发电机失磁保护

发电机失磁微机保护的研究

摘要:介绍了现阶段的发电机失磁保护装置、发电机失磁保护的4种主要判据，并针对阻抗Ⅱ段和低电压判据延时较长的不足,提出利用发电机功率变化量作为失磁保护辅助加速判据。还研究了失磁保护方案存在的问题，针对相应的问题提出微机失磁保护新方案，并对新方案进行了介绍。

关键词:失磁保护；失磁保护判据；功率变化量；辅助加速判据；微机失磁保护新方案。

0 引言

中国历年来的发电机失磁故障率都比较高,因而,发电机失磁保护受到广泛重视。近年来,国内在发电机失励磁分析和试验方面做了很多工作,取得了很大的成绩。在失磁保护装置方面也已经开发出了多种型号的装置,其性能基本满足了电力系统的要求。现阶段新型微机失磁保护判据组合及作用结果包括如下四方面的内容：a.失磁保护Ⅰ段:定子阻抗判据、转子电压判据、变励磁转子低电压判据、功率判据和无功反向判据组合。失磁保护Ⅰ段投入,发电机失磁时,0.5 s降出力；

b.失磁保护Ⅱ段:系统低电压判据、定子阻抗判据、转子电压判据、变励磁转子低电压判据和无功反向判据组合。失磁保护Ⅱ段投入,发电机失磁时, 系统电压低于整定值,延时0.8 s 动作切发变组主断路器、灭磁断路器、厂用电源断路器及励磁系统各断路器；

c.失磁保护Ⅲ段:定子阻抗判据、转子电压判据、变励磁转子低电压判据和无功反向判据组合。失磁保护Ⅲ段保护投入,发电机失磁后,延时1.5 s,动作于“报警”,也可动作于“切换备用励磁”,或者动作于“跳闸”,有3种状态供选择；

d.失磁保护Ⅳ段:定子阻抗判据和无功反向判据组合。失磁保护Ⅳ段为长延时段,只判断定子阻抗判据,在减出力、切换备用励磁无效的情况下,5 min动作于“跳闸”。

1 发电机失磁后的基本物理过程及产生的影响

发电机失磁故障是指发电机的励磁突然消失或部分消失。对于失磁的原因有：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、及回路发生故障等。

当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势Ed 随着励磁电流的减小而减小，因此，其励磁转矩也将小于原动机的转矩，因此引起转子加速，使发电机的功角δ增大。当δ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，在定子绕组中感应出电势。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率为ff－fs（fs为系统频率、ff为发电机频率）的电流，此电流产生异步制动转矩，当异步转矩与原动机转矩达到平衡时，即进入稳定的异步运行。

当发电机异步运行时，将对发电机及电力系统产生巨大的应影响。⑴需要从系统中吸收很大的无功功率以建立发电机磁场。⑵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，如果电力系统的容量较小或无功储备不足，则可能使失磁的发电机端电压、升压变压器高压侧的母线电压、及其它的临近点的电压低于允许值，从而破坏了负荷与电源间的稳定运行，甚至引起电压崩溃而使系统瓦解。⑶由于失磁发电机吸收了大量的无功功率，因此为了防止其定子绕组的过电流，发电机所发的有功功率将减少。⑷失磁发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生频率为ff－fs的交流电流，因而形成附加的损耗，使发电机转子和励磁回路过热。对于水轮机，①其异步功率较小，必须在较大的转差下运行，才能发出较大的功率。②由于水轮机的调速器不够灵敏，时滞大，乃至可能在功率未达到平衡时就以超速，使发电机与系统解列。③其同步电抗较小，异步运行时，则需要从电网吸收大量的无功功率。④其纵轴和横轴不对称，异步运行时，机组震动较大等因素的影响，因此发电机不允许失磁。因此必须加装失磁保护。

2 发电机失磁保护判据

发电机失磁后, 转子出现转差, 在转子回路中出现差频电流, 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( 指非进相运行时), 在一定条件下, 发电机失磁故障将破坏电力系统的稳定性。现有的发电机失磁保护判据就是根据这些电气量变化而设立的, 现对其进行简要说明。

2.1 定子侧阻抗判据

定子阻抗判据有静稳边界阻抗判据和异步边界阻抗判据2种。静稳边界阻抗判据是根据发电机失去静稳时机端阻抗的变化轨迹而设立的, 异步边界阻抗判据是根据发电机失磁后转入稳定异步运行时机端阻抗的变化轨迹而设立的, 动作时间比较晚[1]。静稳边界阻抗判据异步边界阻抗判据动作区域都为圆, 如图1 所示。

图1 阻抗判据动作特性图

综合考虑振荡等因素，采用改进的两段阻抗判据。阻抗Ⅰ段的特性见图2。该圆距原点的距离为xd′/2,圆直径为标幺值1.0,本阻抗圆较国内常用的异步阻抗边界圆小[2],仅需带短延时躲过振荡。

图2 阻抗Ⅰ段的特性

阻抗Ⅱ段的特性见图3。阻抗圆由静稳极限圆切去无用或可能引起误动的部分构成[3]。系统振时,阻抗轨迹可能较长时间在Ⅱ段动作区内,因此,应带较长延时躲过振荡。

图3阻抗Ⅱ段的特性

2.2 转子电压判据

转子低电压判据也是根据发电机的静稳边界而设计的, 包括等励磁电压判据和变励磁电压判据。等励磁电压判据动作电压值为定值, 一般为额定空载励磁电压的80 %。变励磁电压判据的动作电压值随发电机输出的有功功率变化而改变[4]。

2.3 三相同时低压判据与过功率判据

三相同时低压判据分为主变高压侧三相低压判据和机端三相低压判据。主变高压侧三相低压判据防止发电机失磁故障造成高压母线电压的严重下降, 导致系统稳定性破坏, 动作电压取为母线额定电压的80 %～85 %。机端三相防止发电机失磁故障造成电厂辅机不能正常工作, 动作电压一般取为发电机额定电压的80% 。低电压保护是阻抗Ⅰ,Ⅱ段的补充。当在xs很大且送出的有功很大的情况下失磁时,阻抗Ⅰ,Ⅱ段可能动作缓慢,甚至拒动,低电压保护则可以快速动作。为防止振荡和外部故障时误动,低电压保护要带较长延时动作[5]。

过功率判据监视发电机输出的有功功率, 若有功功率大于一定值, 则降低发电机输出的有功功率。减小水轮发电机输出的有功功率可防止水轮发电机因失磁故障而失步, 减小汽轮发电机输出的有功功率则有可能将异步运行的汽轮发电机拉入同步。

2.4低励磁电流判据

当励磁电流很低时,由于转子护环磁路不饱和,由护环垂直进入定子端部叠片的磁通较多,产生很大的涡流,引起定子端部局部过热,在图3所示的PQ图中,低励磁电流保护的动作区在直线下方,动作条件可以表示为Q<-Q0+kP。

图4低励磁电流保护特性

3 失磁保护辅助加速保护

3.1 失磁保护辅助加速判据

上述4种主保护已构成较为完善的失磁保护,但阻抗Ⅱ段和低电压保护要带较长延时以躲过振荡和闭锁。为了增强这2种主判据的灵敏度,建议用发电机功率变化量构成失磁保护辅助加速判据,并将辅助判据分为启动判据和闭锁判据2类。

启动判据为:

(1)

(2)

式中:Q 和P 分别为发电机送出的无功和有功功率；N Q 为额定无功功率；k 为比例系数，

根据时间间隔Δt 的长短而定。

发电机送出的无功和有功功率各分别为:

(3)

(4)

下面分析几种情况下启动判据能否正确判断。

1)正常运行中失励磁。由于Eg 迅速下降和δ增大，开始时送出的Q 迅速下降,继而Q 反相且不断增大,直至δ=180°，式(1)恒成立。由于Eg 快速下降,由式(4)输出有功功率开始降低，然后随着δ增大，P 短时间内增大,因惯性作用可能超过原始有功功率,然后逐渐下降。大量现场试验证明，在原始有功功率较大、励磁电压下降较快的情况下，初始有功功率下降的时间不小于100 ms ，其他失磁情况的初始100 ms 内，有功功率也不会增加,因此,式(2)也满足。

2)缓慢降低励磁。为保持输出有功功率不变，δ缓慢增大,由于Q 降低很慢，不能满足式

(1)。但在δ=90°后,由式(4)，P 开始减小，剩余功率使转子加速；由式(3),δ增大使Q 快速下降，可使式(1)得到满足,同时式(2)也满足,起动判据成立。但式(1)的动作灵敏度可能不够,根据整定情况而定。

3)系统中的扰动或快速负荷变动引起振荡。如果δ逐渐增大，由式(3)可推断Q 会减小,N kQ t Q

-≤??0≤??t P ∑∑-=X U X E U Q s g

s 2cos σσsin ∑

=X E U P g s

导致式(1)成立。但由式(4)又可推断P 会增大,导致式(2)不成立。如果δ逐渐减小,开始时Q 增大。但在δ=0°后,Q 开始减小,式(1)成立,但同时P 的绝对值增大,导致式(2)不成立。由于在整个振荡周期中存在式(1)和式(2)同时成立的区域(如90°≤δ≤180°),因此,应在式(1)成立之初即固定整个启动判据的状态。闭锁判据主要采用负序电压U2，在U2存在期间及U2消失后一定时间内闭锁整套失磁保护。这样就可在系统短路过程中、短路故障切除后的振荡中及电压互感器回路断线时闭锁全套保护。

3.2 失磁保护辅助加速判据的微机实现

所研制的微机保护装置中央处理器(CPU)板硬件主要由32位数字信号处理器(DSP)及14位模/数转换器构成,每工频周期采样24点。装置采集发电机机端三相电压和三相电流,计算出每一采样间隔发电机的有功功率Pk 、无功功率Qk 和负序电压U2,k,然后分别计算出变化量:

n k k P P P --=? (5)

n k k Q Q Q --=? (6)

n k k U U U --=?,2,22 (7)

式中:k P 为当前采样间隔算出的有功功率;n k P -为超前当前n 个采样间隔算出的有功功率;k Q 为当前采样间隔算出的无功功率;n k Q -为超前当前n 个采样间隔算出的无功功率;k U ,2为当前采样间隔算出的机端负序电压;n k U -,2为超前当前n 个采样间隔算出的机端负序电压。对于失磁保护阻抗Ⅱ段及低电压2种主判据延时较长的情况,可以利用如下辅助加速判据:

1ε≤?Q (8)

0≤?P (9)

式中:1ε为整定门槛,一般取0.03~0.08倍的发电机额定功率。

当式(8)和式(9)同时成立时,判为失励磁加速状态,此时如果失磁阻抗轨迹进入阻抗边界圆,失磁保护将加速动作,从而保证失磁保护的灵敏性。

对于失磁保护阻抗Ⅱ段及低电压2种主判据,在某些非失磁故障时,也可能在短时间内使得发电机机端测量阻抗进入阻抗Ⅱ段或满足低电压保护动作条件,从而引起失磁保护误动。对于这种情况,采

用以下辅助判据:

22ε≥?U (10)

式中:2ε为整定门槛,一般取0.04~0.10倍的发电机额定电压。

当式(10)成立时,判为非失磁故障及故障后的振荡,从而闭锁失磁保护辅助加速判据以避

免误动。

4 失磁保护方案存在问题及分析

不同的失磁保护方案有不同的缺陷, 现对其中的几个主要缺陷进行分析。

a. 随着系统容量的不断增大和网络架构的不断增强, 系统的无功备用容量的增加, 中小型发电机的容量较小, 因失磁故障导致系统电压崩溃的可能性比较小, 对于发电机失磁保护方案采用主变高压侧低电压判据作为保护的主判据拒动的可能性越来越大[6]。

b. 机端定子阻抗判据是通过发电机机端感受阻抗判断发电机的失磁故障。由于静稳圆存在一、二象限的动作区, 在进相运行较深时容易误动; 水轮机组因凸极功率的存在而使异步运行时机组振动较大,不能在异步状态下运行, 不宜选用异步边界阻抗判据; 另外, 系统容量比较小, 发电机与系统联系薄弱,发电机发生失磁后, 机端阻抗曲线进入异步圆的时间较晚, 其他后备保护可能会先期误动作, 从而造成保护的混乱。

c. 对于水轮发电机, 失磁后减小发电机输出的有功功率有可能防止水轮发电机失步; 而对于汽轮发电机, 允许异步运行一段时间, 在失磁异步运行期间, 通过采取一定的措施有可能将异步运行的汽轮发电机拉入同步。而国内有些中小型发电机组根本就不投入失磁保护后的过功率判据, 造成发电机没必要的停机。

d. 转子低电压判据以励磁电压为动作量。励磁电压变化的幅度较大, 在系统振荡、短路故障的过程中, 励磁电压的交流分量与直流分量的迭加而使励磁电压值很低, 发电机在进相运行时励磁电压也很低, 而且对于无刷励磁发电机转子电压不直接引出,因此对于转子低电压判据作为发电机失磁保护的主判据就会存在种种问题。而有些将转子低电压判据作为辅助判据的发电机失磁保护, 采用的是等励磁电压判据, 该判据可保证发电机在空载及轻载运行情况下失磁时保护能可靠动作, 但在重负荷时可能拒动, 在轻负荷下进相运行时可能误动。

图 5 为一种典型的发电机失磁保护方案的逻辑框图。这种保护方案虽然达到了简化的目的, 但存在着不合理之处, 如系统低电压判据容易导致发电机失磁保护的误动, 不采用过功率判据则会造成发电机没必要的停机, 对于外部短路和系统振荡等非低励失磁工况下失

磁保护容易误动等。

图5 典型简化的发电机失磁保护逻辑框图

另一种目前典型的发电机失磁保护方案逻辑框图如图 6 所示, 这种失磁保护方案配置较合理, 但也存在一些问题, 例如, 有些水轮发电机选择异步阻抗判据, 将造成水轮发电机异步运行; 转子低电压判据采用等励磁电压判据, 将造成发电机失磁保护容易误动; 外部短路、系统振荡以及发电机进相运行等非低励失磁工况下, 机端测量阻抗有可能进入定子阻抗判据的动作区

域而使失磁保

护误动等。

图6 典型发电机失磁保护逻辑框图 5 微机失磁保护新方案

根据机组运行的不同需求，本文提出了3种失磁保护方案供用户选配:方案1为具有自动减负载的失磁保护方案；方案2适用一于转子电压无法接人的失磁保护方案；方案3适用于水轮发电机失磁保护方案；方案4适用于中小型发电机的失磁保护方案。

5.1 自动减载失磁保护方案

方案1如图7所示〔励磁电压定值1N U 视机组的实际情况进行整定，一般取0.80N U 〕其中0N U 为发电机空载励磁电压值。当进相运行时，可适当降低1N U 定值;当重载运行时，为快速切除部分失磁跳闸的发电机，可适当提高1N U 定值。

图7 发电机失磁保护方案1

5.2 转子电压无法接入的失磁保护方案

方案2如图8所示，阻抗特性按照异步阻抗圆进行整定。其他定值同方案l 。犯延时按大于T5整定。

图8 发电机失磁保护方案2

5.3 适用于水轮发电机的失磁保护方案

方案3如图9所示。励磁电压定值1N U 视机组的实际情况整定，一般取0.80N U ，也可适当提高整定值，只要满足低负载时有足够的可靠系数不动作;当进相运行时，应低于进相运行的励磁电压。1m U 作为逆无功元件的闭锁措施，整定1195.0~9.0U U m 。

图9 发电机失磁保护方案3

增加阻抗长延时判据主要考虑当励磁绕组内部开路，而励磁电压又没有下降的失磁故障，此时靠阻抗元件和逆无功元件经延时T6跳闸。阻抗判据长延时的阻抗元件按照异步阻

抗圆整定，跳闸延时T6按照失磁后允许异步运行时间整定，对于汽轮发电机一般整定为2一5min。这种低励、失磁保护新方案有以下功能特点:①具有检测机组静稳边界的功能或检测机组稳态异步边界的功能。②具有检测系统电压崩溃的功能及机端电压能否维持带厂用电的功能。③具有检测不同负荷下各种全失磁和部分失磁的功能。④保证机组正常进相运行时不误动。⑤根据不同的失磁情况发出信号、减出力、切换厂用、切换励磁、解列或全停。⑥系统振荡时不误动。⑦系统振荡、故障及故障切除过程中不误动。

5.4 适用于中小型发电机的失磁保护方案

5.4.1 定子侧阻抗判据

定子侧阻抗判据可根据不同情况选择静稳边界阻抗判据还是异步边界阻抗判据。如果选择静稳边界阻抗判据, 可附加直线阻抗判据, 直线阻抗判据可防止发电机进相运行或外部短路时误动作[7]。图 4为定子侧阻抗判据动作特性图, 其中, 静稳边界阻抗判据与直线阻抗判据组成的定子阻抗判据动作区为静稳圆内直线 1 和直线 2 下面的扇形区域, 直线1 与直线 2 与横轴的夹角为10°～15°。

图10 定子侧阻抗判据

定子阻抗判据的逻辑框图如图11所示。通过阻抗判据选择控制字选择静稳边界阻抗判据或异步边界阻抗判据, 然后与直线阻抗判据进行逻辑与组成定子侧阻抗判据。

图11 定子阻抗判据逻辑框图

5.4.2 转子低电压判据

变励磁电压判据根据发电机输出有功功率的变化而改变动作电压的大小, 能够克服等励磁电压判据误动的问题。变励磁电压动作判据为

()t f P P K U -< ( 11)

式中 Uf 为发电机励磁电压; P 为发电机有功功率; Pt 为发电机凸极功率; K 为变励磁电压判据系数。为使 P

图12 转子电压判据动作特性图

5.4.3 负序电流闭锁判据

当外部发生不对称短路时, 机端阻抗曲线有可能进入定子侧阻抗判据的动作区域, 而且短路时, 故障电流中的直流分量可在转子中感应出交流励磁电压, 可能使转子低电压保护误动[9]。

外部发生不对称故障时, 机端电流会产生较大的负序分量, 而失磁故障时, 产生的负序分量较小,设置负序电流闭锁判据可防止外部发生不对称故障时失磁保护误动作[10]。

负序电流闭锁判据为

set I I .22> (12)

式中2I 为负序电流;set I .2为负序电流整定值。

5.4.4 基于中小型发电机失磁保护方案

依据以上改进后的失磁保护判据, 本文提出一种中小型发电机失磁保护方案, 其逻辑框图见图13。

图13 失磁保护综合判据逻辑框图

图中, 当定子侧阻抗判据满足且延时t0后或转子低电压判据和定子阻抗判据均满足时, 表明发电机已失磁, 经延时t1发出报警信号, 或经延时t2后故障仍未切除, 则机组解列(t2>t1); 当发电机失磁且系统电压降低到不容许地步时, 延时t3后解列; 当发电机失磁且机端低压判据均满足时, 经过延时t4切换励磁; 当发电机失磁且过功率判据满足时, 表明发电机平均异步功率较大, 经过延时t5后发减出力命令。图13所示的保护方案具有5 个特点。

a. 定子阻抗判据作为发电机失磁保护的主判据, 可通过选择控制字来选择异步边界阻抗判据还是静稳边界阻抗判据, 附加直线阻抗判据可防止进相运行或外部短路时保护的误动。

b. 转子侧判据设置记忆功能, 当发电机定子侧阻抗判据动作后, 如果转子侧判据满足, 则将此状况记忆下来, 只有在发电机定子侧阻抗判据返回或失磁保护可靠动作后, 记忆才撤除。此记忆功能可防止发电机失磁故障的同时系统振荡, 导致转子侧低电压判据连续的返回, 造成保护拒动; 与定子侧阻抗判据相配合, 此记忆功能还可防止系统振荡而发电机未发生失磁故障时保护误动。

c. 设置负序电流闭锁判据, 可防止外部短路而造成发电机失磁保护误动。

d. 保护配合合理, 能够以不同的延时出口不同的信号。

e. 主变高压侧低压判据、机端低压判据、过功率判据能够根据不同的情况投入或者退出。

图13中所示的失磁保护方案对于传统的继电器很难做到, 但对于微机型继电保护装置, 只需输入机端电压、机端电流、主变高压侧电压和转子电压即可实现本文中的失磁保护方案, 而且通过软件控制字对不同类型的发电机投入或退出不同的保护判据,能满足不同类型的中小型发电机失磁保护的要求。

6 结语

在发电机的各种保护中，发电机失磁保护是一个急待研究和完善的课题。现有的失磁保护判据较多，闭锁方式和出口方式也较多，失磁保护的配置方案也纷繁复杂。基于发电机功率变化量的失磁保护辅助加速判据弥补了失磁保护阻抗Ⅱ段及低电压主判据所存在的延时较长的缺陷。辅助加速判据在所研制的一体化微机发变组保护装置中得到应用,并通过动模试验检测。应用效果表明,基于发电机功率变化量的失磁保护辅助加速判据优点突出,性能可靠,能够有效增加发电机失磁保护动作的可靠性和灵敏性,值得应用和推广。本文在分析现有的发电机失磁保护方案的基础上, 提出了满足不同要求的发电机失磁保护方案。保护方案对于由励磁绕组内部开路时引起的转子判据拒动问题，增加逆无功闭锁的阻抗判据，避免了失磁保护的拒动，同时由于增加了逆无功元件，加长了延时，提高了可靠性，能够满足不同场合中的发电机失磁要求。

参考文献

[1] 姚晴林. 同步发电机失磁及其保护[M]. 北京: 机械工业出版社,1981.

[2] KUNDUR P. Power system stability and control. New York,NY, USA: McGraw Hill, 1994

[3] KIMBARK E W. Power system stability: VolⅢsynchronous machines. New York, NY, USA: John Wiley and Sons, 1956

[4] 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.

[5] 郁涵. 发电机失磁保护中转子低电压二判据的比较[J]. 继电器,2003, 31(9): 63-66.

YU Han. Comparison of the two criteria of rotor low voltage in the generator loss - of- field protection[ J] . Relay, 2003, 31( 9) :63 -66.

[6] 殷建刚, 彭丰. 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,

23(12) : 28-31.YIN Jian-gang, PENG Feng. Discuss on low voltage criterion in field-loss protection[J]. Electric Power Automation Equipment,2003, 23(12): 28-31.

[7] 赵民, 叶绍仪. 失磁保护在发电机出现逆功率时的动作分析[J].

继电器, 2003, 31(11) : 30-35.ZHAO Min, YE Shao-yi. Operation analysis of field-loss protection when reverse-power starts in the generator[J]. Relay, 2003,31(11): 30-35.

[8] 柳焕章. 发电机失磁保护的原理及整定计算[J]. 电力系统自动化, 2004, 28(14) : 72-75.LIU Huan-zhang. Principle of generator loss of excitation protection and its setting calculation[ J] . Automation of Electric Power Systems, 2004, 28(14): 72-75.

[9] 薛伊琴. 发电机失磁保护原理的比较和分析[J]. 继电器, 2005,33(20): 33-35.XUE Yi - qin. Comparison and analysis of theory of generator loss of field protections[J]. Relay, 2005, 33(20): 33-35.

[10] 魏燕, 高有权. 发电机失磁保护及其出口方式研究[J]. 继电器, 2003, 31(2) : 54-56.WEI Yan, GAO You - quan. Research on loss of excitation protection and its trip way[J]. Relay, 2003, 31(2): 54-56.