天荒坪抽水蓄能电站机组失磁保护配置浅谈

摘 要：发电机失磁是指发电机的励磁突然全部消失或者部分消失。引起失磁的原因有转子绕组故障、励磁系统故障、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。

关键词：发电机；失磁；保护装置

天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省湖州市安吉县境内，电站总装机容量1800MW，装设6台单机容量为300MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组。在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。

一、發电机失磁运行的后果

发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零，由于发电机的感应电动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，使得发电机的功角增大，当功角超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步。发电机失磁后将从电力系统中吸取感性无功功率。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率为发电机转速与系统频率差的电流，此电流产生异步转矩。当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。

当发电机失磁进入异步运行时，将对电力系统和发电机产生很大影响：

（1）需要从电力系统中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。所需无功功率的大小，主要取决于发电机的参数以及实际运行的转差率。失磁前带的有功功率越大，失磁后转差就越大，所吸收的无功功率也就越大，因此，在重负荷下失磁进入异步运行后，如不采取措施，发电机将因过电流使定子过热。

（2）发电机从电力系统吸收无功，引起系统电压下降。如果电力系统无功储备不足，将使邻近故障发电机的系统某点电压低于允许值，使电源与负荷间失去稳定，甚至造成电力系统因电压崩溃而瓦解。

（3）失磁后发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路之间产生差频电流，差频电流在转子回路中产生的损耗，如果超出允许值，将使转子过热。大型机组，其热容量的裕度相对较低，转子更易过热。

对水轮发电机而言，由于：①异步功率较小，必须在较大的转差率下运行，才能发出较大的功率；②由于水轮机的调速器不够灵敏，可能在功率尚未达到平衡以前就大大超速，从而使发电机与系统解裂；③同步电抗较小，如果异步运行，则需要从电力系统吸收大量的无功功率；④其纵轴和横轴很不对称，异步运行时，机组振动较大等，因此水轮发电机一般不允许在失磁以后继续运行。

二、失磁保护转子判据

发电机失磁后，其转子励磁绕组电压会出现降低，降低的幅值随失磁的方式而不同。失磁保护的转子判据，根据失磁后励磁绕组电压初期下降的特点来判别失磁故障。

三、失磁保护的构成方式

大型发电机失磁后，当电力系统或发电机本身安全运行遭到威胁时，应将故障的发电机切除，以防止故障扩大。完整的失磁保护通常由发电机机端测量阻抗判据、转子低电压判据、变压器高压侧低电压判据、定子过电流判据构成。

四、天荒坪电站失磁保护配置

天荒坪电站由于抽水蓄能电站的特性原因设置了发电方向和抽水方向两套独立的失磁保护。其中1～5号机采用ELIN公司的数字元件保护系统DRS和西门子7UM62发电机保护装置，6号机采用安德里茨公司的DRS数字式保护系统。

天荒坪电站失磁保护的逻辑图如下图所示：

图中的继电器为转角测量继电器，T1，T2为时间继电器，Ig，Ug为发电机电流，电压，Ilc为励磁电流。

采用安德里茨公司的DRS数字式保护系统的该保护，以异步阻抗圆元件和励磁低电流作判据检测发电机失磁。该保护分两段动作，一段动作时间：过原点扩大的静稳边界阻抗圆判据，报警，二段动作时间：过原点扩大的静稳边界阻抗圆+无励磁电流判据，跳闸。

该保护的ELIN公司数字元件保护系统DRS分两段动作，通过转角测量元件测量功角，当功角过大超过整定值，长延时动作。当功角过大超过整定值并且励磁电流过小达到整定值时，短延时动作。现该装置保护在信号状态。西门子7UM62发电机保护装置的该保护是通过计算发电机导纳作为动作判据，通过发电机组的导纳值的变化与励磁电压低判据的配合实现报警、短延时跳闸、长延时跳闸功能。安德里茨公司的DRS数字式保护系统的失磁保护以异步阻抗圆元件和励磁低电流作为判据检测发电机失磁。该保护分两段动作，一段：过原点扩大的静稳边界阻抗圆判据，动作报警，二段：过原点扩大的静稳边界阻抗圆与无励磁电流为判据，动作于跳闸。

本文所提的失磁保护配置，经历了20年的实际运行的考验，可以说明天荒坪电站的失磁保护配置合理，顺利保护了发电机的安全运行，为电站实现安全生产、稳定经营提供了有力保障，同时也可以为同类电站的保护配置提供参考。

参考文献

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

[2]黄晖，陆继明.《抽水蓄能机组微机励磁控制器的研制》.大电机技术，2004.5.

作者简介：

许继飞（1991-），男，本科，主要从事水电站运行管理工作。

（作者单位：华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司）