发电机低励失磁保护介绍

发电机低励失磁保护介绍焦利霞2014.1.21主要内容发电机的工作原理与结构发电机的励磁系统发电机失磁及其影响失磁后的物理现象失磁保护定子判据介绍发电机的工作原理与结构发电机的结构以汽轮发电机为例定子转子定子铁心：硅钢片叠成电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成机座：钢铁焊接面成，有足够的强度和钢度转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成励磁绕组：铜线制成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组发电机的结构示意图定子铁心定子铁心和线圈转子结构示意图定子和转子的相对位置图发电机的结构图国产200MW汽轮发电机定子定子绕组线圈10000KW水轮机的转子励磁绕组600MW的汽轮发电机300MW的汽轮发电机立式水轮发电机卧式水轮发电机发电机的基本工作原理用原动机拖动转子使其到达同步转速n，后在励磁绕组中通入直流电流建立恒定磁场，定子绕组切割磁感线产生感应电动势E0。频率：𝑓=𝑛𝑝60大小：𝐸0=4.44𝑓𝑁1𝐾𝑤1𝜙0波形：由𝑒=𝑏𝑙𝑣可知，波形取决于𝑏的空间分布。相序：由转子的转向决定。电磁电发电机的励磁系统励磁系统的构成同步发电机的励磁系统励磁系统一般由两部分构成：第一部分是励磁功率单元：给励磁绕组提供励磁电流，以建立直流磁场；第二部分是励磁控制部分：又称励磁调节器，包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和灭磁等；其根据发电机的运行状态自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机的运行要求。励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。发电机励磁系统的任务电压控制：在发电机正常运行情况下，维持发电机机端或升压变压器的高压侧电压在给定水平。无功功率的分配：调节发电机输出的无功功率，保证并列运行的发电机之间合理的无功分配。提高同步发电机并列运行的稳定性：可有效地提高电力系统的静态稳定性，并在一定程度上改善暂态稳定性，但可能引入负阻尼，引发低频振荡。提高继电保护动作的灵敏性：系统处于低负荷运行并发生短路故障，强励可增大短路电流，继而提高了继电保护的灵敏度。快速灭磁：可降低故障对发电机或升压变压器造成的损害。改善电力系统的运行条件：维持机端电压在给定水平，继而保证了系统的电压水平。发电机的励磁方式1.直流励磁机励磁系统采用并励的直流发电机作为励磁机来供给励磁电流。2.交流励磁机励磁系统分自励式励磁系统和他励式励磁系统。3.静止励磁系统静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用母线上发电机失磁及其影响发电机失去直流励磁，称为失磁。发电机失磁后，经过同步振荡进入异步运行状态，发电机在异步运行状态下，以低滑差s与电网并列运行，从系统吸取无功功率建立磁场，并向系统输入一定的有功功率，是一种特殊的运行方式。引起发电机失磁的原因有转子绕组故障、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依旧误操作等。失磁对电力系统和发电机的影响1.需从电力系统中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。2.电力系统容量较小或无功储备不足时，引起电力系统电压下降。3.在转子及励磁回路中将产生差频电流，其在转子回路中产生的损耗若超出允许值，则将使转子过热。4.对于直接冷却的大型汽轮发电机，可能引起机组振动，直接威胁着机组的安全。5.低励磁或失磁运行时定子端部漏磁增加，将使端部铁心过热。失磁后的物理现象失磁初始阶段：励磁Uf减小，引起定子电动势E0、机端电压U、定子电流I减小；滑差s和功角δ变化很小，机端输出有功P和无功Q下降。失去靜稳以前（𝛿90°）：U持续下降；δ持续增大；Q迅速减小并导致无功功率反向；s缓慢增加；由于滑差电动势补偿了部分励磁电压的消失，且δ的持续增大，使有功P、I出现回升。又因原动机功率不能很快改变，致使转子加速减慢，s、P、I又随之减小，这样P、I出现波动。实际上P在有功功率水平上做上下波动，平均功率基本不变。UIPδt090º180ºU、I、P、δ的变化图tQ0180º无功的变化图90º靜稳极限时（𝛿=90°）：机端输出无功反向，且为某一常数，这是汽轮发电机失磁后抵达靜稳极限的一个特征。靜稳破坏后（90°𝛿180°）：机端输出功率有功P基本保持不变，Q反向且不断增大，定子电流I明显上升，定子电压U明显下降，滑差s和功角δ急剧增大发电机失磁后的电量变化励磁电压、电流减小发电机机端电压降低定子电流增大并出现波动发电机输出一定的有功功率，且做周期性波动从输出无功功率变为吸收无功功率转子回路感应出滑差频率的交流电流和交流电动势转子电流周期性波动，电流数值较失磁前小失磁保护定子判据介绍失磁保护的判据：定子判据：靜稳边界圆特性和异步阻抗圆特性转子判据：以励磁电压做判据逆无功判据：失磁后机端输出无功由正变为负低电压判据：电压取高压母线或机端线电压发电机失磁后机端测量阻抗发电机与无穷大系统并列运行时的等效电路如图1所示：图（1）其中𝑆=𝑃−𝑗𝑄表示发电机送出感性无功功率，其中：𝑃=𝐸0𝑈𝑠𝑋𝛴sin𝛿𝑄=𝐸0𝑈𝑠𝑋𝛴cos𝛿−𝑈𝑠2𝑋𝛴受端的功率因数角：𝜑=𝑡𝑔−1𝑄𝑃1.失磁后到失步前（𝛿90°）机端测量阻抗：𝑍𝑔=𝑈•𝑔𝐼•=𝑈•𝑠+𝑗𝐼•𝑋𝑠𝐼•=𝑈𝑠2𝑆+𝑗𝑋𝑠=𝑈𝑠22𝑃×𝑃−𝑗𝑄+𝑃+𝑗𝑄𝑃−𝑗𝑄+𝑗𝑋𝑠=𝑈𝑠22𝑃(1+𝑃+𝑗𝑄𝑃−𝑗𝑄)+𝑗𝑋𝑠=𝑈𝑠22𝑃+𝑗𝑋𝑠+𝑈𝑠22𝑃𝑒𝑗2𝜑由此可得，𝑍𝑔在复阻抗平面上是一个圆，圆心为（𝑈𝑠22𝑃，𝑋𝑠）半径为𝑈𝑠22𝑃。等有功阻抗圆2.临界失步点（𝛿=90°）对于汽轮发电机组，当𝛿=90°时，发电机处于失去靜太稳定的临界状态，故称为临界失步点。此时受端功率为：𝑃=𝐸0𝑈𝑠𝑋𝛴𝑄=−𝑈𝑠2𝑋𝛴机端测量阻抗：𝑍𝑔=𝑈•𝑔𝐼•=𝑈𝑠2−𝑗2𝑄×（1−𝑒𝑗2𝜑）+𝑗2𝑋s=−𝑗𝑋𝑑−𝑋𝑠2+𝑗𝑋𝑑+𝑋𝑠2𝑒𝑗2𝜑可得𝑍𝑔在复阻抗平面是一个圆，圆心为（0，−𝑋𝑑−𝑋𝑠2），半径为𝑋𝑑+𝑋𝑠2。临界失步圆圆内是靜稳破坏区，圆外是静态稳定区。临界失步圆（𝛿=90°）3.靜稳破坏后的异步运行阶段（𝛿90°）异步电机等效电路图如下：机端测量阻抗：𝑍𝑔=−𝑗𝑋1+𝑗𝑋𝑎𝑑𝑅2𝑠+𝑗𝑋2𝑅2𝑠+𝑗(𝑋𝑎𝑑+𝑋2空载时，s≈0，𝑍𝑔=−𝑗𝑋𝑑负载时，𝑍𝑔随着转差率的增大而减小，极限情况下，s→-∞,gdZjX𝑍𝑔=−𝑗𝑋1+𝑋2𝑋𝑎𝑑𝑋2+𝑋𝑎𝑑=−𝑗𝑋𝑑′失磁后机端测量阻抗的变化轨迹靜稳阻抗圆指的是临界失步圆。靜稳阻抗圆的动作方程：异步阻抗圆的物理概念抽象不易理解，实质是在不同转差率s下的一组阻抗圆族的外包络线。而在实际整定时用一个近似阻抗圆来代替实际阻抗的外包络线。27090JBJAZjXArgZjX靜稳阻抗圆特性失磁后异步阻抗圆特性为躲开系统振荡的影响，取𝑋𝐴=0.5𝑋𝑑′；考虑到保护在不同转差率下异步运行时能可靠工作，取𝑋𝐵=1.2𝑋𝑑。异步阻抗圆的动作方程：1.2BdXX27090JBJAZjXArgZjX异步阻抗圆特性发电机失磁保护逻辑图