白莲河抽水蓄能电站发电电动机失磁保护的探讨

景 城，王 琳

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 罗田 438600）

1 工程概况

白莲河抽水蓄能电站装设4台单机容量为300 MW的单级混流可逆式水泵水轮电动发电机组，发电电动机为立轴、半伞、空冷可逆式同步发电电动机，发电工况额定容量334 MV·A，电动机工况额定容量325 MW，额定电压15.75±6.5%kV。发电电动机和主变压器采用单元接线方式，之间通过IPB连接，设换相开关与发电机断路器。主变压器型号为SSP10-360000/500，额定容量 360 MV·A，高压侧额定电压525±2×2.5%kV。每两台主变高压侧接入一套地下500 kV GIS联合单元，经500 kV干式高压电缆接入地面500 kV GIS，以一回出线接入华中电网。

电站机组保护采用的装置是法国ARIVER生产的P34x系列，下面将对从失磁保护动作原理上进行剖析，比较该装置与国产失磁保护动作原理，分析二者存在的差异。

2 发电机失磁原理及后果

发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至0。由于发电机的感应电势随着励磁电流的减小而减小，因此，其电磁转矩也将小于原动机的转矩，因而引起转子加速，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。发电机失磁后将从并列运行的电力系统中吸取电感性无功功率供给转子励磁电流，在定子绕组中感应电势。当发电机超过同步转速后，将进入异步运行。

发电机失磁后而异步运行时，将对电力系统和发电机产生以下影响：

（1）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。

（2）由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。

（3）失磁后发电机的转速超过同步转速，将在转子及励磁回路中产生交流电流，因而形成附加损耗，使发电机转子和励磁回路过热。

3 两种失磁保护对比分析

3.1 电站失磁保护原理

由P34x继电器构成的失磁保护由3个元件组成，包括2段延时阻抗元件和1个无功进相 （功率因数）报警元件，其动作原理如图1所示，逻辑框图见图2。

图1 失磁保护原理

图2 发电电动机失磁保护逻辑框图

阻抗元件输入信号为Ia和Ua，最小工作电流和电压分别为20 mA和1V（二次侧额定电流和电压：Ιn=1 A，Vn=100/120V），100 mA和 4V （二次侧额定电流和电压：Ιn=5 A，Vn=380/480 V）。

电机失磁失步后，在吸收系统无功的同时尚能保持20%～30%的有功输出，这种情况可以保持几分钟而不会导致转子损坏，传统的失磁阻抗元件不能反应这种状态，因此P34x提供了无功进相 （功率因数）报警元件来处理这种情况。处于失磁状态下电机运行依赖于剩余系统能否向电机提供所需求的无功，如果系统不能提供足够的无功，系统电压降下降且系统将变得不稳定，这种情况一般发生在大型电机连接在一个相对较弱系统，且电机带有较大负荷。为确保这种情况下能快速跳闸，其中的一个阻抗元件必须采用较短的延时，该原件快速跳开发电机以保持系统稳定。为防止振荡下误动，该阻抗元件直径要求较小。较大直径的阻抗元件用来检测发电机低负荷下的失磁故障，且设置一个延时防止振荡下的误动。

3.2 国内常用的失磁保护原理

目前，国内发电机失磁保护应用较多为静稳边界圆动作特性 （见图3），发电机失磁后，机端测量阻抗轨迹由图中第I象限随时间进入第Ⅳ象限，达静稳边界附近进入圆内。静稳边界阻抗判据满足后，至少延时1～1.5 s发失磁信号、压出力或跳闸，延时1～1.5 s的原因是躲开系统振荡。扇形与R轴的夹角10～15为了躲开发电机出口经过渡电阻的相间短路，以及躲开发电机正常进相运行。

图3 国内失磁保护动作特性

3.3 两种原理定值计算比较

按国内失磁原理整定的定值计算，静稳阻抗圆与jx轴的上下交点分别为Z1A和Z1B。

系统电抗 （折算至机端，按单台发电机计算，不考虑其他机组影响）计算：

最大系统联系电抗Xstmax=0.0407+0.1299=0.1706

最小系统联系电抗Xstmin=0.0261+0.1299=0.1560

发电机侧基准阻抗

故 Z1Amax=0.1706*70.7=120.6 Ω， Z1Amin=0.156*70.7=11.03。

表1 两种原理定值整定比较表

根据 “导则”计算

因此，定值整定如下 （括号内为标幺值）：①考虑系统最大运行方式， Z1A=12.06（0.1706），Z1B＝-76.4（1.08）。②考虑系统最小运行方式，Z1A=11.03（0.156）， Z1B＝-76.4（1.08）。

两种原理计算定值比较见表1。

4 结 语

由对白莲河抽水蓄能电站失磁保护装置及动作原理与国内常用的机组失磁保护进行的比较分析，可以看出该电站失磁保护装置的优点是：电机失磁失步后，在吸收系统无功的同时尚能保持20-30%的有功输出，这种情况可以保持几分钟而不会导致转子损坏，传统的失磁阻抗元件不能反应这种状态；缺点是：①两圆的上顶点均不能整定到坐标原点以上，因此不能完全拟合静稳边界。②没有转子判据作为配合，也没有负序闭锁等元件配合，可靠性有些不足。

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

［2］ 何仰赞，温增银.电力系统分析 ［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002.