一种新判据的发电机失磁保护分析

国网技术学院泰山校区 高 原

1.引言

近年来，随着全国电力系统单机容量的不断增大，大型发电机组的安全稳定运行显得尤为重要。励磁系统作为发电机组的重要组成部分，其能否正常运行会对机组乃至整个电力系统产生较大影响。由于发电机失磁对电力系统及发电机本身都会造成严重危害，特别是水轮发电机不允许失磁异步运行。为保证电力系统和发电机的安全，必须装设失磁保护，以便及时发现失磁故障并采取必要措施。因此，加强对失磁保护的研究是非常必要的。常规的失磁保护判据存在一定延时，保护速动性差，且存在较大的误动可能，因此有必要对失磁保护进行详细分析进而得出一种新的原理和判据。

2.发电机失磁概述

2.1 发电机失磁的原因

同步发电机在正常稳定运行时，一方面向系统输出有功功率，另一方面根据系统安全稳定性需要，还要在励磁装置作用下向系统输出一定的感性无功功率，这是电力系统一项重要、优质、廉价的无功电源[1]。但同步发电机是一种旋转发电机，正常运行时发电机转子励磁回路一部分元件处于高速旋转之中。对于常规直流励磁机励磁系统，由于励磁机定子绕组断线，整流子、滑环损坏，碳刷断落，发电机励磁回路断线，灭磁开关误动等原因，特别是对于现在普遍推广使用的半导体励磁系统，由于励磁功率回路发生整流变压器故障、变压器高、低压侧熔断器熔断、整流二极管烧毁以及励磁调节器个别元件故障，均可引起发电机励磁电流大幅度减小，甚至为零，称之为所谓的“失磁”。[2、3、4]

2.2 发电机失磁过程分析

在失磁初始阶段，励磁电压突然减小，定子电动势相应减小，定子端电压和电流随之逐渐减小，滑差和功角则由于机械惯性变化很小，必然使发电机输出有功功率和无功功率降低。失磁后，励磁电流将逐渐衰减至零，发电机的感应电势随着励磁电流的减小而减小，电磁转矩将小于原动机的转矩转子加速使发电机的功角增大。当功角超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步。发电机失磁后将从系统中吸取感性无功供给转子励磁电流，转子出现转差，在定子绕组中感应电势，定子电流增大，定子电压降低，有功功率降低，无功功率反向并且逐渐增大，在转子回路出现差频电流，使电力系统电压下降及某些电源支路过电流，发电机的各电气量不断摆动，进而威胁发电机和系统的安全运行。[5]

图1 失磁保护的原理图

2.3 发电机失磁的危害

(1)发电机失磁后处于异步运行状态，其吸收系统无功向系统输送一定的有功，相当于进相运行。发电机端电压及系统电压降低，甚至可能引起系统电压崩溃。

(2)发电机定子电流增大，这对定子绕组发热将有不良影响。另外，失磁时的异步运行与欠励磁时的进相运行类似，还会引起端部漏磁增大，使定子端部铁心迭片和结构部件过热，不利于机组的绝缘和安全。

(3)失磁后在定子旋转磁场作用下，为了维持稳定的异步运行，励磁功率及转子损耗将会增大，造成转子局部过热。

(4)对于直接冷却高利用的大型汽轮发电机，在重负荷下失磁后，其转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动，将有很大甚至超过额定值的电磁转矩周期性作用到发电机轴系上，并通过定子传递到机座上。此时，转差也将作周期性变化，发电机周期性严重超速，这些情况都威胁着机组的安全。

3.发电机失磁保护的构成

3.1 发电机失磁保护的判据

发电机失磁保护应该能够反映发电机的失磁故障，而在发电机外部故障、电力系统振荡、发电机自同期并列以及发电机低励磁(同步)运行时不应误动。目前，国内比较普遍的失磁保护的判据有无功功率方向改变判据(逆无功)、静稳边界阻抗圆判据以及异步边界阻抗圆判据三种[5]。但是在振荡、短路、长线充电、电压回路断线、自同步运行等异常情况时都存在误动的可能，需要借助其他特征量作为辅助判据，以便保证动作的选择性。其他特征量主要包括励磁电压下降、没负序分量、无功功率方向改变等。现实中一般采用两种或两种以上的闭锁方式作为失磁保护的辅助判据。目前主要采用延时的方式来躲过系统振荡对保护的影响，但这种方式使保护的动作时间变长了，牺牲了保护的速动性。为此考虑研究失磁和振荡的差别，从本质上区别两者的不同，来防止保护误动。通过参考文献[6]应用Matalab软件对失磁故障的仿真，为实现可靠的失磁保护提供了理论基础。

发电机失磁后参数的变化随失磁方式的不同而不同。分析比较各种失磁仿真结果发现：

(1)开路失磁时，转子励磁电流最先下降到接近零值，机组最先进相运行，转子的过渡过程最短，最先进入稳态失磁异步运行状态，以后依次为部分短路失磁、经灭磁电阻短路失磁和直接短路失磁情况。

(2)在各种失磁故障中，直接短路失磁故障的暂态过程最慢，但机端定子电压、电流幅值，无功、有功功率和转差等量的波动范围最大；开路失磁导致的定子电流上升及电压下降的幅度最小，转差变化也比较平稳。因此经灭磁电阻闭合短路失磁是危害最小的，最适合发电机失磁异步运行的情况。

(3)分析各种故障频率变化特性发现：对于发电机直接短路失磁和经灭磁电阻闭合短路失磁故障，定子电流、电压及其无功、有功功率波形脉动频率相同，且是励磁电流波动频率的两倍；部分失磁故障时，转子励磁电流中除了交流分量外，还有直流分量，其频率特性要复杂些。

以发电机励磁绕组直接短路为例，发现发电机励磁绕组短路失磁时，励磁电压立即降为零，并保持不变；系统发生振荡时，发电机励磁电压周期性摆动。从中得出新的判据为：以发电机励磁电压为零时起观察一最大振荡周期时间T，若在此时间内励磁电压始终为负或零，则判断为失磁故障。采用负序电压闭锁元件可躲过系统故障及故障切除后系统振荡对保护的影响。采用TV断线检测元件可防止TV断线导致的失磁保护误动的发生。主要判据采用异步边界阻抗圆判据，该判据不会出现外部短路故障而导致失磁保护误动作，不需加入机端电压辅助判据及转子电压闭锁元件，保护动作的准确性高。

3.2 失磁保护原理框架图

由以上分析可知，本文的配置方案采用一个异步边界阻抗圆判据为主判据，加上新的电压判据和负序电压闭锁判据以及电压互感器断线闭锁为辅助判据。本失磁保护原理图如图1所示。

为保证失磁故障时保护能快速动作且在振荡、短路情况下不误动，框架图中采用励磁电压，异步边界阻抗元件之间“与”的关系，而负序元件和TV短线检测元件能可靠地防止保护误动，只有条件全满足情况下，失磁保护才会动作。

4.结论

本文在理论上构造了一个新的失磁保护框架，在失磁保护阻抗元件动作前判断振荡，避免了因延时给失磁保护带的不利影响，使发电机在发生失磁故障时保护能够快速动作，减少了失磁故障对系统和发电机本身的危害。本文是在参考文献仿真分析基础上建立的，本文并没有进行动模实验和现场验证，保护判据结果可行性，还有待于进一步的考证。

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京:中国电力出版社,1996.

[2]贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,1994.

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

[4]陈金星,陈建炳.发电机失磁保护动作原因分析[J].运行与维护,2006.

[5]程骁.大型发电机低励失磁保护仿真和整定的研究[硕士学位论文].北京:华北电力大学,2003.

[6]樊波,牛天林.基于MATLAB的发电机失磁故障仿真研究[J].电气技术,2007.