发电机失磁保护研析
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【摘要】本文主要围绕发电机失磁保护进行分析，探讨存在的问题，并对逆无功原理的发电机失磁保护进行详细介绍。
【关键词】发电机；失磁保护；逆无功原理
中图分类号：TB857+.3文献标识码： A 文章编号：
一、前言
发电机是一种常见的动力设备，其失磁是指发电机励磁突然全部消失或部分消失。失磁的主要原因有转子绕组故障、励磁机或整流柜故障、励磁系统灭磁开关、及运行人员的误操作等。发电机失磁会对发电机本身和电力系统的一种重要伤害。因此，要加强对失磁进行防治。
二、发电机失磁保护判据
1、定子侧阻抗判据
定子阻抗判据有静稳边界阻抗判据和异步边界阻抗判据 2 种。静稳边界阻抗判据是根据发电机失去静稳时机端阻抗的变化轨迹而设立的, 异步边界阻抗判据是根据发电机失磁后转入稳定异步运行时机端阻抗的变化轨迹而设立的, 动作时间比较晚。静稳边界阻抗判据和异步边界阻抗判据动作区域都为圆, 如图 1 所示。
2、转子低电压判据
转子低电压判据也是根据发电机的静稳边界而设计的, 包括等励磁电压判据和变励磁电压判据。等励磁电压判据动作电压值为定值, 一般为额定空载励磁电压的 80 %。变励磁电压判据的动作电压值随发电机输出的有功功率变化而改变
3、三相同时低压判据与过功率判据
三相同时低压判据分为主变高压侧三相低压判据和机端三相低压判据。主变高压侧三相低压判据防止发电机失磁故障造成高压母线电压的严重下降, 导致系统稳定性破坏, 动作电压取为母线额定电压的 80 %～85 %。机端三相防止发电机失磁故障造成电厂辅机不能正常工作, 动作电压一般取为发电机额定电压的 80 %。过功率判据监视发电机输出的有功功率, 若有功功率大于一定值, 则降低发电机输出的有功功率。减小水轮发电机输出的有功功率可防止水轮发电机因失磁故障而失步, 减小汽轮发电机输出的有功功率则有可能将异步运行的汽轮发电机拉入同步。
三、失磁保护方案存在问题及分析
1、随着系统容量的不断增大和网络架构的不断增强, 系统的无功备用容量的增加, 中小型发电机的容量较小, 因失磁故障导致系统电压崩溃的可能性比较小, 对于中小型发电机失磁保护方案采用主变高压侧低电压判据作为保护的主判据拒动的可能性越来越大。
2、机端定子阻抗判据是通过发电机机端感受阻抗判断发电机的失磁故障。由于静稳圆存在一、二象限的动作区, 在进相运行较深时容易误动; 水轮机组因凸极功率的存在而使异步运行时机组振动较大,不能在异步状态下运行, 不宜选用异步边界阻抗判据; 另外, 系统容量比较小, 发电机与系统联系薄弱, 发电机发生失磁后, 机端阻抗曲线进入异步圆的时间较晚, 其他后备保护可能会先期误动作, 从而造成保护的混乱。
3、对于水轮发电机, 失磁后减小发电机输出的有功功率有可能防止水轮发电机失步; 而对于汽轮发电机, 允许异步运行一段时间, 在失磁异步运行期间, 通过采取一定的措施有可能将异步运行的汽轮发电机拉入同步。而国内有些中小型发电机组根本就不投入失磁保护后的过功率判据, 造成发电机没必要的停机。
4、转子低电压判据以励磁电压为动作量。励磁电压变化的幅度较大, 在系统振荡、短路故障的过程中, 励磁电压的交流分量与直流分量的迭加而使励磁电压值很低, 发电机在进相运行时励磁电压也很低, 而且对于无刷励磁发电机转子电压不直接引出,因此对于转子低电压判据作为发电机失磁保护的主判据就会存在种种问题。而有些将转子低电压判据作为辅助判据的发电机失磁保护, 采用的是等励磁电压判据, 该判据可保证发电机在空载及轻载运行情况下失磁时保护能可靠动作, 但在重负荷时可能拒动, 在轻负荷下进相运行时可能误动。
四、发电机失磁后系统特征量
发电机失磁后不但不发出无功功率还要从系统吸收无功功率。当系统无功功率储备不足时将导致发电厂母线电压、发电机机端电压下降。发电机失磁后, 由于发电机吸收无功量的增大及定子电压的降低, 定子电流就会增大。有功功率越大, 定子电流就会越大。发电机从失磁到功角增大到 90b的过程中, 发电机的电磁功率先减小, 但原动机的机械功率来不及减小, 造成转子加速使功角不断增大, 当功角大于 90b发电机失步运行时发电机的异步功率维持着输入、输出功率平衡。发电机失磁后无功很快减小到零, 然后向负变化到较大值。失步后发电机的无功功率按照滑差周期有规律的摆动。失磁发电机维持的有功功率越大及滑差越大, 发电机从系统吸收的无功越大。发电机从失磁开始到稳定异步运行其机端测量阻抗沿着等有功阻抗圆由第 1象限向第 4象限变化。
五、逆无功原理的发电机失磁保护
1、保护的判据
并网运行的发电机失磁之后无功很快进相 (功角在 90b之前便进相), 此时若发电机维持的有功较大则定子过电流。该原理失磁保护直接反映发电机失磁后机组从系统吸收无功的程度和定子过电流的情况, 又增加了机端低电压、系统低电压、机组有功功率的判据从而能监视失磁对机组本身和系统的影响。检测发电机失磁运行的主判据为逆无功和定子电流。失磁运行的危害判据有系统低电压、机端低电压和有功功率。系统低电压、机端低电压用于判断失磁对系统及厂用电的影响; 有功功率用于判断失磁运行对机组的危害程度。保护中采用判据的物理概念清晰、容易整定且不受系统运行方式的影响。该保护原理取消了转子电压的辅助判据, 特别适合于无刷励磁的发电机。
2、保护躲系统异常运行的方案
系统异常运行方式主要有系统振荡和系统故障。采用延时元件可躲过系统振荡对保护的影响;采用负序电压闭锁元件可躲系统故障及故障切除后系统振荡对保护的影响。
六、逆无功原理失磁保护的优点
1、阻抗元件判据的整定
（1) 当阻抗元件按静稳边界的条件整定时, 为防止误动必须由转子低电压元件闭锁, 但是转子低电压元件的动作电压也是按静稳边界确定的, 因此当系统出现问题时两个元件同时误动的可能性是存在的。
（2) 当阻抗元件按异步边界的条件整定时, 若失磁发电机维持的有功、与系统的联系电抗都较大时则等有功阻抗圆距异步边界圆较远, 两者可能无交点或相交部分很小会造成失磁发电机失步前机端阻抗的测量轨迹不会进入异步阻抗圆内。发电机失步之后虽机端测量阻抗轨迹能进入圆内, 但由于同步功率的存在, 机端测量阻抗在不断地变化, 特别是发电机维持有功很大及部分失磁或剩磁很大时会使机端测量阻抗变化的幅度很大而造成阻抗值在整定圆内外不停地摆动。由于失磁保护动作有延时, 故保护有拒动的可能性。
（3) 阻抗判据的整定计算内容多又复杂、所需机组和系统的参数多、理论概念抽象不易理解。
2、失磁保护中采用转子电压判据存在的问题
（1) 无刷励磁的发电机无法取得转子电压;
（2) 现代的励磁系统采用可控硅整流, 励磁电流中的高次谐波分量很大, 特别是大型发电机转子电压中的高次谐波分量很大, 有的高达 1~ 2 kV。这么高的电压引到保护装置中不利于装置的安全运行;
（3) 转子电压通过电缆引接到保护柜上, 人为地增加了转子回路长度容易引起故障, 同时保护柜内的转子电压对人员的安全也不利;
（4) 转子低电压还有二级判据的整定 ( 目前被称作变励磁判据)，该判据的动作电压是按照并网运行发电机的功角等于 90b(即静稳极限)的条件下算出的, 是一个随有功功率的增大而增大的动态定值。整定计算内容多又复杂, 所需机组和系统参数多、理论概念抽象不易理解。
（5) 保护装置中转子电压值的采集不像交流电量那样容易和精确, 在工程上一般是采用霍尔传感器来转换, 因转子电压值变化范围大, 其转换精度也不易做到很高。逆无功原理的发电机失磁保护完全避免了以上的缺点。
七、结束语
通过介绍，我们对发电机的失磁和防治有了一定了解，在进行操作过程中，操作人员要精心操作，勿手动减励磁而使定子电流减少，以免造成系统电压下降而引发事故，以保证发电机和电网的安全稳定运行。
参考文献
[1] 姚晴林. 同步发电机失磁及其保护[M]. 北京: 机械工业出版社,2000
[2] 王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002.