汽轮发电机失磁保护动作行为分析方法

张红跃 肖志刚 张海宁 刘艳东 张军红 罗明辉

(1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000;2.辽宁清河发电有限责任公司，辽宁 铁岭 112003)

0 前言

失磁保护是发电机组的励磁电流下降或励磁电流消失事故的保护，能消除(保护)机组和系统因失磁事故带来的电流增大、系统电压或机端电压下降和机组及系统振荡的危害［1］。为使有关运行、继保人员对失磁保护有个正确的评价和认识，有必要对汽轮发电机失磁保护在进相试验(或运行)前和失磁事故后作分析验算，了解失磁保护动作行为，以便作好进相运行或试验前准备和失磁事故后的分析［2］。

1 失磁保护判据

汽轮发电机失磁保护判据较多［3-5］，受篇幅所限，这里就最常用的静稳极限阻抗圆、异步阻抗圆、系统低电压和机端低电压等判据展开失磁保护动作行为分析。

1.1 静稳极限阻抗圆判据

阻抗圆上动作整定值：Z1A=jXst=j(Xt+Xs)

阻抗圆下动作整定值：Z1B=-jXd

1.2 异步阻抗圆判据

阻抗圆上动作整定值：Z2A=-jX'd/2

阻抗圆下动作整定值：Z2B=-jXd

1.3 系统低电压判据

按不破坏系统安全稳定电压来整定，系统低电压动作整定值：Us.set≤(0.85 ～0.90)Utn

1.4 机端低电压判据

按不破坏厂用电安全和躲过强励起动电压来整定，机端低电压动作整定值：Ug.set≤(0.75～0.90)Ugn

公式中：Xst是与系统间的联系电抗，Xt是主变电抗，Xs是系统联系电抗，Xd是发电机的纵轴电抗，X'd是发电机的纵轴暂态电抗，Utn是主变高压侧母线二次额定电压，Ugn是发电机机端二次额定电压。

2 判据验算及校核

2.1 机端测量阻抗

已知发电机机端电压U和电流 I，就知道机端阻抗：

知道发电机失磁过程中U、I、P和Q的变化，就可知道失磁过程中机端阻抗Z的变化轨迹。也就知道了机端在各不同U、P和Q数值下的机端测量阻抗：

式中：φ=arctg(Q/P)是功率角，UgN是机端额定电压一次值，Ksen是进相运行或失磁时机端电压要下降的下降系数。

2.1.1 进相运行时机端测量阻抗

都知道有时调峰需要使发电机进相运行吸收系统无功功率来调节减小系统电压，保证系统用电安全和电压质量;还有新机组为要掌握和调节好进相运行各种参数也必须要作新机组的进相运行试验，为此进相运行深度需要多大可使失磁保护不动作跳闸，保证进相运行顺利进行;或多大深度又可使失磁保护动作来检验失磁保护的动作可靠性。

理论上讲当发电机组送出有功功率为零，进相运行的无功功率可达额定有功功率值，但它要受定子端部约束线T曲线的限制。根据汽轮发电机组运行极限特性图和励磁绕组温升限制线，和给出的定子端部约束线即发电机运行规范T曲线可知，发电机进相运行时有功功率为零，一般无功功率最大值约是额定有功功率的0.4倍。

汽轮机组作进相运行(或进相试验)一般多取有功功率为0.5倍的额定有功功率(P=0.5PgN)，无功功率取0.33倍额定有功功率(Q=-0.33PgN)，由(1)式可得进相运行机端测量阻抗一次值为：

式中：取电压下降的可靠系数Ksen=0.9

P、Q是进相运行时的即时有功功率和无功功率，nTA、nTV分别是机端电流互感器和电压互感器的变比。

同理，若无功功率进相增大到Q=-0.4PgN以上时，失磁保护的阻抗判据圆有可能会误动，同时也超出了定子端部约束线T曲线的限制，在作进相试验时应加以注意。

2.1.2 失磁异常时机端测量阻抗

发电机发生严重失磁事故后，如不采取相应的补救措施，发电机与系统电源间的电功角δ会大于静稳极限角90°，直至达到180°时无功功率达最大负值，它等于失磁事故前机组所送出的有功功率，即Q=-P=-PgN，由2-1式可得失磁时的机端测量阻抗为：

2.2 阻抗圆判据验算

可由机端测量阻抗zcl是否进入失磁保护整定阻抗圆内来判断保护动作行为。阻抗边界动作值分为静稳阻抗圆和异步阻抗圆来讨论。根据失磁保护阻抗圆判据的整定圆可作出如图1的失磁保护阻抗整定圆。

图1 失磁阻抗边界动作值分析图

式中：φ是机组进相运行或失磁事故时的无功功率与有功功率所对应的功率角。

当测量阻抗(绝对)值小于阻抗边界动作值时，表示机端阻抗进入静稳阻抗动作圆内，判断保护会动作;当测量阻抗(绝对)值大于阻抗边界动作值时，表示机端阻抗没有进入保护静稳阻抗动作圆内，是在阻抗动作圆外部保护不会动作。

2.2.1 静稳阻抗圆的动作边界值

根据静稳阻抗圆整定值可计算出不同运行工况(进相运行或失磁)的机端阻抗角下的保护阻抗边界动作值。

由图1可知：P点是静稳阻抗圆圆心，半径：PA=c=(Xd+Xst)/2，∠ROA=φ是机端测量阻抗角，圆心线：即求阻抗边界动作值。

根据余弦定理有二元一次方程：

改写为：x2-2asinφ·x+(a2-c2)=0

其根：

a、c代入后化简得静稳阻抗边界动作值为：

静稳阻抗元件动作可靠( 灵敏) 系数为：Ksen.j=Zj，bj/Zj，cl，其值应大于1，大的越多说明保护动作越可靠(灵敏);若小于1或小的越多，静稳阻抗元件不会或越不会动作。

2.2.2 异步阻抗圆的动作边界值

由图1可知，Q点是异步阻抗圆圆心，半径：QB=c=(Xd-X'd/2)/2，∠ROB=φ，圆心线：两个边界动作值OB或OC。

可得两个异步阻抗边界动作值：

当测量阻抗(绝对)值小于异步阻抗边界一动作值而大于异步阻抗边界二动作值时，表示机端阻抗进入保护异步阻抗动作圆内，可判断保护会动作。动作可靠(灵敏)系数为：

2.3 低电压判据验算

大型发电机组失磁要大量吸收系统无功功率，增大定子电流和无功功率消耗，引发系统电压或机端电压的下降。当系统电压或机端电压下降到系统或机端所允许的安全电压值以下时，会危害电力系统或厂用电系统的安全稳定运行，或会引发系统电压的崩溃或引发机组锅炉爆炸。为保护系统电压或机端电压的安全，失磁保护必须设有系统低电压或机端低电压等作为系统电压或机端电压保护的主判据。

2.3.1 系统低电压验算

假设发电机在额定功率下发生失磁，其无功功率等于发电机送出的有功功率，吸收系统大量无功功率，升压变压器消耗的无功功率是uk%St，uk%是主变短路电压百分比，St是主变额定容量;系统联系电抗为Xs(应按不利条件即最小运行方式取值计算)上的压降为：ΔUs=(P+uk%St)Xs/Sb;那么升压变高压侧母线(系统)电压是：

P是失磁前运行的有功功率，Xs是基准容量下的联系电抗，Us.b是高压侧母线系统电压值(一次平均值或运行值)，Sb是系统基准容量。若此电压小于系统低电压整定值Us.set，系统低电压判据动作，可靠(灵敏)系数：

2.3.2 机端低电压验算

机组失磁时在系统电抗和主变电抗上的压降为：ΔUst=(P+uk%St)(Xs+Xt)/Sb，发电机机端电压是：

Ug=(1-ΔUst)UgN，Xt是基准容量下的主变电抗，UgN是机端额定电压一次值。若此电压小于机端低电压整定值，机端低电压判据动作，可靠(灵敏)系数：=/

3 实例

因各发变组和系统及联系电抗等参数不同，当机组发生失磁时的机端阻抗和系统电压或机端电压不同，使得失磁阻抗和低电压等判据动作行为也不相同。为更好说明问题并有个量的概念，这里以660MW核电汽轮发电机组为例来验算分析失磁保护动作行为。

某核电站机组额定容量660MW、最大容量733MVA、额定电压 UgN=20kV、XD=2.37、X'd=0.291、主变额定容量780MVA、主变短路电压比uk%=0.1745、电抗Xt=0.1643、高压侧额定电压Uh.N=515kV，最小运行方式系统联系电抗Xs.min=0.0288、最大运行方式系统联系电抗Xs.max=0.0161、上述各电抗值都是在基准容量Sb=733MVA下的标幺值，平均电压Uh.b=525kV;机端CT变比5600，PT变比200。

3.1 发电机组进相运行分析

发电机组进相运行试验工况是P=0.5PN、Q=0.33PN的机端测量阻抗、静稳及异步阻抗边界动作值和高压母线电压值或机端电压值如下：(二次值)

机端测量阻抗绝对值略大于静稳阻抗边界动作值，机端阻抗处在静稳阻抗动作区边沿上，其动作可靠(灵敏)系数Ksen.j=0.99很接近1，静稳阻抗判据元件有可能会误动作，所以要求在进相运行时无功功率不能大于0.33倍的有功功率值，否则静稳阻抗元件要误动作跳闸，进而不能保证机组的进相运行。测量阻抗在异步阻抗圆动作区外，异步阻抗元件不会误动;高压母线电压值和机端电压值都大于低电压整定值，保护低电压判据元件不会误动作，能确保机组正常进相运行。

3.2 发电机组失磁事故分析

发电机组在任何负荷下发生失磁事故时，机组从系统吸收的无功功率等于事故前机组送出的有功功率，功率角等于-45o，机端测量阻抗将会是一个波动的恒定值。因此可计算出机端测量阻抗、静稳及异步阻抗边界动作值和高压母线或机端电压值如下：(二次值)

机端测量阻抗绝对值小于静稳阻抗边界动作值，机端阻抗进入静稳阻抗扇形动作区内，静稳阻抗元件可靠动作，动作可靠(灵敏)系数是：

测量阻抗绝对值小于异步阻抗边界一动作值而大于异步阻抗边界二动作值，机端阻抗完全落入异步阻抗动作区内，动作可靠(灵敏)系数为Ksen.v1=2.10或Ksen.v2=1.44，异步阻抗元件可靠动作跳闸，能保护失磁机组及系统的安全。

高压母线电压大于系统低电压整定值，系统低电压元件不能动作;机端电压小于机端低电压整定值，其动作可靠(灵敏)系数Kset.gv=1.01，机端低电压元件处在动作边沿则有可能会动作。

4 结论

(1)要使发电机组安全顺利进行进相运行(或试验)，确保稳定的调节系统电压，进相运行前应就进相运行的有功功率和无功功率的大小作出验算，在失磁保护不误动的前提下，确定进相运行的有功和无功大小。

(2)如果发生了失磁事故也可通过验算来分析验证失磁保护的动作行为的正确性。

［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，2002.WANGWei-jian.Principle and application of electric power equipment protection［M］.Beijing：China Electric Power Press，2002.

［2］严伟，陈俊，沈全荣.大型隐极发电机进相运行的探讨［J］.电力系统自动化，2007.YANWei，CHEN Jun，SHEN Quan-rong.Discussion on Large Non-salient Pole Generator Phase-advancementOperation［J］.Automation of Electric Power Systems，2007.

［3］DL/T684-1999大型发电机变压器继电保护整定计算导则［M］.北京：中国电力出版社，1999.DL/T 684 1999 Guide of calculating setting of relay protection for large generator and transformer［J］.Beijing：China Electric Power Press，1999.

［4］柳焕章.发电机失磁保护的原理及整定计算.电力系统自动化，2004.LIU Huan-zhang.Principle of generator loss-of-excitation protection and its setting calculation.Automation of Electric Power Systems，2004

［5］殷建刚，彭丰，等.发电机失磁保护中系统低电压判据的探讨［J］.电力自动化设备，2003.YIN Jian-gang，PENG Feng，et al.Discussion system low voltage criterion in loss of field protection of generator［J］.electric power automation equipment，2003.