基于导纳特性的水轮发电机失磁保护新判据

沈全荣，陈佳胜，陈 俊，郭自刚，王 光

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

发电机失磁是常见的故障形式，特别是大型机组，励磁系统的环节较多，增大了发生失磁的概率。历年全国电力系统主设备故障调查统计显示，发电机故障中，失磁故障所占的比重相当大。

发电机失磁后将过渡到异步运行状态，转子出现转差，定子电流增大，定子电压下降，有功功率下降，无功功率反向并增大，电力系统的电压下降。这些量的变化在一定条件下将破坏电力系统的稳定运行，威胁发电机本身的安全。

近年来，大型水电机组的建设比较迅速，对于失磁保护也提出了更高的要求。对于水轮发电机等凸极发电机，通过几何作图法获得的特性为一水滴状曲线。已有的失磁保护限于装置硬件计算处理能力，无法按照其实际特性来构成判据；常规失磁保护定子判据多采用苹果圆阻抗特性、静态稳定阻抗圆加电抗线特性、两段式导纳线判据［1-3］等近似拟合的方案来实现，并不能完全真实地反映凸极机失磁时的静态稳定边界，某些工况下存在不正确动作的情况。

本文根据凸极发电机的静态稳定导纳边界特征，提出了基于静态稳定导纳边界的凸极发电机失磁保护定子判据，并可与其他判据配合以实现完善的失磁保护。

1 凸极发电机静态稳定导纳特性推导

水轮发电机、抽水蓄能机组等凸极发电机由于直轴同步电抗和交轴同步电抗不相等，其静态稳定边界与隐极发电机有很大差别。

对于凸极发电机而言，在稳态情况下，无穷大电源母线处通过的有功和无功功率［4-5］分别为：

其中，Ps、Qs分别为发电机向系统输送的有功功率、无功功率；δ为发电机功角；Eq为发电机电势；Us为系统侧电压；Xd、Xq分别为发电机直轴同步电抗、交轴同步电抗；xs为系统联系电抗。

母线处的静态稳定导纳边界为：

其中对于给定的 P、Q，a 均对应于一ss个确定的静态稳定极限角δj。

已知母线处测量导纳Ys，则可以求出机端测量阻抗为：

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由机端测量阻抗可以求出机端导纳Y：

根据上述公式可得凸极发电机的失磁故障静态稳定导纳特性曲线如图1所示，图中阴影部分为动作区。

图1 凸极发电机失磁故障静态稳定导纳特性Fig.1 Admittance characteristic of static stability limit of salient pole generator with LOE fault

2 凸极发电机失磁保护导纳判据应用现状

凸极发电机失磁保护导纳判据见图2。从目前的文献①西门子股份有限公司.多功能发电机保护7UM62用户手册（V4.6）.2005.，［6］可见，现有的失磁保护导纳判据多采用图2中点划线所示的两段式导纳特性。

图2 凸极发电机失磁保护导纳判据Fig.2 Admittance criterion of LOE protection for salient pole generator

图2中，导纳线1按照静态稳定极限乘以系数1.05考虑，倾角 α1在 60°～80°之间取值；导纳线 2按照90%的1／Xd考虑，倾角 α2取90°。很明显，图2中导纳线1、2（图2中点划线）交叉形成的导纳动作特性不能与凸极发电机的实际静态稳定边界特性（图2中虚线）很好地吻合，缺少了图2中的区域A，多了区域B，人为改变了失磁保护的动作区域。因此，现有的导纳判据不能很好地反映凸极发电机组的失磁故障。

为了真实反映水电机组等凸极发电机的失磁故障，采用凸极发电机的实际导纳静态稳定边界来实现失磁保护。这样既防止了失磁保护在轻载、进相等运行工况下的误动，也不会出现用导纳线1、2组合判据来拟合静态稳定边界时，因整定不合理可能导致的失磁保护不正确动作。

3 凸极发电机失磁保护导纳原理新判据及其实现

3.1 定值整定计算

只需输入发电机原始参数，保护装置程序内部自动进行保护定值的计算。

输入发电机直轴同步电抗Xd、发电机交轴同步电抗Xq、发电机组系统联系阻抗xs，通过计算可以得到 xd∑、xq∑、a。根据上文的计算公式，可以计算出动作特性曲线如图1所示，曲线外侧为导纳特性动作区。

3.2 新判据

为了防止失磁保护在其他正常工况下的误动，可在导纳判据的基础上增加无功反向判据B＞0。

其中，α为导纳线的角度定值，一般根据励磁调节器的低励极限角度或同步发电机稳定特性倾角选取，在 60°～80°之间；1 ／Xzd（即图 3 中的 Yzd）为导纳定值，一般按照1／Xd来考虑。

图3 凸极发电机静态稳定边界导纳判据Fig.3 Admittance criterion of static stability limit for salient pole generator

将凸极发电机静态稳定边界导纳动作判据反演至阻抗平面，可得到图4，图中，阴影部分为动作区。

由图4可清楚地看出发生发电机失磁故障时机端测量阻抗的轨迹，增加电抗线判据可有效躲过进相运行等工况。

3.3 新判据的实现

根据发电机机端正序电压、正序电流计算导纳：

图4 凸极发电机静态稳定边界导纳判据在阻抗平面的反演Fig.4 Admittance criterion of static stability limit for salient pole generator，projected on impedance plane

其中，IT、UT分别为机端电流和电压的正序分量。

由 Gop、Bop可求出：

其中，IT、UT分别 IT、UT的模值；UC和 US分别为机端正序电压的实部和虚部；IC和IS分别为机端正序电流的实部和虚部。

由tanφop或φop比对定值数据，得到对应角度下的定值如果则判为进入水轮发电机失磁保护静态稳定边界导纳动作区。

与无功反向判据或导纳线判据式（10）结合，可判别是否进入动作区。

4 动模试验和现场验证

为验证本文所提的失磁保护导纳新判据，在南瑞继保动模实验室进行了试验验证。试验结果表明，本文所提判据在部分失磁、完全失磁及开路失磁故障情况下均能灵敏动作，在机端两相短路故障、升压变高压侧单相接地及两相短路故障、系统振荡等情况下均可靠不动作。

某水电站机组轻载时，发生完全失磁故障时的保护动作录波数据也验证了本判据的有效性，其动作边界及导纳轨迹如图5所示。定值设置情况为：Xd＝ 0.95 p.u.，Xq＝ 0.67 p.u.，xs＝ 0.2 p.u.，X′d=0.3 p.u.，阻抗角为 75°，Yzd＝0.947 p.u.。

图5中曲线2为水轮机静态稳定极限导纳特性圆；曲线1为失磁过程导纳轨迹，沿a b c d（其中a点为0 s时刻，b点为0.943 s时刻，c点为1.248 s时刻，d点为4.516 s时刻）的顺序逐渐进入到导纳线外甚至是水轮机静态稳定极限圆外，落入动作区。

图5 发生失磁故障的水电机组的静态稳定极限导纳轨迹Fig.5 Admittance trajectory of static stability limit of salient pole generator with LOE fault

5 结语

a.凸极发电机失磁保护新判据直接采用水滴状曲线静态稳定边界导纳特性，可以准确判别凸极发电机的失磁故障，防止了导纳线、苹果圆阻抗判据等与静态稳定边界不匹配导致的不正确动作。

b.凸极发电机失磁保护新判据整定方便，只需输入Xd、Xq、xs等参数，保护装置自动计算出静态稳定边界水滴状曲线，实现失磁保护导纳新判据。

c.凸极发电机失磁保护导纳新判据与无功反向、电抗线等判据组合，可进一步提高其可靠性。

d.凸极发电机失磁保护导纳新判据在各种失磁故障情况下均能灵敏可靠动作，具有良好的推广应用前景。

参考文献：

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