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1、發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)介紹1 概述同步發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理工作的,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流(勵(lì)磁電流)用于產(chǎn)生電磁場(chǎng)。正常運(yùn)行工況下,轉(zhuǎn)子電流必須維持在一定的水平上。發(fā)電機(jī)失磁故障是指勵(lì)磁系統(tǒng)提供的勵(lì)磁電流突然全部消失或部分消失。同步發(fā)電機(jī)失磁后將轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行狀態(tài),從原來的發(fā)出無功功率轉(zhuǎn)變?yōu)槲諢o功功率。對(duì)于無功功率容量小的電力系統(tǒng),大型機(jī)組失磁故障首先反映為系統(tǒng)無功功率不足、電壓下降,嚴(yán)重時(shí)將造成系統(tǒng)的電壓崩潰,使一臺(tái)發(fā)電機(jī)的失磁故障擴(kuò)大為系統(tǒng)性事故。在這種情況下,失磁保護(hù)必須快速可靠動(dòng)作,將失磁機(jī)組從系統(tǒng)中斷開,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。引起發(fā)電機(jī)失磁的原因大致有:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁系統(tǒng)故障、自動(dòng)滅
2、磁開關(guān)誤跳閘及回路發(fā)生故障等。2 發(fā)電機(jī)失磁過程中機(jī)端測(cè)量阻抗分析發(fā)電機(jī)從失磁開始進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行,一般分為三個(gè)階段:(1) 失磁后到失步前(2) 臨界失步點(diǎn)(3) 異步運(yùn)行階段2.1隱極式發(fā)電機(jī)以汽輪發(fā)電機(jī)經(jīng)聯(lián)絡(luò)線與無窮大系統(tǒng)并列運(yùn)行為例,其等值電路與正常運(yùn)行時(shí)的向量圖如圖1所示。圖1 發(fā)電機(jī)與無限大系統(tǒng)并列運(yùn)行圖中,為發(fā)電機(jī)的同步電勢(shì),為發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓,為無窮大系統(tǒng)相電壓,為發(fā)電機(jī)定子電流,為發(fā)電機(jī)同步電抗,為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間的等值電抗,且有 ,為受端的功率因數(shù)角,為與之間的夾角(即功角)。若規(guī)定發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率、無功功率時(shí),表示為,則 (1) (2)功率因數(shù)角為 (3)在正常運(yùn)行時(shí),
3、。為穩(wěn)定運(yùn)行極限,后發(fā)電機(jī)失步。1. 失磁后到失步前在失磁后到失步前的階段中,轉(zhuǎn)子電流逐漸減小,Ed隨之減小,隨之增大,兩者共同的結(jié)果維持發(fā)電機(jī)有功功率P不變。與此同時(shí),無功功率Q隨著Ed的減小與的增大迅速減小,按(2)式計(jì)算的Q值由正變負(fù),發(fā)電機(jī)由發(fā)出感性無功轉(zhuǎn)變?yōu)槲崭行詿o功。此階段中,發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗為帶入公式,則 (4)式中,、為常數(shù),此方程表示一個(gè)以為圓心,為半徑的圓,如圖2所示,此圓又稱為等有功組抗圓。 發(fā)電機(jī)失磁以前,向系統(tǒng)送出無功功率,角為正,測(cè)量阻抗位于第一象限。失磁以后,隨著無功功率的變化,角由正值變?yōu)樨?fù)值,因此測(cè)量阻抗也沿著圓周由第一象限進(jìn)入第四象限。圖2 等有功阻抗圓
4、2. 臨界失步點(diǎn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī),當(dāng)時(shí),發(fā)電機(jī)處于失去靜態(tài)穩(wěn)定的臨界狀態(tài),故稱為臨界失步點(diǎn)。此時(shí)輸送到受端的無功功率為 (5)式中Q為負(fù)值,表明臨界失步時(shí),發(fā)電機(jī)自系統(tǒng)吸收無功功率,且為一常數(shù),臨界失步點(diǎn)也稱為等無功點(diǎn)。此時(shí)機(jī)端測(cè)量阻抗為帶入(5)式,則 (6)由(5)式可知,發(fā)電機(jī)在輸出不同的有功功率P而臨界失步時(shí),其無功功率Q恒定為常數(shù)。(6)式描述的方程表示了一個(gè)以(0,)為圓心,為半徑的圓。如圖3所示,這個(gè)圓成為臨界失步阻抗圓,也稱作等無功阻抗圓。其圓周為發(fā)電機(jī)以不同的有功功率P臨界失步時(shí),機(jī)端測(cè)量阻抗的軌跡,圓內(nèi)為失步區(qū)。圖3 等無功阻抗圓3. 失步后的異步運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)失步后進(jìn)入異步運(yùn)
5、行狀態(tài),此時(shí)異步發(fā)電機(jī)的等效電路如圖5所示,其中為定子繞組漏抗,為轉(zhuǎn)子繞組漏抗,為轉(zhuǎn)子繞組電阻,為轉(zhuǎn)差率;為反映發(fā)電機(jī)功率大小的等效電阻;為定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的互感電抗。圖4 異步發(fā)電機(jī)的等效電路圖機(jī)端測(cè)量阻抗為 (7)當(dāng)發(fā)電機(jī)空載失磁時(shí),此時(shí)機(jī)端測(cè)量阻抗最大,當(dāng)時(shí),的數(shù)值為最小,其中,、分別為發(fā)電機(jī)的同步電抗與直軸暫態(tài)電抗。當(dāng)s取其他值時(shí),式(7)表示為其中,帶入上式 (8)式中, 由式(8)可知,隨著s的變化,發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗為復(fù)平面內(nèi)以為圓心,為半徑的圓。如圖5所示,此圓稱作異步阻抗圓。圖5 發(fā)電機(jī)異步阻抗圓綜上所述,當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁前在過勵(lì)磁狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),其機(jī)端測(cè)量阻抗位于復(fù)平面
6、的第一象限,失磁以后,測(cè)量阻抗沿著等有功阻抗圓向第四象限移動(dòng)。當(dāng)它與臨界失步圓相交時(shí),表明機(jī)組運(yùn)行處于靜穩(wěn)定極限。越過此點(diǎn)后,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行。其運(yùn)行軌跡如圖6中所示。圖6 發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗在失磁后的變化軌跡2.2凸極式發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)一般為凸極式,其,有功、無功的表達(dá)式如下: (9) (10) 功率因數(shù)角為 (11)1. 失磁后到失步前與汽輪機(jī)一樣,在失磁后到失步前的階段中,Eq減小,隨之增大,兩者共同的結(jié)果維持發(fā)電機(jī)有功功率P不變。與此同時(shí),無功功率Q由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值,發(fā)電機(jī)由發(fā)出有功功率轉(zhuǎn)變?yōu)槲沼泄β省?此時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗為:帶入公式,則 (12)由此方程看出,水輪機(jī)在正常運(yùn)
7、行到失步前的階段中,其測(cè)量阻抗與汽輪機(jī)相同,如圖2,是以(,)為圓心,為半徑的圓。2. 臨界失步點(diǎn)對(duì)水輪機(jī)而言,為求出靜穩(wěn)極限點(diǎn),對(duì)(10)式進(jìn)行求導(dǎo),使 (13)此時(shí),發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗為 (14)式(9)(10)(13)(14)描述了一個(gè)發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗隨變量變化的方程,使用MATLAB軟件在復(fù)平面內(nèi)繪制軌跡,可以得到一個(gè)如圖7所示的滴狀軌跡圖,即為水輪發(fā)電機(jī)臨界失步曲線,圓內(nèi)為失步區(qū)。圖7 發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗在失磁后的變化軌跡3. 失步后的異步運(yùn)行狀態(tài)水輪機(jī)異步運(yùn)行時(shí)機(jī)端測(cè)量阻抗變化如圖5所示,也是復(fù)平面內(nèi)以為圓心,為半徑的圓。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),其機(jī)端測(cè)量阻抗位于復(fù)平面的第一象限
8、,失磁以后,測(cè)量阻抗沿著等有功阻抗圓向第四象限移動(dòng)。當(dāng)它與靜態(tài)邊界曲線(圖7滴狀曲線)相交時(shí),表明機(jī)組運(yùn)行處于靜穩(wěn)定極限。越過此點(diǎn)后,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行。3 RCS985系列發(fā)變組失磁保護(hù)判據(jù)RCS985系列發(fā)變組失磁保護(hù)由以下三個(gè)判據(jù)組成,三個(gè)條件同時(shí)滿足,并且相應(yīng)壓板投入后,失磁保護(hù)才會(huì)動(dòng)作。(1) 低電壓判據(jù)(2) 定子側(cè)阻抗判據(jù)(3) 轉(zhuǎn)子側(cè)判據(jù)3.1低電壓判據(jù)發(fā)電機(jī)失磁后,由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁減小,造成發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓急劇下降。低電壓判據(jù)為反映機(jī)端電壓下降而設(shè)置。低電壓判據(jù)一般取母線三相電壓,也可以選擇機(jī)端三相電壓。TV斷線時(shí)閉鎖本判據(jù)。三相同時(shí)低壓判據(jù):3.2定子側(cè)阻抗判據(jù)RCS985系
9、列水輪機(jī)保護(hù)定值描述了異步阻抗圓(圖5)、滴狀靜穩(wěn)阻抗圖(圖7)兩個(gè)曲線,用以規(guī)定發(fā)電機(jī)定子側(cè)阻抗軌跡變化范圍。當(dāng)定子側(cè)阻抗進(jìn)入任一個(gè)圓內(nèi),失磁保護(hù)定子阻抗元件就啟動(dòng)。由于失磁后發(fā)電機(jī)由發(fā)出無功功率轉(zhuǎn)變?yōu)槲諢o功功率,而水輪機(jī)滴狀靜穩(wěn)阻抗曲線(圖7)包含了發(fā)電機(jī)發(fā)出無功的情形。因此需要輔助以無功反向判據(jù):為防止機(jī)端短路時(shí),機(jī)端電壓太低或負(fù)序分量過多,造成阻抗繼電器誤動(dòng),可按需求增加以下輔助判據(jù):(1) 正序電壓>=6V;(2) 負(fù)序電壓U2<=0.1Un(發(fā)電機(jī)額定電壓);(3) 發(fā)電機(jī)電流>=0.1Ie(發(fā)電機(jī)額定電流)。3.3轉(zhuǎn)子側(cè)判據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)判據(jù)包括轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)與發(fā)電機(jī)
10、的變勵(lì)磁電壓判據(jù)。兩個(gè)判據(jù)任一個(gè)滿足,并且轉(zhuǎn)子判據(jù)控制字投入,則轉(zhuǎn)子側(cè)判據(jù)啟動(dòng)。(1) 轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓Ur突然下降到0或者幅值,勵(lì)磁電壓判據(jù)迅速動(dòng)作,可在發(fā)電機(jī)抵達(dá)靜穩(wěn)極限之前動(dòng)作。該判據(jù)為:(2) 發(fā)電機(jī)變勵(lì)磁電壓判據(jù)當(dāng)發(fā)電機(jī)低勵(lì)或者發(fā)生失磁故障時(shí),Ur逐漸下降到0或者減至某一值,變勵(lì)磁低電壓動(dòng)作。該判據(jù)為:式中,為發(fā)電機(jī)同步電抗標(biāo)幺值,為系統(tǒng)聯(lián)系電抗標(biāo)幺值; P為發(fā)電機(jī)輸出功率標(biāo)幺值; Pt為發(fā)電機(jī)凸極功率幅值標(biāo)幺值; Uf0為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁空載額定電壓有名值; Krel為可靠系數(shù)。圖8 發(fā)電機(jī)變勵(lì)磁電壓判據(jù)對(duì)于汽輪機(jī),當(dāng)勵(lì)磁電壓Ur下降為零時(shí),Ed也變?yōu)榱?,由式?)知,
11、此時(shí)P=0,因此變勵(lì)磁電壓判據(jù)為一條過原點(diǎn)的直線。對(duì)于水輪機(jī),當(dāng)勵(lì)磁電壓Ur下降為零時(shí),由于水輪機(jī)交直軸電樞反應(yīng)電抗的不同,仍然會(huì)有一部分凸極功率Pt存在,若Us取標(biāo)幺值1,則由式(9)可知,凸極功率。如圖8所示,水輪機(jī)變勵(lì)磁電壓判據(jù)為(Ur,P)平面內(nèi)過(0,Pt)的一條直線。發(fā)電機(jī)變勵(lì)磁電壓判據(jù)事實(shí)上可以表述為,當(dāng)發(fā)電機(jī)提供的勵(lì)磁電壓跟不上發(fā)電機(jī)有功功率的變化時(shí),就表現(xiàn)為失磁,此時(shí)(Ur,P)點(diǎn)落Ur-P平面內(nèi)的動(dòng)作區(qū)內(nèi)。4 RCS985系列發(fā)變組失磁保護(hù)出口邏輯RCS985系列發(fā)變組失磁保護(hù)出口邏輯由本文第三節(jié)所介紹的三個(gè)判據(jù)組成,共配置三段,可按需求整定為告警或者跳閘。(1) 失磁保護(hù)I段(2) 失磁保護(hù)II
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