1、第五节 发电机失磁保护的几个问题一 阻抗型失磁保护存在的问题目前，由于有关规程的硬性规定，阻抗型失磁保护在国内得到了广泛应用。在阻抗型失磁保护的构成中，主要是阻抗元件。通常阻抗元件的动作特性，是阻抗复平面上的一个阻抗圆。根据设计及运行的要求，该阻抗圆可整定为异步边界圆或静稳边界圆。如图 9-25 所示。123sxsxdxdxPUs22低 滑差 区高滑 差 区图 9-25 失磁保护阻抗元件的动作特性在图 9-25 中： 系统阻抗； 发电机暂态电抗； 发电机同步电抗；SXdX dXP发电机发出的有功功率； US系统电压；曲线 1异步边界阻抗圆；曲线 2静稳边界阻抗圆；曲线 3等有功阻抗圆。所谓异步
2、边界阻抗圆，是通过 及 的阻抗复平面上的下抛圆。在发电机失磁失步后，其机端dX测量阻抗的规迹，必定落在该圆内。正常工况下，发电机带某一有功功率运行时，其机端阻抗的测量轨迹亦为一个圆。将该圆叫做等有功圆。如图 9-25 中的曲线 3 所示。该圆的圆心坐标及半径分别为（ ） 、 。sjxPU2s2可以看出，等有功圆的圆心位置及半径，与发电机同系统之间的联系电抗 有关，与系统电压SX及发电机带的有功功率有关。发电机与系统之间的联系电抗越大，等有功圆越远离异步边界阻抗圆；发电机带的有功越大，其等有功圆越小，越远离异步边界阻抗圆。理论分析及试验证明：大型发电机带的有功越大，距系统越远，其失磁失步运行对发
3、电机组及系统造成的危害越大。真机失磁试验证明：当系统电压较高时，汽轮发电机维持较小的功率（例如0.4Pe，Pe发电机额定有功功率）失磁失步运行某一较长时间（例如 1530 分钟） ，不会对发电机及系统造成危害。因此，若从失磁失步运行危害方面提出对失磁保护的要求，则应该是发电机带的有功越大，距系统越远，失磁保护的动作速度应越快，动作的可靠性应越高。阻抗型失磁保护不能满足上述要求。设正常运行时机端测量阻抗在第一象限。发电机失磁后阻抗测量轨迹将沿着等有功圆由第一象限向第四象限移动。最后进入异步边界阻抗圆内，失磁保护动作，发出跳闸或其他指令。当发电机与系统的联系阻抗大且带的有功很大时，由于等有功圆离异
4、步边界圆较远，使两者可能无交点。那么，在发电机失磁失步之前，失磁保护不会动作。在发电机失步之后，由于滑差较大，只能落在阻抗圆上部第四象限的高滑差区。此时，由于失磁失步运行的发电机具有一定的同步功率，其机端测量阻抗呈周期地变化。这样，机端测量阻抗可能在异步边界圆的边界区来回摆动，时而进入圆内，时而又出来。又由于其失磁保护有较长的动作延时，可能由于动作返回动作返回，而造成拒动。上世纪 70 年代初，刘家峡电厂一台大型水轮发电机失磁，失磁保护拒动。其原因就是如此。当发电机与系统之间的联系电抗很小，且发电机带的有功较小时，等有功阻抗圆很大，它与异步阻抗圆相交部分大。发电机失磁后，失磁保护很快动作。当发
5、电机空载运行时，发电机失磁后直接沿阻抗纵轴（即 Y 轴）向下进入阻抗圆内，失磁保护的动作最快。从以上分析，可得到如下结论：当发电机失磁运行的危害严重时（对机组及对系统） ，阻抗型失磁保护动作慢，且动作不可靠；而当发电机失磁运行对机组及对系统的危害较小或无危害时，失磁保护反而动作很快。因此，该型失磁保护的行为与对其的要求相反。二 UL-P 元件存在的问题当发电机失磁后，为使发电机失磁保护快速而可靠动作，可将阻抗元件的动作阻抗圆整定成静稳边界阻抗圆（图 9-25 中曲线 2） 。由图 9-25 可以看出，将失磁保护的阻抗元件按静稳边界来整定，将使阻抗圆伸到 jx 的方向。这样，当发电机正常运行或进
6、相运行时，一旦系统有扰动，失磁保护就可能误动。为此，还需要增加转子低电压判据来闭锁失磁保护。目前，在国内生产的失磁保护装置中，转子低电压元件的动作电压是变化的，它随发电机的有功增大而增大，故称之 UL-P 元件。理论分析及实践证明，UL-P 存在以下缺点：1 转子电压回路为一次设备的回路，而继电保护属于二次设备，使一次设备回路与二次设备直接相联，必然使一次设备出问题的几率增大。2 目前，在大型发电机励磁系统中，均采用可控硅整流。在某些大型水轮发电机上测量表明，在转子电压中的高次谐波分量（特别是 6 次、12 次及 18 次谐波分量）很大，有高于 12KV 的。这么高的电压引到继电保护柜内，增大
7、了对保护装置的干扰，同时也危及人身和其他设备的安全。3 目前，投运的无刷励磁的发电机越来越多。对于无刷励磁的发电机，转子电压根本无法取得。即在无刷励磁的发电机保护装置中，不能采用 UL-P 元件。4 静稳边界阻抗圆及 UL-P 元件的动作条件，均是按功角 的条整定的，当发电机进入09人工稳定区运行时（ ） ，失磁保护将会误动。095 静稳边界阻抗圆及 UL-P 元件的整定均与系统联系电抗有关。由于系统的运行方式（大方式、小方式）经常变化，因此，失磁保护的实际定值与要求是不能相符的。三 发电机失磁失步运行及其危害并网带负荷运行发电机失磁之后，必定要失步。发电机在失步之前，发出同步功率，在从失磁到
8、失步的变化过程中，发电机的有功功率基本维持不变。失磁发电机失步之后，出现滑差 S，定子旋转磁场与转子出现了相对运动，定子磁场切割转子，在转子上形成涡流，涡流产生磁场。此时，发电机发出异步功率。此时，发电机的异步功率 Pac 与滑差 S 的关系如图 9-26 所示。P TP a c o12S 0 SP a cA图 9-26 失磁步失步运行发电机输出功率 Pac 与滑差 S 的关系在图 9-26 中：曲线 1汽轮发电机的异步功率曲线；曲线 2水轮发电机的异步功率曲线；PT汽轮机输出的功率。发电机失步后，转速升高。在调速器的作用下将主汽门关闭一些，当汽轮机输出的功率与发电机的异步功率特性曲线相交时（
9、图 9-26 中的 A 点） ，便达到了稳定的异步运行。此时发电机输出功率为 Paco，其滑差 S0。由图 9-26 可以看出：汽轮发电机失磁失步运行时，在较小的滑差下，可以维持很大的有功功率（与失磁前相比，有功略有减少） ，而水轮发电机不能失磁失步运行。发电机失磁运行，可能对电力系统及发电机组产生危害。主要危害是：1失磁运行的发电机向系统吸收无功，发电机带的有功越大，吸收的无功越多。当系统无功贮备严重不足时，大型发电机的失磁运行可能破坏系统的稳定性。2. 发电机转子过热、定子过流发电机失磁失步运行时，定子磁场切割转子，在转子表面产生涡流，使转子局部过热。此时，转子附加热损耗为K=SP （9-
10、10）式（9-10）中：K转子损失；S滑差；P失磁发电机维持的有功功率。可以看出，发电机失磁失步运行时，转子的附加热损耗，与发电机的滑差 S 及有功功率成正比。对于汽轮发电机，可以在较小的滑差下维持较大的有功功率运行。当有功功率较大时，吸收的无功亦很大。又由于机端电压降低很多，必定致使发电机定子过电流。图 9-27 表示一大型汽轮发电机失磁运行的过电流曲线。12小 S 时大S 时0 . 60 . 810 . 510 . 4PI e图 9-27 大型汽轮发电机失磁运行时的过电流曲线由图 9-27 可以看出：大型汽轮发电机失磁运行过流倍数，与发电机的有功有关（有功越大，过电流倍数越大） 。最大过电
11、流倍数为（2.42.6）倍的发电机额定电流。3 对厂用电的影响发电机失磁后机端电压大幅降低，使厂用电压降低，电动机将惰转而使转差增大，进而使电动机电流增大，在厂高变上的压降增大，使厂用电压更低，电动机转差更大，电流更大可能使厂用电系统瓦解。从上所述可知，发电机失磁运行危害的程度，主要决定两个因素：1.系统的无功贮备；2.发电机的有功功率。当系统电压较高而失磁发电机维持的有功功率较小时（例如汽轮发电机Pac0.4Pe） ，不会对系统及机组造成较大的危害。但是，在发电机失磁后，为确保厂用电的安全，尽早切换厂用电系统是必要的。水轮发电机不允许失磁失步运行，其原因有二：1.带的有功很小，且严重超速，滑
12、差很大；2.振动大，可能造成转子与定子碰撞而严重损坏发电机。四 关于失磁保护跳灭磁开关问题理论分析及真机失磁试验表明：当系统电压较高时，汽轮发电机可以维持较小的有功功率（例如 0.4 Pe）无励磁运行一段时间（1530 分钟） 。为此，对失磁保护的要求除快速而正确检测出发电机失磁之外，其出口方式应有切机指令，切换厂用电指令，减有功指令及跳灭磁开关指令。要求失磁保护跳灭磁开关的主要原因有：1保护发电机转子及励磁系统的安全发电机失磁的原因有多种。除了灭磁开关误跳或励磁系统输出电流减小之外，发电机转子回路短路及励磁系统输出短路故障也会造成发电机失磁。当由于励磁系统输出短路或发电机转子短路故障造成发电
13、机失磁时，跳开发电机的灭磁开关（MK 及 LMK）有利于切除短路故障，对发电机转子及励磁系统有保护功能。2减小发电机各电量的波动幅度需要指出，发电机失磁失步运行时，发电机的功率除有异步功率之外，尚有同步功率。同步功率是由发电机的剩磁产生的。同步功率的平均值等于零，不会有输出。其作用只是忽而使发电机加速，忽而又使发电机减速，从而使发电机的转差 S、有功功率 P、无功功率 Q、定子电流 I、定子电压 U 及转子电流波动。当发电机部分失磁时，上述各电量波动幅度很大。这不利于发电机重新恢复励磁及拖入同步。因此，部分失磁对发电机及系统的危害程度，远比全失磁要大。在发电机失磁后，失磁保护跳开灭磁开关，就是将部分失磁变成全失磁，以减小发电机各电量的波动，有利于重新恢复发电机的励磁并拖入同步。
