發(fā)電機失磁保護介紹

發(fā)電機失磁保護介紹1概述同步發(fā)電機是根據(jù)電磁感應的原理工作的，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流(勵磁電流)用于產(chǎn)生電磁場。正常運行工況下，轉(zhuǎn)子電流必須維持在一定的水平上。發(fā)電機失磁故障是指勵磁系統(tǒng)提供的勵磁電流突然全部消失或部分消失。 同步發(fā)電機失磁后將轉(zhuǎn)入異步運行狀態(tài)，從原來的發(fā)出無功功率轉(zhuǎn)變?yōu)槲諢o功功率。對于無功功率容量小的電力系統(tǒng)，大型機組失磁故障首先反映為系統(tǒng)無功功率不足、電壓下降，嚴重時將造成系統(tǒng)的電壓崩潰，使一臺發(fā)電機的失磁故障擴大為系統(tǒng)性事故。在這種情況下，失磁保護必須快速可靠動作，將失磁機組從系統(tǒng)中斷開，保證系統(tǒng)的正常運行。引起發(fā)電機失磁的原因大致有：發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障、勵磁系統(tǒng)故障、自動滅磁開關(guān)誤跳閘及回路發(fā)生故障等。2發(fā)電機失磁過程中機端測量阻抗分析發(fā)電機從失磁開始進入穩(wěn)態(tài)異步運行，一般分為三個階段：(1)失磁后到失步前(2)臨界失步點(3)異步運行階段2.1隱極式發(fā)電機以汽輪發(fā)電機經(jīng)聯(lián)絡(luò)線與無窮大系統(tǒng)并列運行為例， 其等值電路與正常運行時的向量圖如圖1所示。

圖1發(fā)電機與無限大系統(tǒng)并列運行圖中，Ed為發(fā)電機的同步電勢，Uf為發(fā)電機機端相電壓，Us為無窮大系統(tǒng)相電壓,I為發(fā)電機定子電流，Xd為發(fā)電機同步電抗,Xs為發(fā)電機與系統(tǒng)之間的等值電抗，且有Xf=Xd+XsI為發(fā)電機定子電流，Xd為發(fā)電機同步電抗,Xs為發(fā)電機與系統(tǒng)之間的等值電抗，且有Xf=Xd+Xs,邛為受端的功率因數(shù)角,6為巳與Us之間的夾角（即功角）若規(guī)定發(fā)電機發(fā)出有功功率、無功功率時,表小為Ed"二ksin、(1)EdUscos、

X、Us2X(2)功率因數(shù)角為(3)taniQ(3)P在正常運行時，999000在正常運行時，999000每900為穩(wěn)定運行極限,99900后發(fā)電機失步。.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?之減小，在失磁后到失步前的階段中,轉(zhuǎn)子電流逐漸減小,Ed?之減小，5隨之增大,兩者共同的結(jié)果維持發(fā)電機有功功率P不變。與此同時，無功功率C隨著Ed的減小與￡的增大共同的結(jié)果維持發(fā)電機有功功率迅速減小，按（2）式計算的Q值由正變負，發(fā)電機由發(fā)出感性無功轉(zhuǎn)變?yōu)槲崭行詿o功。此階段中，發(fā)電機機端測量阻抗為ZfUfUsIjXs帶入公式I.?UsZfUfUsIjXs帶入公式I.?UsP-jQZf二Us jXs2Us2PPjQP-jQ

P-jQjXs2 2/g』2'(4)式中，Us、P、Xs為常數(shù)，此方程表示一個以2+Xs）為圓心，YP為半徑的圓，如圖2所示，此圓又稱為等有功組抗圓發(fā)電機失磁以前，向系統(tǒng)送出無功功率，中角為正，測量阻抗位于第一象限。失磁以后，隨著無功功率的變化，平角由正值變?yōu)樨撝?，因此測量阻抗也沿著圓周由第一象限進入第四象限.臨界失步點對汽輪發(fā)電機，當9=900時，發(fā)電機處于失去靜態(tài)穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，故稱為臨界失步點。此時輸送到受端的無功功率為2(5)Q一生(5)X"式中Q為負值，表明臨界失步時，發(fā)電機自系統(tǒng)吸收無功功率，且為一常數(shù)，臨界失步點也稱為等無功點。此時機端測量阻抗為2TOC\o"1-5"\h\zZf 二5一=Us_ jXs二Uk_（1 .ej2Q） jXsfII .j2Q （ ）s帶入（5）式，則7 .Xd-Xs.XdXsoj2:Zf=-j+je （6）2 2由（5）式可知，發(fā)電機在輸出不同的有功功率P而臨界失步時，其無功功率QIS定為常數(shù)。（6）式描述的方程表示了一個以（0,-Xd2Xs）為圓心，Xd2Xs為半徑的圓。如圖3所示，這個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)電機以不同的有功功率P臨界失步時，機端測量阻抗的軌跡，圓內(nèi)為失步區(qū)。

圖3等無功阻抗圓3.圖3等無功阻抗圓發(fā)電機失步后進入異步運行狀態(tài)，此時異步發(fā)電機的等效電路如圖5所示，其中Xi為定子繞組漏抗，X2為轉(zhuǎn)子繞組漏抗，R為轉(zhuǎn)子繞組電阻，S=LL為轉(zhuǎn)差率；fsRi-S)""S圖4異步發(fā)電機的等效電路圖為反映發(fā)電機功率大小的等效電阻； XRi-S)""S圖4異步發(fā)電機的等效電路圖機端測量阻抗為TOC\o"1-5"\h\zjXad(R2 jX2)Zf7jX1 R——S ]R2 j(Xad X2)S當發(fā)電機空載失磁時，S=0,R2=必，此時機端測量阻抗最大,S乙=-jXi-jXad=-jXdt時，St時，St-°oR2T0,Zf的數(shù)值為最小,Zf-jXi一j X2Xad =-jXdX2 Xad其中，Xd、Xd分別為發(fā)電機的同步電抗與直軸暫態(tài)電抗。當齦其他值時，式（7）表示為Zf[jXad(W+jX2)jZf[jXad(W+jX2)jXi+RS ,R+j(Xad+X2)S=-j(Xi Xad)--R2SXad12j(XadX2)（Xi，）（Xi臺關(guān)一X2)Xa；言j(Xad X2)S其中，X其中，Xi Xad=Xd,Xi+Xad X2=Xd，帶入上式Xad X2Zf=-j2(%Xd) j2adX2)g X2)R2 jZf=-j2(%Xd) j2adX2)g X2)R2 j(XadX2)S=-j2(XdXd)j2(Xd-Xd)R2+j(Xad+X2)Sr2 , 、；十j(Xad+X2)J S2(XdXd) j2(Xd-Xd)e"(8)式中，：?=tan,XadJ由式（8）可知，隨著s由式（8）可知，隨著s的變化，發(fā)電機機端測量阻抗乙為復平面內(nèi)以-j-（Xd+Xd）s

,一1為圓心，2（Xd—Xd）為半徑的圓。如圖5所小，此圓稱作異步阻抗圓圖5發(fā)電機異步阻抗圓綜上所述，當一臺發(fā)電機失磁前在過勵磁狀態(tài)下運行時，其機端測量阻抗位于復平面的第一象限，失磁以后，測量阻抗沿著等有功阻抗圓向第四象限移動。當它與臨界失步圓相交時，表明機組運行處于靜穩(wěn)定極限。越過此點后，發(fā)電機轉(zhuǎn)入異步運行。具運行軌跡如圖6中所示。

2.2凸極式發(fā)電機水輪發(fā)電機一般為凸極式，其Xd二Xq,2.2凸極式發(fā)電機水輪發(fā)電機一般為凸極式，其Xd二Xq,有功、無功的表達式如下:EaUs U1 1P=Jsin6+；(乂-乂刖26 (9)Xd工 2 XqV Xd工Q=&Uscos[_U__Us2(-^1---^—)sin2二Xd工 Xdx Xq工 Xd工功率因數(shù)角為1Q=tan1—P.失磁后到失步前與汽輪機一樣，在失磁后到失步前的階段中， Eq?小，6隨之增大，兩者共同的結(jié)果維持發(fā)電機有功功率P不變。與此同時，無功功率Cft正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨撝?，發(fā)電機由發(fā)出有功功率轉(zhuǎn)變?yōu)槲沼泄β省sIUsIjXsUf UsIjXs - I I帶入公式I'a=p—jQ,則ZfUs22PZfUs22PPjQp-jQ

P-jQjXs2 2=(京jXs)市ej2(12)由此方程看出，水輪機在正常運行到失步前的階段中，其測量阻抗與汽輪機相同，如圖2,2 2是以（Up~，Xs）為圓心，UP為半徑的圓。.臨界失步點對水輪機而言，為求出靜穩(wěn)極限點，對（10）式進行求導，使dPd7^q^s-dPd7^q^s-cos Us2(^^Xd- Xq”1 -)cos2=0Xd-(13)此時，發(fā)電機機端測量阻抗為ZfUf

IUs

IZfUf

IUs

IjXs2Usp-jQjXs(14)式(9)(10)(13)(14)描述了一個發(fā)電機機端測量阻抗乙隨變量每變化的方程，使用MATLA歆件在復平面內(nèi)繪制乙軌跡，可以得到一個如圖7所示的滴狀軌跡圖，即為水輪發(fā)電機臨界失步曲線，圓內(nèi)為失步區(qū)。505oR3,1—J—505oR3,1—J—Therealpartoftheimpedance圖7發(fā)電機機端測量阻抗在失磁后的變化軌跡.失步后的異步運行狀態(tài)1 .水輪機異步運行時機端測量阻抗變化如圖5所小，也是復平面內(nèi)以-j-(Xd+X；)、，一、 1為圓心，2(Xd-Xd)為半徑的圓。當水輪發(fā)電機正常運行時，其機端測量阻抗位于復平面的第一象限，失磁以后，測量阻抗沿著等有功阻抗圓向第四象限移動。當它與靜態(tài)邊界曲線(圖 7滴狀曲線)相交時，表明機組運行處于靜穩(wěn)定極限。越過此點后，發(fā)電機轉(zhuǎn)入異步運行。3RCS985系列發(fā)變組失磁保護判據(jù)RCS98察列發(fā)變組失磁保護由以下三個判據(jù)組成，三個條件同時滿足，并且相應壓板投入后，失磁保護才會動作(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)低電壓判據(jù)發(fā)電機失磁后，由于轉(zhuǎn)子勵磁減小，造成發(fā)電機機端三相電壓急劇下降。低電壓判據(jù)為反映機端電壓下降而設(shè)置。低電壓判據(jù)一般取母線三相電壓，也可以選擇機端三相電壓。TV斷線時閉鎖本判據(jù)。三相同時低壓判據(jù)：UPP二U?zd定子側(cè)阻抗判據(jù)RCS98系列水輪機保護定值描述了異步阻抗圓(圖5)、滴狀靜穩(wěn)阻抗圖(圖7)兩個曲線，用以規(guī)定發(fā)電機定子側(cè)阻抗軌跡變化范圍。當定子側(cè)阻抗進入任一個圓內(nèi)，失磁保護定子阻抗元件就啟動。由于失磁后發(fā)電機由發(fā)出無功功率轉(zhuǎn)變?yōu)槲諢o功功率， 而水輪機滴狀靜穩(wěn)阻抗曲線(圖7)包含了發(fā)電機發(fā)出無功的情形。因此需要輔助以無功反向判據(jù)：Qq為防止機端短路時，機端電壓太低或負序分量過多，造成阻抗繼電器誤動，可按需求增加以下輔助判據(jù)：正序電壓＞=6V;(2)負序電壓U2＜=0.1Un(發(fā)電機額定電壓)；(3)發(fā)電機電流＞=0.1Ie(發(fā)電機額定電流)。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)電機的變勵磁電壓判據(jù)。兩個判據(jù)任一個滿足，并且轉(zhuǎn)子判據(jù)控制字投入，則轉(zhuǎn)子側(cè)判據(jù)啟動。(1)轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)

當發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電壓Ur突然下降到0或者幅值，勵磁電壓判據(jù)迅速動作，可在發(fā)電機抵達靜穩(wěn)極限之前動作。該判據(jù)為：5二5zd（2）發(fā)電機變勵磁電壓判據(jù)當發(fā)電機低勵或者發(fā)生失磁故障時，Ur?漸下降到0或者減至某一值，變勵磁低電壓動作。該判據(jù)為：Ur二Krei*Xdx*（P-P）*Ufo式中，Xd2=Xd+Xs,Xd為發(fā)電機同步電抗標幺值，Xs為系統(tǒng)聯(lián)系電抗標幺值;P為發(fā)電機輸出功率標幺值；Pt為發(fā)電機凸極功率幅值標幺值；Uf0為發(fā)電機勵磁空載額定電壓有名值；Krel為可靠系數(shù)。圖8圖8發(fā)電機變勵磁電壓判據(jù)對于汽輪機，當勵磁電壓Ur下降為零時，Ed也變?yōu)榱?，由式?）知，此時P=0,因此變勵磁電壓判據(jù)為一條過原點的直線。對于水輪機，當勵磁電壓 Ur下降為零時，1 1，一右一心）°口’8由于水輪機交直軸電樞反應電抗的不同，仍然會有一部分凸極功率 Pt1 1，一右一心）°口’8幺值1,sin26=1,則由式（9）可知，凸極功率P=0.5*（所示，水輪機變勵磁電壓判據(jù)為（Ur,P）平面內(nèi)過（0,Pt）的一條直線。發(fā)電機變勵磁電壓判據(jù)事實上可以表述為， 當發(fā)電機提供的勵磁電壓跟不上發(fā)電機有功功率的變化時，就表現(xiàn)為失磁，此時（Ur,P）點落Ur-P平面內(nèi)的動作區(qū)內(nèi)。

4RCS985系列發(fā)變組失磁保護出口邏輯RCS985系列發(fā)變組失磁保護出口邏輯由本文第三節(jié)所介紹的三個判據(jù)組成，共配置三段，可按需求整定為告警或者跳閘。失磁保護I段母餞低電壓元件母線低電壓元件投入定于阻抗元件〉蔣子低電壓元件〉轉(zhuǎn)子判推投入〉無功反向亮件〉■

無功反向判I據(jù)投入>K關(guān)磁保護11班跳閘母餞低電壓元件母線低電壓元件投入定于阻抗元件〉蔣子低電壓元件〉轉(zhuǎn)子判推投入〉無功反向亮件〉■

無功反向判I據(jù)投入>K關(guān)磁保護11班跳閘失喳II股軟壓板投￡〉關(guān)磁保妒通壓版投入〉■失磁舞護起動》失磁保護II段轉(zhuǎn)H低電壓元件 二〉轉(zhuǎn)子判據(jù)投入〉阻抗判據(jù)投入無功反向元件無功反向利據(jù)投入母線低電壓元件 〉母線低電壓元件投入〉定子阻抗元件〉一//失磁保護11段跳閘轉(zhuǎn)H低電壓元件 二〉轉(zhuǎn)子判據(jù)投入〉阻抗判據(jù)投入無功反向元件無功反向利據(jù)投入母線低電壓元件 〉母線低電壓元件投入〉定子阻抗元件〉一//失磁保護11段跳閘失端保護硬壓板投入〉失磁保護III段

轉(zhuǎn)子低電壓元件〉變勵磁轉(zhuǎn)子底電嬴隹〉轉(zhuǎn)子判據(jù)投入〉定子阻抗元件附抗判據(jù)投入無