，來防止保護誤動。通過參考文獻[6]應用Matalab軟件對失磁故障的仿真，為實現可靠的失磁保護提供了理論基礎。

發電機失磁后參數的變化隨失磁方式的不同而不同。分析比較各種失磁仿真結果發現：

(1)開路失磁時，轉子勵磁電流最先下降到接近零值，機組最先進相運行，轉子的過渡過程最短，最先進入穩態失磁異步運行狀態，以后依次為部分短路失磁、經滅磁電阻短路失磁和直接短路失磁情況。

(2)在各種失磁故障中，直接短路失磁故障的暫態過程最慢，但機端定子電壓、電流幅值，無功、有功功率和轉差等量的波動范圍最大；開路失磁導致的定子電流上升及電壓下降的幅度最小，轉差變化也比較平穩。因此經滅磁電阻閉合短路失磁是危害最小的，最適合發電機失磁異步運行的情況。

(3)分析各種故障頻率變化特性發現：對于發電機直接短路失磁和經滅磁電阻閉合短路失磁故障，定子電流、電壓及其無功、有功功率波形脈動頻率相同，且是勵磁電流波動頻率的兩倍；部分失磁故障時，轉子勵磁電流中除了交流分量外，還有直流分量，其頻率特性要復雜些。

以發電機勵磁繞組直接短路為例，發現發電機勵磁繞組短路失磁時，勵磁電壓立即降為零，并保持不變；系統發生振蕩時，發電機勵磁電壓周期性擺動。從中得出新的判據為：以發電機勵磁電壓為零時起觀察一最大振蕩周期時間T，若在此時間內勵磁電壓始終為負或零，則判斷為失磁故障。采用負序電壓閉鎖元件可躲過系統故障及故障切除后系統振蕩對保護的影響。采用TV斷線檢測元件可防止TV斷線導致的失磁保護誤動的發生。主要判據采用異步邊界阻抗圓判據，該判據不會出現外部短路故障而導致失磁保護誤動作，不需加入機端電壓輔助判據及轉子電壓閉鎖元件，保護動作的準確性高。

3.2 失磁保護原理框架圖

由以上分析可知，本文的配置方案采用一個異步邊界阻抗圓判據為主判據，加上新的電壓判據和負序電壓閉鎖判據以及電壓互感器斷線閉鎖為輔助判據。本失磁保護原理圖如圖1所示。

為保證失磁故障時保護能快速動作且在振蕩、短路情況下不誤動，框架圖中采用勵磁電壓，異步邊界阻抗元件之間“與”的關系，而負序元件和TV短線檢測元件能可靠地防止保護誤動，只有條件全滿足情況下，失磁保護才會動作。

4.結論

本文在理論上構造了一個新的失磁保護框架，在失磁保護阻抗元件動作前判斷振蕩，避免了因延時給失磁保護帶的不利影響，使發電機在發生失磁故障時保護能夠快速動作，減少了失磁故障對系統和發電機本身的危害。本文是在參考文獻仿真分析基礎上建立的，本文并沒有進行動模實驗和現場驗證，保護判據結果可行性，還有待于進一步的考證。

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京:中國電力出版社,1996.

[2]賀家李,宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京:中國電力出版社,1994.

[3]CIGRE 34.01 WG Report.Protection Against Out-of-step Operation of Large Synchronous Machines,Electra,1997(50).

[4]陳金星,陳建炳.發電機失磁保護動作原因分析[J].運行與維護,2006.

[5]程驍.大型發電機低勵失磁保護仿真和整定的研究[碩士學位論文].北京:華北電力大學,2003.

[6]樊波,牛天林.基于MATLAB的發電機失磁故障仿真研究[J].電氣技術,2007.