發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)介紹

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