发电机的失磁保护

发电机的失磁保护发电机的磁后的物理变化过程发电机的失磁故障是指发电机的励磁部分或全部消失。引起失磁主要的原因是，转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障及误操作等。发电机的功角特性曲线如图8-29所示。正常运行时，功角特性曲线1的a点电功率P与原动机的功率Pm相等。此时，发电机纵轴同步电势，即转子磁势在定子绕组感应的电势为Ed，无限大系统母线电压为Us，发电机纵轴同步电抗为Xd，发电机与系统间联系电抗为XS，与的相角差，即功角为δ。发电机失去励磁时，转子磁通不能突变，近似以指数规律衰减，同步功率P随转子磁通的减小而逐渐减小，由于原动机功率Pm的惯性作用还来不及减小，故转子逐渐加速，发电机频率增大，功角δ随之增大。δ<90º以前，δ角增大将导致sinδ增大，自动补偿Ed的下降，保持P与Pm平衡。当功角特性下降到曲线2时，增加到静稳定极限角δ=90º，则发电机临界失步。δ>90º，由于Ed的持续下降，功角特性继续下移，发电机转子转速剧增，发电机频率将大于系统频率，转差率开始升高，进入异步运行状态。此时，在转子及励磁回路将产生频率为的交流电流，形成附加损耗，导致发电机转子和励磁回路过热，此电流同时产生具有制动作用的异步有功功率并向系统输出，当与原动机的功率Pm达到新的平衡时，进入稳定异步运行状态。功角特性曲线3为未完全失磁情况下尚存的同步功率Pe，与异步有功功率Pas叠加后形成交变的合成功率向系统输出。交变的合成功率将对发电机产生周期性冲击，使发电机产生振动。发电机失磁，当时，将从系统中吸取感性无功电流作为励磁电流。若失磁前发电机发出的无功为失磁后，从系统吸收的无功为Q1，则系统将出现无功缺额Q+Q1。如果系统容量较小或无功功率储备不足，将导致系统电压下降，影响系统的稳定运行，严重时，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。失磁发电机从系统吸收大量无功功率，其定子绕组可能过电流，因此，发电机发出的有功功率应较同步时有不同程度的降低。汽轮发电机允许失磁运行的条件是：系统有足够供给发电机失磁运行的无功功率，以不致造成系统电压严重下降为限。降低发电机有功功率的输出，使之能在很小的转差率下。在允许的一段时间内异步运行，即发电机应在较少的有功功率下失磁运行，使之不致造成危害发电机转子的发热与振动。发电机失磁异步运行时在3min内将负荷减至40%，允许继续运行10min。监视发电机定子电流不应超过额定值的110%，监视发电机定子端部温度不应超过允许值。设法迅速恢复发电机励磁电流，如励磁调节器不能正常工作，应转至感应调压器电源提供励磁，如仍不行，则应启用备用励磁电源。异步运行中监视发电机端电压不应低于额定电压的90%。由于水轮发电机异步特性差，只有滑差s相当大时才能达到稳定异步运行，在较大滑差s下运行，转子有过热的危险；此外，水轮发电机的同步电抗Xd较小，失磁后失步运行的定子电流将很大。因此一般不允许水轮发电机失磁运行。为此，发电机应装设失磁保护，以便及时发现失磁故障，并采取相应措施。如果系统和发电机不允许失磁运行，则失磁保护应瞬时或延时动作于跳闸。如果发电机允许失磁运行，则失磁保护只发信号或自动减负荷，而以较长的时间切除失磁发电机。发电机失磁后的机端测量阻抗如图8-30所示，汽轮发电机的电动势为，端相电压为，同步电抗为Xd，经联系电抗Xs与相电压为的无穷大系统并列运行。发电机从失磁到异步运行经过三种状态。发电机失磁到失步前机端测量阻抗为了保证系统正常运行时的稳定性，发电机输出的有功功率必须小于静稳极限值（即有功功率的最大值）。因此，发电机失磁起始，Ed下降，但功角δ增加，保持P=Pm，转子加速很小，发电机不会产生异步功率。发电机失磁到失步，功角δ<90º，送出的有功功率保持基本不变，而无功功率则由送出改变为从系统吸收。此过程经常延续几秒~几十秒，在此期间，机端测量阻抗为式中，，Us、Xs、P为常量，Q和φ为变量，因此，机端测量阻抗Zg是圆心为，半径为的圆，复平面阻抗圆如图8-31所示。由于此圆是在某一定有功功率P不变的情况下作出的，因此称为等有功圆。圆半径与有功功率P成反比，失磁前发电机输送的有功功率P越大，失磁后等有功圆的半径越小。发电机失磁前，向系统输出无功功率，φ角为正，机端测量阻抗Zg位于第一象限。失磁后，随着无功功率的变化，φ角由正变负，Zg将沿着圆周从第一象限过渡到第四象限。发电机临界失步点发电机处于失去静稳定临界状态，功角δ=90º，此点称为临界失步点。此时发电机输送的无功功率为可见，发电机在临界失步时，从系统吸收的无功功率为一常数，因此，临界失步点也称为等无功点。此时，机端测量阻抗为其中，则可见，机端测量阻抗Zg是以为圆心，以为半径的圆，复平面阻抗圆如图8-32所示。该圆称为临界失步圆，也称为等无功圆。其圆周为发电机以不同的有功功率P临界失步时，机端测量阻抗Zg变化的轨迹，圆内为失步区。发电机进入异步运行状态发电机异步运行状态的等值电路如图8-33所示。X1为定子绕组漏抗；X2为转子绕组漏抗；R2为转子绕组电阻；为反应发电机功率大小的等效电阻；Xad为定子绕组与转子绕组之间的互感。可见，机端测量阻抗Zg与转差率s有关。发电机同步运行状态下，，，则机端测量阻抗最大Zg，发电机异步运行状态下，若，，则机端测量阻抗Zg最小，失磁前发电机带有较小的有功功率P时，失磁后转差率s较低，机端测量阻抗Zg接近同步电抗；反之，失磁前发电机带有较大有功功率P时，失磁后转差率s较高，机端测量阻抗Zg近似等于发电机暂态电抗。因此，发电机不论带有多大有功功率P，失磁后进入异步运行状态，机端测量阻抗Zg最终一定落在包括和两点在内的临界失步圆内。如图8-34所示，当带有有功功率P1的发电机失磁前，机端测量阻抗Zg位于复平面第一象限等有功圆1的a点，失磁后，沿等有功圆1向第四象限移动。当Zg与临界失步圆4相交于b点时，发电机运行于静稳定的极限。之后，发电机转入异步运行，最终发电机的平均异步功率与调节后的原动机功率达到平衡时，机组进入异步稳定运行，Zg落于临界失步圆4内c点。c点处于和两点之间。同理，当失磁前发电机带有有功功率P2时，失磁到稳定异步运行过程中，机端测量阻抗将沿a'→b'→c'点变化。发电机其它运行时的机端测量阻抗为了正确判断发电机是否处于失磁状态，还应对发电机其它运行方式下机端的测量阻抗进行分析。发电机正常运行时的机端测量阻抗如图8-35所示，当发电机输出有功和无功功率时，其机端测量阻抗Zg位于第一象限的1点，与R轴的夹角为发电机运行时的功率因数角φ。当发电机只输出有功功率时，机端测量阻抗Zg位于R轴上的2点。当发电机同步并列欠激运行时，向系统输出有功，同时从系统吸收部分无功功率，此时测量阻抗Zg位于第四象限的3点。发电机外部故障时的机端测量阻抗当阻抗继电器采用0°接线方式，机端故障相测量阻抗Zg位于第一象限的5点，其大小正比于短路点到保护安装处的阻抗ZK，其相位为短路阻抗角φK。发电机与系统间发生振荡时的机端测量阻抗当认为Ed≈Us时，振荡中心位于系统电气中心处。如图8-36所示，当Xs≈0时，振荡中心位于处，此时，机端测量阻抗Zg随振荡角δ的变化而沿直线变化，当振荡角δ=180°时，测量阻抗的最小值为发电机自同步并列时的机端测量阻抗自同步并列时，发电机的转速接近于额定值，不加励磁投入断路器的瞬间，与发电机空载运行失磁时的情况相同。由于自同步并列是在断路器投入后，立即给发电机加上励磁，发电机无励磁运行时间极短。为此，应采取措施防止发电机失磁保护误动作。发电机失磁保护的构成方式失磁保护应能正确反应发电机的失磁故障，而在发电机其它运行方式下，不误动作。发电机失磁后各参数的变化⑴机端测量阻抗Zg由感性变为容性，在复数平面上，Zg的轨迹由第一象限进入第四象限；⑵无功功率改变方向，由输出无功功率变为吸收无功功率。无功功率随功角δ变化；⑶功角δ随时间增大，当超过静稳定极限角90°后，发电机进入失步状态；⑷发电机电压下降；⑸励磁回路电压降低等。发电机的失磁保护目前，100MW及以上的机组和采用半导体励磁系统的机组，普遍利用失磁后发电机参数变化的特点来构成失磁保护。图8-37所示为发电机失磁保护原理方框图。图中，阻抗元件Z应能反应发电机的全部失磁情况，在发电机其它运行方式下不误动作，是发电机失磁故障的主要判别元件之一，通常采用灵敏角为-90°按临界失步圆整定的抛球特性阻抗继电器；母线低电压元件（Ug<）用来监察母线电压，按保证系统安全运行所允许的最低电压整定，通常取0.8UgN。母线低电压元件采用低电压继电器，是发电机失磁故障的另一主要判别元件；测量转子电压的励磁低电压元件(Ufd<)用作闭锁元件，防止保护装置在其它异常运行方式下发生误动作。励磁低电压元件采用低电压继电器，按躲开发电机空载运行时的最低电压整定。一般取发电机空载运行时励磁电压的80%。对于大型机组，由于Xd比较大，额定重负荷下静稳边界所对应的励磁电压明显大于空载运行时的励磁电压，如果发生失磁故障，闭锁继电器很可能拒动，为此，可取额定有功功率下，对应静稳极限特性所具有的转子电压的80%~90%作为整定值。若采用复合电压（低电压和负序电压）的闭锁方式，就可以大大提高保护的可靠性。如图8-38所示，灵敏角为-90°的抛球阻抗继电器的动作特性是圆心在X轴上的圆，圆周与X轴相交于—XA、—XB两点，动作方程为失磁前，发电机所带的有功功率P不同，失磁后，阻抗元件Z的测量阻抗Zg轨迹就有不同的位置。失磁前P越大，失磁后Zg轨迹越靠近X轴。失磁前P越大，失磁后s越高，Zg轨迹越趋近于—X'd；失磁前P越小，失磁后s越小，Zg轨迹越趋近于—Xd。抛球阻抗继电器按临界失步圆整定，并躲开系统振荡的影响。①—XA的整定。应保证发电机和系统间发生振荡时，继电器不动作。若系统为无穷大，Xs≈0，当振荡角δ=180°时，测量阻抗。则XA整定为②—XB的整定。应保证发电机失磁时，保护可靠动作。测量阻抗Zg与转差率s有关，s高，则Zg接近-X'd；s低，则Zg接近—Xd。为了可靠起见，—XB应按满足整定，即式中Krel—可靠系数，取1.2。Xd—发电机同步电抗（标幺值）。因此，对于满足以上两个条件的阻抗继电器，—XA（Ω）、—XB（Ω）可整定为式中UgN—发电机额定线电压（kV）；IgN—发电机额定电流（kA）。当发电机失磁时，阻抗元件和励磁低电压元件动作，通过与门2立即发出发电机已失步信号，并在t2延时后，经或门动作于跳闸。t2通常取1~1.5s，以躲开系统振荡或自同步并列时的