發電機失磁保護動作原因分析與處理

楊新凱

（河南能源化工集團安化公司）

0 引言

安化集團4#發電機型號為：QFW-12-2，額定功率：12MW，額定電流：1375A，定子繞組單Y接線，中性點不接地。出線經母線橋至AH05#開關柜接熱電站6kV 母線I段，并接302站6kV I段入網。因同I段的一臺2600kW空壓機啟動時發電機報失磁二段跳閘，本文對發電機失磁保護動作原因及處理措施進行分析闡述。

1 發電機失磁經過與初步分析

2023年7 月15日安化集團供電系統正常運行，4#發電機所帶負荷2900kW，10時41分47秒4000空分高壓室I段一臺容量為2600kW的空壓機正常啟動，10時41分48秒熱電站4#發電機報失磁二段保護跳閘，導致4#發電機與電網解列，查看當時運行方式為熱電站4#發電機與空壓機同在I段運行，根據現場實際情況初步判斷造成發電機失磁的原因有以下五種：

1）勵磁柜至現場勵磁機電壓線電纜有斷裂情況。

2）勵磁柜控制器已運行長達10年，有故障的可能。

3）空壓機啟動時造成系統電壓波動，勵磁柜強勵誤動作。

4）失磁保護定值整定計算有誤。

5）微機繼電保護裝置故障導致誤動作。

綜合以上幾項原因，針對性排查情況如下：①停機后對現場勵磁機電纜進行檢查，勵磁電纜絕緣良好，無斷股及接地現象；②空壓機啟動時系統電壓僅有稍微降低，未達到勵磁柜強勵動作條件；③失磁保護定值由設計院專業人士核算，與發電機實際運行相符；④對勵磁系統、微機繼電保護裝置校驗，調試均正常。因此，4#發電機失磁的核心問題并不在此，再次審視發現發電機發生失磁動作的情況是一臺2600kW的空壓機啟動后，4#發電機失磁保護動作并與電力系統解列，初步的推斷是繼電保護裝置的失磁判斷出現問題，并將對這個原因進行深入分析。

2 發電機微機繼電保護失磁判據組成

當發電機的勵磁系統發生故障，可能會引起勵磁力的下降甚至消除，從而使得發電機與系統脫離同步，這將會對機組及電力系統的安全帶來極大風險。因此，對于大規模和中等規模的機組，必須裝設失磁防護設備。失磁保護的關鍵判斷標準可以由以下的一項或兩項準則組成。

2.1 靜穩極限勵磁電壓Ufd（P）主判據

優勢在于：該標準能在失磁的初始階段，一旦發生偏差，因Ufd迅速下滑，Ufd（P）標準即可立即進入動作狀態；在常規操作條件下失磁，Ufd（P）標準的動作速度比靜穩邊界阻抗標準快約1s以上，具有預見性失磁失步的功能，能有效提升機組的壓力輸出或者切換勵磁的效率。系統網絡見圖1。

圖1 計算示意圖

Ufd（P）判據的動作方程為：

Cn為額定有功時的修正系數，為發電機額定有功時極限功率角，當電機處于額定功率時，Cn代表修正因子，并且它是最大功率角。在實際應用中，沒有必要計算它，只要根據Kn=Pn/Pt的比例信息參考相應的表格或曲線，就能找到Cn的數值，參閱如表1所示的有關Cn的表格和曲線。

表1 Kn- Cn

圖2展示了Ufd（P）判據的行為特征呈傾斜的直線型態。

圖2 Kn- Cn曲線

Ufd（P）判定可能在磁場喪失和失步之后出現不穩定，建議執行自我保持或延遲回歸策略以確保其持續作用。在系統短路過渡階段以及系統振動過程中，Ufd（P）判定可能產生操作錯誤，應執行有效的閉鎖機制以確保出口的準確性。

2.2 定勵磁低電壓判據

為了保證在發電機空載運行及P＜Pt的輕載運行狀況下失磁時保護的安全性，或為了全失磁及嚴重部分失磁時保護能較快響應，附加裝設整定值為固定值的勵磁低電壓判據，簡稱之為“定勵磁低電壓判據”，其動作方程如下：

式中，Ufd.set為勵磁低電壓設定值，設定的范圍是（0.2～0.8）Ufd0，通常可以選擇Ufd.set等于0.8Ufd0。

如果“定勵磁低電壓判據”是單獨輸出的，還需要實施“I＜0.06In”的閉鎖操作，其目的是避免在發電機并網和解列過程中發生失磁保護的錯誤輸出。

在系統出現短路或其他嚴重干擾，以及由此引發的系統振動過程中，“穩定勵磁低電壓邏輯”不會錯誤觸發。

圖3所示的水平直線部分，呈現出了固定磁化低電壓判斷標準的反應特性曲線。

圖3 Ufd-P以及恒定勵磁低電壓決策動作特征曲線

2.3 靜穩邊界阻抗判據

圖4 靜穩邊界阻抗判據動作特性

需要明確，發電機產品手冊中的Xd值，以“Xd（銘牌）”形式出現，是銘牌上的表示值，屬于不飽和值。這個數值是發電機制造商在機端三相短路而短路電流低于額定電流的條件下試驗得出，可能存在較大誤差。

為了避免失磁保護錯誤觸發，在靜態穩定扇區以及Ufd（P）失磁保護判斷標準的設定計算過程中，使用的Xd值定義如下：Xd=Xd（銘牌）/1.3。

2.4 穩態異步邊界阻抗判據

當發電機出現會引發失步的失磁現象后，首先觸及靜態平衡的邊緣，接著切換至非同步運行，最終達到穩定的非同步運行模式。該判斷條件的操作模式為下拋圓模式，與發電機穩定的非同步邊界模式相吻合。特征曲線可參見圖5。

圖5 阻抗特性曲線

2.5 主變高壓側三相同時低電壓判據

發電機在失磁之后可能會導致主變壓器高壓側（系統）電壓下降，進而可能導致部分電網電壓瓦解。因此，在設計失磁保護方案時，應將“三相低電壓”的判斷標準加入其中。為了避免誤觸發該標準，它應該和其他標準共同構成“與”門輸出。

該評定標準主要用于評估失磁狀態下的發電機對系統電壓（即母線電壓）的作用。

式中，Ut.set為主變高壓側的電壓，它的正常值范圍約在Un的85%～90%。不過，在一些特殊情況下，當發電機失去勵磁的時候，主變高壓側的電壓無法降至設定值以下。這種時候，決定規則可以改為“發電機機端三相同步低電壓”，此時的Ut.set的取值通常會選在Un的75%～80%（具體應根據廠用系統）。

2.6 機端過電壓判據

在諸如發電機突然丟失負荷等過電壓場景下，會強制降低勵磁，導致Ufd的驟降，這可能會誤觸發Ufd（P）判定或是低電壓勵磁判定。因此，會運用機端過電壓判定來防止這種情況，且執行后會進行4～6s的延時鎖閉措施，避免誤動作的失磁保護出口。

式中，Ugn為發電機機端額定電壓。

發電機微型保護系統是根據發電機端部測量的阻抗異步阻抗圓來進行動作判斷的。

3 失磁保護定值計算

3.1 發電機數據

S=12/0.8=15MVA，Un1=6.3kV，1375A縱軸超瞬變電抗Xd″=11.6%，縱軸瞬變電抗Xd′=19.2%，縱軸同步電抗Xd=193.1%，逆序電抗X2=14.2%，零序電抗X0=5.85%，短路比0.51。

3.2 阻抗計算

（2）系統聯系電抗

熱電站6kV母線故障，系統提供最大三相短路電流：16.695kA

（3）異步邊界阻抗

（4）靜穩極限阻抗

式中，Xcom為系統與發電機之間的電抗，包括變壓器（如果有）、系統及線路標幺值。以發電機額定值為基準，na、nv為電流互感器、電壓互感器變比。

3.3 發電機側主判據

（1）靜穩邊界阻抗

（2）穩態異步阻抗

3.4 輔助判據

（1）勵磁低電壓

（Ufd0為發電機空載勵磁電壓）

（2）機端低電壓

4 失磁動作原因發現與分析

裝置失磁動作記錄如表2所示。

表2 4#機失磁動作記錄表

表中動作值的計算結果表明，其阻抗值在異步圓動作范圍內滿足了動作需求，同時發電機的設定值和保護設備的響應都表現正常。經過對表2的動作值重新分析，發現Uab和Iab之間的角度差距約為-120°，可是勵磁電壓正常，初步懷疑是失磁誤動作。再去檢查正常運行狀態下的電流電壓相位角，發現Ia是180°角，而Ua僅為36°角，推斷可能是保護電流Ia、Ib、Ic的接入和接出方向反了。作為發電機的關鍵保護設備，失磁保護的保護邏輯對保護電壓、電流接線方式要求0°接線。為了進一步找出問題的原因，使用多功能相位儀來測量正在正常運行的電流、電壓相位，測試結果如圖6所示。

圖6 原電流電壓相位圖

依據圖中所示電壓與電流相位關系，能明顯分辨出保護電流Ia、Ib、Ic進出接反，導致實際運行中其阻抗值為穩態異步阻抗，計算后落在第三象限，當大容量空壓機啟動時，系統無功缺額比較大，發電機輸出無功增加，以致發電機電流上升，阻抗值下降為定值整定以下后失磁二段動作。

5 對策實施與效果分析

1）調整4#發電機失磁保護使用的電流互感器的極性，并對發電機的端部電流互感器的起始和終止端進行設置，以此修正發電機端部電流互感器的電流方向。

2）繼續優化圖紙，對失磁保護電流互感器接線方式的錯誤進行修正。

3）利用微機繼電保護測試系統對投用的失磁保護功能進行再次試驗，確保動作邏輯可靠、準確。

4）試驗結束后，4#發電機并網運行，再次利用多功能相位儀對調整后運行中的電流、電壓相位進行測試，結果如圖7所示。

圖7 調整后電流電壓相位圖

通過圖片中的數據分析，能明顯觀察到發電機Uab/Iab在經過調節后在第一象限進行運行。有功功率和無功功率都處在正值狀態，這是計算發電機阻抗的標準位置。為進一步驗證調整后失磁保護的可靠性，實際模擬當時場景進行空壓機啟動試驗，在兩次啟動試驗中發電機均正常運行。

6 結束語

通過此次4#發電機失磁保護跳閘動作原因的分析，對發電機失磁保護邏輯與判定方式有了深刻了解，但想成為一名合格的繼電保護專員，還應加強繼電保護專業知識的學習，對運維的發電機二次回路應定期檢查，對于新投入的保護功能應提前校驗定值的可靠性與對應二次接線的準確性。