與系統連接緊密的水輪發電機失磁保護動作判據選擇探討

張方慶,李 敏，張成峰

(湖南瀟湘水電站，湖南省永州市 425000)

0 前 言

湖南瀟湘水電站地處永州市中心，共設計4臺單機容量為13 MW的燈泡貫流式水輪發電機組，發電機通過110 kV升壓變與5.2 km外的中心樞紐變電站并聯。發電機額定電壓為6 300 V，額定電流為1 324 A，同步電抗為1.029，暫態電抗為0.43，額定勵磁電壓為213 V，額定勵磁電流為686 A，采用可控硅自并勵勵磁方式。 為防止水輪發電機在失磁故障下運行，設計了一套失磁保護回路：利用異步邊界阻抗作為主判據延時出口使發電機與系統解列，機組按電氣事故停機程序停機。

發電機并網運行后，失磁保護在2周內連續5次動作導致事故停機，對機組產生了嚴重的機械沖擊。事后對勵磁系統裝置進行全面檢查，無任何不正常現象，保護裝置進行校驗動作可靠，排除了裝置本身存在誤動的可能，確認是失磁保護因系統波動而引起誤動。在全面地分析了導致失磁保護誤動原因的基礎上，著重討論了利用異步阻抗圓作為主判據、勵磁電壓作輔助判據來反映與系統連接緊密的水輪發電機失磁保護的可靠性和靈敏性，通過試運行后取得較好的效果[1-7]。

1 異步阻抗圓作為主判據

異步邊界圓是目前使用較多的失磁保護主判據，它是根據發電機失磁后會最終進入異步運行，異步阻抗圓會落入阻抗平面的第三、四象限動作區而使阻抗繼電器動作。而發電機的機端阻抗為：

(1)

式中：Us為發電機電壓；Ps為發電機有功功率；Qs為發電機無功功率；Xs為系統阻抗；φ為發電功功率因數角。

2 勵磁電壓作為輔助判據

利用異步邊界圓作為與系統連接緊密的水輪發電機失磁保護動作主判據時，為防止保護誤動必須加以輔助判據。

發電機失磁后異步邊界阻抗圓完全落在阻抗平面的第三、四象限內，有利于減少非失磁時的誤動作，且在電源兩則電動勢相等的系統振蕩時，失磁保護不會誤動。但是與發電機連接緊密的系統中對空載長距離線路充電，線路對地電容的影響導致機端測量阻抗呈容性，落在阻抗平面的第四象限，失磁繼電器很可能誤動。在PT回路斷線、系統出現相間、接地短路故障引起的振蕩以及系統中的發電機并列與解列都可能使保護誤動。特別是與系統連接阻抗X越小，阻抗動作區越大，誤動的幾率越大。瀟湘水電站原設計的失磁保護無輔助動作判據，共出現了5次誤動；其中2次因為系統倒閘操作(空投大型變壓器、空投長線路)而誤動；2次因為地網發電機組在晚上頂峰完后與系統解列時的誤動；1次因為地網短路故障而誤動。而失磁阻抗圓的整定計算為：

=3.94∠-90° (Ω)

(2)

=22.6∠-90° (Ω)

(3)

式中：Xd′為發電機暫態電抗；Uef為發電機額定電壓；Ief為發電機額定電壓；KLY為發電機PT變比(本式取6000/100 V)；KLH為發電機CT變比(本式取2000/5 A)；Xd為發電機同步電抗；Krel為可靠系數(本式取1.2)。

當時失磁保護阻抗整定值為ZA=4 Ω、ZB=23 Ω，其整定值計算從理論上講是正確的，不存在整定值取小的可能性。所以為防止失磁保護的誤動，必須加以輔助判據[10-14]。

3 方案選擇

(1) 針對為防止失磁保護誤動，我們討論了負序分量閉鎖、增加延時及減小動作區、倒閘操作閉鎖、電壓回路斷線閉鎖失磁保護的誤動作。

以上各種方案都不能保證各種非失磁工況下均能可靠閉鎖——負序分量閉鎖只能閉鎖外部短路引起的誤動，而倒閘操作閉鎖只能防止空投大型變壓器、空投長線路引起的誤動；斷線閉鎖只能防止PT回路斷線時引起的誤動；而無謂的延時保護出口時間或是減小保護動作區將使發電機失磁時，不能快速、準確地動作。如果要保證水輪發電機在各種非失磁工況下均能可靠閉鎖，必須將以上各閉鎖措施全部采用，這必將增加了保護的復雜性及增加相應的投資。

(2) 采用勵磁電壓的輔助(閉鎖)判據能夠保證與系統連接緊密的水輪發電機在各種非失磁工況下均能可靠閉鎖，并能滿足繼電保護靈敏性、可靠性、快速性、選擇性的要求。

根據電力系統對發電機勵磁系統的要求，系統出現故障時，勵磁電壓、電流不但不減小反而要進行強行勵磁使保護裝置快速將故障從電力系統切除，而系統振蕩時也將增加勵磁來維持系統的穩定。在此基礎上我們設計了失磁保護回路(如圖1)。

圖1 采用勵磁電壓輔助判據構成的失磁保護回路圖

該保護回路是由異步邊界特性圓的阻抗繼電器構成失磁的定子主判據，由勵磁電壓構成失磁保護的轉子輔助判據。當發電機失磁時，機端測量阻抗進入阻抗繼電器整定的異步邊界圓內，使繼電器動作，而轉子電壓因失磁故障下降使轉子低電壓繼電器返回，阻抗繼電器出口延時后與低電壓繼電器組成與的邏輯關系，當兩者滿足要求時，失磁保護動作出口使故障發電機與系統解列，同時PLC執行事故停機程序。當系統出現波動時，即使阻抗繼電器誤動，也只是發中央信號，而不會使整套保護出口，因為此時的勵磁電壓不可能低于發電機的空載的勵磁電壓而使轉子低電壓繼電器返回。

經過進一步討論分析，此種失磁保護方案還存在以下幾個凝問：

1) 系統波動時，發電機的勵磁電壓在某種情況下(如大量的容性負載)可能波動較嚴重，有可能使主判據和輔助判據同時滿足要求而誤動；

2) 發電機剛并入電網時，由于發電機帶有功、無功需要過程，開始勵磁電壓很低，如果調速器、勵磁調節器調節速率較慢或人為原因使有功、無功增加較慢時使發電機處于低勵運行狀態有可能使主判據和輔助判據同時滿足要求而使失磁保護誤動作；

3) 發電機勵磁裝置在滅磁開關跳閘時，是采用消弧柵和對常數電阻放電相結合的方式滅磁，在滅磁開關跳閘導致失磁時，轉子繞組是一大電感線圈，滅磁過程中轉子電壓的暫態過程中會作周期不同的正負交變，或是可控硅交流側電源故障時，在轉子繞組中也會出現很大的暫態呈間斷波形的過電壓，加上轉子繞組的時間常數較大，這些將造成發電機真正失磁時，輔助判據的轉子低電壓繼電器出現來回抖動，使失磁保護拒動。

針對問題1),采取將定子主判據的失磁繼電器動作經1.5 s延時(大于電力系統安全自動裝置動作時間)后,再與轉子輔助判據的低電壓繼電器組成“與”的邏輯關系使整組保護出口。在整定勵磁低電壓繼電器時，應采取的方法是：只要保證發電機在空載運行時，低電壓繼電器不返回即可。而該電站發電機空載勵磁電壓為76 V，所以低電壓繼電器動作值整定為80%Uf=60 V,這樣保證了失磁保護裝置在系統波動時不誤動造成事故停機。此外，為防止勵磁電壓因系統的無功波動而大幅度的波動，將調節器的調差系數由原來的第6檔調小至第3檔，減小勵磁調節器的靈敏性，當系統出現無功波動時根據發電機的容量來調節無功的輸出。

針對問題2)采取對機組的計算機監控系統程序進行修改的措施，機組采用PLC控制時，當發電機并網后立即帶3 000 W的有功和1 000 Var的無功，保證發電機并網時不導致有功、無功的進相。

針對問題3)，一方面增加了利用滅磁開關常閉輔助觸頭延時出口使發電機解列、停機的回路，即并網后的發電機不管在什么情況下，只要滅磁開關跳閘不由定子主判據和轉子輔助判據來啟動保護回路，直接連跳發電機出口開關。這樣完全甩開了因滅磁開關跳閘時正負變化的轉子電壓導致發電機失磁故障時失磁保護的拒動，能夠保證保護正確、快速動作。另一方面在轉子低電壓繼電器動作返回不延時的基礎上，在其線圈中串接反相二極管 ，這樣可以防止勵磁系統交流故障或是可控硅故障出現失磁時，至少可以保證轉子反相暫態電壓使低電壓繼電器可靠返回，使失磁保護主、輔動作判據同時滿足要求而出口。

為了確認更改后的失磁保護能夠滿足繼電保護的要求，將并網的發電機進行了低勵失磁、交流故障失磁試驗，試驗結果證明保護裝置在失磁故障時能可靠動作。而通過1 a的運行實踐證明在系統出現波動時失磁保護能可靠閉鎖，保證了機組的安全、可靠運行。

4 結 語

(1) 與電力系統緊密的水輪發電機，采用異步阻抗圓的定子主判據和勵磁電壓的輔助判據相結合的方式，在設計合理的情況下，可以保證保護在因系統波動的非失磁故障情況下， 失磁保護不因誤動作而事故停機；而在失磁故障時保護能夠快速、可靠地反映故障并將失磁故障的發電機從電力系統中切除。該動作判據在整流型的保護裝置上有著結構簡單、原理清析、動作可靠的優點，能夠滿足繼電保護“四性”的要求。

(2) 利用定子主判據、轉子輔助判據構成的失磁保護方案時，要特別對轉子勵磁電壓和電流在不同勵磁方式和不同故障類型時暫態特性了解清楚，要防止發電機失磁故障時保護的拒動，正確把握準確性和可靠性。

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