發電機進相運行時失磁保護動作特性分析

王曉源

陽西海濱電力發展有限公司，廣東陽江 529800

所謂發電機的“進相運行”是指在正常發電狀態下，發電機一方面向系統提供有功功率，一方面也提供無功功率，當定子電流滯后于端電壓角度的狀態下，發電機組此時的運行狀態被稱為“遲相運行”。而勵磁電流不斷減少的狀態下，發電機從“遲相運行”狀態發生變化，向系統提供的無功功率轉化為從系統吸收無功功率，這種變化導致定子電流從“滯后”形態轉為“超前”狀態，即超前發電機端電壓一個角度，這種運行狀態就被稱之為“進相運行”；歸根結底，進相運行是由于減少發電機勵磁電流造成的，即“失磁”，它的危害很大，如造成發電機有功負荷增加，導致發電機不穩定、系統振蕩、定子線圈溫度飆升等，甚至造成絕緣設備損壞。

1 發電機失磁保護原理及動作特性

1.1 發電機失磁保護原理分析

一般發電機組的失磁保護判斷依據主要有三個層面，發電機組所測量到的阻抗值差異較大，不同過程中阻抗圓對比如圖1所示。

第一，該階段為發電機組失去靜穩之前的過程，其功角小于90°，該階段也可視為失磁初始階段。靜穩破壞現象出現之前，有功功率基本一致，因此，也被稱之為等有功阻抗圓；當然，不同發電機組下等有功阻抗圓的頻率不同，即不同的有功功率所表現的圓半徑也不同，整體上功率越大、半徑越小。

第二，該階段為發電機組達到靜穩極限狀態的過程，其功角等于90°，稱之為“靜穩邊界阻抗圓”，但該“圓”更多地存在于理論范疇。

第三，該階段為發電機組進入異步運行狀態，其功角大于90°，它是工程上約等于異步運行時極端阻抗邊界的形態。

圖1 不同過程阻抗圓對比

很明顯，發電機呈現進相運行狀態下，機端測量抗阻的軌跡逐漸落入第四象限，所能夠測量到的等有功阻抗圓與異步邊界阻抗圓、靜穩邊界阻抗圓產生交叉，從而出現失磁保護，因此要避免失磁保護的錯誤行為，就必須對失磁保護進行驗證。

1.2 發電機失磁保護動作特性

隨著我國電網建設規模不斷擴大，發電機組大型化特征日漸明顯，包括水電、火電、風電等電力生產模式，都需要提高對發電機穩定性、安全性的關注。而結合未來“智能電網”建設的需求而言，發電機組單機發容量增加是一個必然趨勢，這有利于實現系統化管理、控制和維護；但同時，“大型化”必然導致發電機組在設計、運行、結構等方面出現新的問題，尤其是對于繼電保護的要求更為苛刻。很明顯，直軸電抗xd、暫態電抗xd'以及此暫態電抗xd''都會呈現上升趨勢，其結果為：（1） 短路電流水平持續下降，繼電器靈敏度持續提高；（2） 定子比值Ta/Ta''變大，并且定子回路時間常數也相應提高，造成定子非周期性電流衰減變慢，從而破壞電流互感器的保護特性；（3） 直軸電抗持續上升的狀態下，系統容易受到干擾，發電機失磁故障機率增加，失磁保護的穩定性難以保障。

2 發電機進相運行狀態失磁保護動作判斷依據及優化建議

2.1 常見低勵失磁保護動作判斷依據及問題

國內常見的低勵失磁保護判斷依據主要包括：（1） 判斷轉子低電壓狀態，涉及變勵磁電壓、等勵磁電壓等依據；（2） 根據機端定子阻抗判斷，主要判斷依據為靜穩邊界阻抗圓、異步邊界阻抗圓的特性；（3） 根據三相同時低電壓狀態進行判斷，主要依據來源于主變高壓側低電壓、機端低電壓等；（4） 根據逆無功進行判斷。

結合實踐，以上常見的低勵失磁保護判斷并不完善，如利用“轉子低壓判斷”作為依據時，Ui-P判據較為靈敏。但也正因為它動作迅速、無需轉子機械過程的特點，容易出現誤動的現象。此外，如果多個發電機采取并列運行時，其中某一臺發電機失磁并不能保障高壓側母線電壓降低，從而導致判據不足而不能產生保護動作。

2.2 不同發電機組類型的失磁保護動作判斷優化建議

第一，針對失磁保護按照靜穩極限阻抗圓設定的進相發電機組而言，由于進相運行能力存在限制，從而導致保護動作的反應敏捷性收到影響。因此，可以對發電機組進行改造，其失磁保護以異步邊界阻抗圓標準進行調整。

第二，針對進相運行發電機組出現額定負荷狀態下失磁現象，其失磁保護的動作比遲相運行更為快速，可通過額定負荷監測、調整實現需求。

第三，針對進行運行發電機組出現的空載失磁現象及失磁保護反應慢的現象，可利用發電機組增設逆功率保護解決。尤其為避免進相運行機組在空載附近呈現的失磁時間較長的特點，通過逆功率保護動作，可以將出現失磁現象的發電機組從系統中快速切除。

此外，也可以依據靜態穩定極限、異步阻抗等展開失磁保護誤動的優化，但側重大功率、單機型機組，有一定局限性。

3 結語

本文針對一些典型低勵、失磁保護判斷進行了分析，結合不同原理發動機類型做出了失磁保護誤動提出了優化措施，以期發揮借鑒、參考作用。

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