天荒坪抽水蓄能電站機組失磁保護配置淺談

摘 要：發電機失磁是指發電機的勵磁突然全部消失或者部分消失。引起失磁的原因有轉子繞組故障、勵磁系統故障、自動滅磁開關誤跳閘、半導體勵磁系統中某些元件損壞或回路發生故障以及誤操作等。

關鍵詞：發電機；失磁；保護裝置

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省湖州市安吉縣境內，電站總裝機容量1800MW，裝設6臺單機容量為300MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機-發電電動機組。在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等任務。

一、發電機失磁運行的后果

發電機完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減至零，由于發電機的感應電動勢隨著勵磁電流的減小而減小，因此，其電磁轉矩也將小于原動機的轉矩，因而引起轉子加速，使得發電機的功角增大，當功角超過靜態穩定極限角時，發電機與系統失去同步。發電機失磁后將從電力系統中吸取感性無功功率。在發電機超過同步轉速后，轉子回路中將感應出頻率為發電機轉速與系統頻率差的電流，此電流產生異步轉矩。當異步轉矩與原動機轉矩達到新的平衡時，即進入穩定的異步運行。

當發電機失磁進入異步運行時，將對電力系統和發電機產生很大影響：

（1）需要從電力系統中吸收很大的無功功率以建立發電機的磁場。所需無功功率的大小，主要取決于發電機的參數以及實際運行的轉差率。失磁前帶的有功功率越大，失磁后轉差就越大，所吸收的無功功率也就越大，因此，在重負荷下失磁進入異步運行后，如不采取措施，發電機將因過電流使定子過熱。

（2）發電機從電力系統吸收無功，引起系統電壓下降。如果電力系統無功儲備不足，將使鄰近故障發電機的系統某點電壓低于允許值，使電源與負荷間失去穩定，甚至造成電力系統因電壓崩潰而瓦解。

（3）失磁后發電機的轉速超過同步轉速，因此，在轉子及勵磁回路之間產生差頻電流，差頻電流在轉子回路中產生的損耗，如果超出允許值，將使轉子過熱。大型機組，其熱容量的裕度相對較低，轉子更易過熱。

對水輪發電機而言，由于：①異步功率較小，必須在較大的轉差率下運行，才能發出較大的功率；②由于水輪機的調速器不夠靈敏，可能在功率尚未達到平衡以前就大大超速，從而使發電機與系統解裂；③同步電抗較小，如果異步運行，則需要從電力系統吸收大量的無功功率；④其縱軸和橫軸很不對稱，異步運行時，機組振動較大等，因此水輪發電機一般不允許在失磁以后繼續運行。

二、失磁保護轉子判據

發電機失磁后，其轉子勵磁繞組電壓會出現降低，降低的幅值隨失磁的方式而不同。失磁保護的轉子判據，根據失磁后勵磁繞組電壓初期下降的特點來判別失磁故障。

三、失磁保護的構成方式

大型發電機失磁后，當電力系統或發電機本身安全運行遭到威脅時，應將故障的發電機切除，以防止故障擴大。完整的失磁保護通常由發電機機端測量阻抗判據、轉子低電壓判據、變壓器高壓側低電壓判據、定子過電流判據構成。

四、天荒坪電站失磁保護配置

天荒坪電站由于抽水蓄能電站的特性原因設置了發電方向和抽水方向兩套獨立的失磁保護。其中1～5號機采用ELIN公司的數字元件保護系統DRS和西門子7UM62發電機保護裝置，6號機采用安德里茨公司的DRS數字式保護系統。

天荒坪電站失磁保護的邏輯圖如下圖所示：

圖中的繼電器為轉角測量繼電器，T1，T2為時間繼電器，Ig，Ug為發電機電流，電壓，Ilc為勵磁電流。

采用安德里茨公司的DRS數字式保護系統的該保護，以異步阻抗圓元件和勵磁低電流作判據檢測發電機失磁。該保護分兩段動作，一段動作時間：過原點擴大的靜穩邊界阻抗圓判據，報警，二段動作時間：過原點擴大的靜穩邊界阻抗圓+無勵磁電流判據，跳閘。

該保護的ELIN公司數字元件保護系統DRS分兩段動作，通過轉角測量元件測量功角，當功角過大超過整定值，長延時動作。當功角過大超過整定值并且勵磁電流過小達到整定值時，短延時動作。現該裝置保護在信號狀態。西門子7UM62發電機保護裝置的該保護是通過計算發電機導納作為動作判據，通過發電機組的導納值的變化與勵磁電壓低判據的配合實現報警、短延時跳閘、長延時跳閘功能。安德里茨公司的DRS數字式保護系統的失磁保護以異步阻抗圓元件和勵磁低電流作為判據檢測發電機失磁。該保護分兩段動作，一段：過原點擴大的靜穩邊界阻抗圓判據，動作報警，二段：過原點擴大的靜穩邊界阻抗圓與無勵磁電流為判據，動作于跳閘。

本文所提的失磁保護配置，經歷了20年的實際運行的考驗，可以說明天荒坪電站的失磁保護配置合理，順利保護了發電機的安全運行，為電站實現安全生產、穩定經營提供了有力保障，同時也可以為同類電站的保護配置提供參考。

參考文獻

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

[2]黃暉，陸繼明.《抽水蓄能機組微機勵磁控制器的研制》.大電機技術，2004.5.

作者簡介：

許繼飛（1991-），男，本科，主要從事水電站運行管理工作。

（作者單位：華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司）