浅析发电机失磁保护原理及整定计算

浅析发电机失磁保护原理及整定计算

1 概述

同步发电机在运行过程中，可能突然全部或部分地失去励磁。引起失磁的原因不外是由于励磁回路开路（如灭磁开关误跳闸、整流装臵的误跳开等）、短路或励磁机励磁电源消失或转子绕组故障等。发电机发生失磁故障后，将从系统吸收大量无功, 导致系统电压下降,甚致系统因电压崩溃而瓦解；引起发电机失步运行，并产生危及发电机安全的机械力矩；在转子回路中出现差频电流,引起附加温升等危害。由此可见发电机失磁故障严重影响大型机组的安全运行。

2 失磁保护的主判据及整定计算

目前失磁保护使用最多的主判据主要有三种，分别是：

a.转子低电压判据，即通过测量励磁电压Ufd 是否小于动作值；

b.机端低阻抗判据Z＜；

c.系统低电压判据Um＜。三种判据分别反映转子

侧、定子侧和系统侧的电气量。

2.1 转子低电压判据Ufd

目前浑江发电公司采用国电南自的DGT801微机型发电机保护，失磁保护采用变励磁电压判据Ufd（P），即在发电机带有功P 的工况下，根据静稳极限所需的最低励磁电压，来判别是否已失磁。

正常运行情况下（包括进相），励磁电压不会低于空载励磁电压。Ufd（P）判据十分灵敏，能反映出低励的情况，但整定计算相对复杂。因为Ufd 是转子系统的电气量，多为直流，而功率P 是定子系统的电气量，为交流量，两者在一个判据进行比较。如

果整定不当很容易导致误动作。但是勿容臵疑的是，该判据灵敏度最高，动作很快。如果掌握好其整定计算方法，在整定计算

上充分考虑空载励磁电压Ufd0 和同步电抗Xd 等参数的影响，或在试运行期间加以实验调整，不仅可以避免误动作，而且是一个十分有效的判据。能防止事故扩大而被迫停机，特别适用于励磁调节器工作不稳定的情况。主要对转子低压元件进行

整定。

2.1.1 转子低电压的动作方程:

Ufd＜Ufdl ………………………Ufd＜Ufdl

Ufd＜125(P- Pt)/Kfd×866 ………Ufd＞Ufdl

Ufd- 转子电压计算值

P—发电机有功功率计算值

Ufd、Ufd1、Pt- 保护整定值

2.1.2 转子电压的动作特性如下图:

2.1.3 转子低电压特性曲线系数Kfd 整定:

Kfd=(Kk/XdΣ)×(125Se/866Ufd0)

XdΣ= Xd＋Xs

Xd………发电机电抗

Xs………为升压变压器及系统等值电抗之

和

Kk………可靠系数

2.1.4 转子低电压定值整定:

一般取发电机空载电压的(0.6～0.8)倍

Ufd1=(0.6～0.8)Ufd0

2.2 低阻抗判据Z＜

反映发电机机端感受阻抗，当感受阻抗落入阻抗圆内时，保护动作。失磁保护的阻抗圆常见有两种，一是静稳边界圆；另一个是异步圆，还有介于两者之间的苹果圆（主要用于凸极机）。发电机失磁后，机端测量阻抗的变化轨迹，与发电机的结构、发电机所带有功功率及系统的联系阻抗均有关。发电机发生低励、失磁故障后，总是先通过静稳边界，然后转入异步运行。因此，静稳边界圆比异步圆灵敏。由于静稳边界圆存在第一、二象限的动作区，在进相运行时，当进相较深的时，有可能误动。静稳边界圆Z1 与纵轴交于A、B 两点，A点为系统阻抗XS，B点为Xd（同步电抗）。在整定计算时，A点系统阻抗XS 有时取最大方式下的阻抗，有时取最小方式下的阻抗，B点Xd 的取值有时为保证能可靠动作，乘上一个可靠系数K（K一般取1.2）。因我厂200MW机组采用进相运行方式，整定计算时也充分考虑进相运行对保护的影响，以防止误动作。对把进相运行作为正常运行方式的机组，宜采用异步圆跳闸，可有效保证进相运行时不误动。

若采用静稳圆，取Xs＝0，将系统等值为无穷大系统，B点取Xd。这样不仅整定计算简化，而且不会造成进相运行时保护误动。2.2.1 失磁保护阻抗圆特性如下图:

2.2.2 阻抗元件的整定:按静稳极限整定

取XA.j=0

XB=Xd*×U2/Se

XBj=Kk×XB×nl/ny

动作特性方程:Zj=- j (XB.j- XA.j)/2＋j (XB.j＋XA.j)

2ej2Φ

式中: Φ=tg- 1(Q/P)

园心坐标(XA.j,- (XB.j－XA.j)/2

2.3 系统低电压判据

反映系统（低电压元件引入电厂高压侧母线的电压）三相同时低电压。本判据主要用来防止由发电机失磁故障引发无功储备不足的系统电压崩溃。这种判据在系统容量较小、电厂与系统联系薄弱或系统无功不足时，能可靠动作。我厂200MW机主要向系统送电属远离负荷中心坑口火电厂。高压侧母线的三相电压严重下降将导致系统稳定运行的破坏，因此须快速跳闸。该元件的动作电压通常按高压母线实际额定运行电压的二次值来整定。

2.3.1 系统低电压定值整定: 按躲过强行励磁磁启动电压及不破坏厂用电的安全整定Uh1.

Udz.bh.s=Kk×Uef

2.3.2 定子低电压定值: 按躲过强行励磁启动

电压及不破坏厂用电的安全整定:

Udz.bh=Kk×Uef

2.3.3 动作时间的整定

为了确保系统振荡时失磁保护不误动，失磁保护动作后应经延时作用于出口。另外，当发电机失磁失步后，机端阻抗的测量轨迹有可能交替地进入阻抗圆内又出来，再进入圆内又出来……。为使保护能可靠出口，其动作延时不宜过长。失磁保护的动作延时一般应取0.75~1s。

3 逆无功＋过电流型失磁保护的整定

该型保护有失磁检测元件、失磁运行危害判别元件、躲系统故障元件及时间元件构成。

3.1 失磁检测元件的整定

失磁检测元件有过电流、过负荷元件及逆无功元件组成。

3.1.1 逆无功元件。逆无功元件按发电机的额

定无功功率来整定。

Qdz=- (5~10)×QN

Qdz：逆无功元件的动作功率。

QN：发电机的额定无功功率。

3.1.2 过电流、过负荷元件。

过负荷元件

Idz1=Krel×（IN/Kr)

Idz1：过负荷元件的动作电流。

Krel：可靠系数，取1.05。

IN：发电机的额定电流（取TA的二次电流值）。

Kr：返回系数，取0.95。

过电流元件的动作电流应大于过负荷元件的动作电流，即

Idz2=1.1Idz1

Idz1：过负荷元件的动作电流

Idz2：过电流元件的动作电流

3.2 失磁运行危害判别元件

失磁运行危害判别元件

摘要：发电机失磁是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因为励磁回路开路、短路或励磁机励磁电源消失或转子绕组故障等。发电机发生失磁故障后，转子出现转差，定子电流增大，定子电压下降，有功功率下降，无功功率反向并且增大；在转子回路中出现差频电流等

主要特点。构成发电机失磁保护的主要判据有：转子低电压，低阻抗，系统低电压。为了确保电力系统及发电机的稳定运行，根据浑江发电公司

200MW 汽轮发电机组的实际情况探讨发电机失磁保护装臵的构成原理及整定计算方法。

关键词：发电机；失磁保护；整定计算

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由发电机有功功率元件、系统低电压元件及机端低电压元件构成。

3.2.1 有功功率元件。有功功率元件的整定，

应按汽轮发电机较长时间（例如30min）无励磁运行时所允许带的有功负荷来整定。

Pdz≤40PN

Pdz：功率元件的动作功率（二次值）。

PN：发电机的额定功率（二次值）。

3.2.2 系统低电压元件的动作电压。

系统低电压元件的动作电压（线电压二次值）为：Udz=85~90V。

3.2.3 机端低电压元件的动作电压Udz（线电压二次值）为：Udz ≤80~85V。

3.3 躲系统故障元件

该元件由负序电压元件及时间记忆元件组成。

负序电压元件的动作电压：U2dz=8~10V（线电压二次值）。

负序电压消失后，该元件动作应保持动作状态至某一较长的时间，以可靠躲过系统故障切除后振荡时对失磁保护的影响，该时间应为6~9S。

3.4 各级时间元件

该保护的动作延时有：减载出口延时、切厂用出口延时、切机出口延时，各延时均可取0.7~0.8S。

4 结论

本文所分析的失磁保护方案，经历了实际运行中多种类型低励失磁故障的考验和进相运行实验，具有良好的运行业绩。浑江发电厂200MW机组即采用此保护方案。采用该配臵方案，不仅给设计、整定、调试、运行带来很大方便，而且便于技术的成熟和运行经验的提高。

另外需指出的是，失磁保护对整定计算的要求较高，如整定不当，易造成误动作，尤其是Ufd（P）判据。本方案主要适用于大型机组和对系统影响很大的机组。在实际运用中，并非所有的判据都一定要采用。合理地简化不仅利于整定和运行，也可最终减少误动发生的可能性。