技能培训专题-发电机失磁保护

•7.5发电机失磁保护•7.5.1发电机失磁运行及后果发电机失磁故障----发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因----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以及误操作等。失磁故障的形式----励磁绕组直接短路或经励磁电机电枢绕组闭路引起失磁、励磁绕组开路引起失磁、励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁，励磁绕组经整流器闭路（交流电源消失）失磁。当发电机完全失去励磁时（失磁后将从电力系统中吸取感性无功功率）：fg----发电机转速的频率fs----系统频率励磁电流将逐渐衰减至零电磁转矩将小于原动机转矩转子加速发电机的功角δ增大发电机失步转子中感应出频率fg-fs的电流产生异步转矩进入稳定的异步运行发电机感应电势Ed将随之减小当δ超过静态稳定极限角时异步转矩与原动机转矩平衡时当发电机失磁后而异步运行时，将对电力系统和发电机产生以下影响：（1）需要从电网中吸收无功功率以建立发电机磁场。（2）由于从电力系统中吸引无功功率将引起电力系统电压下降，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。（3）在转子及励磁回路中将产生频率为fg-fs的差频电流。（4）有很大的电磁转矩周期性作用在发电机轴系上，并通过定子传到机座上，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，将使端部或边段铁芯过热。•7.5.2发电机失磁后的机端测量阻抗根据电机学，发电机送到受端的功率S=P-jQ（本书规定发电机送出感性无功功率时表示为P-jQ）分别为：受端的功率因数角为：δ90°----发电机正常运行；δ=90°----发电机为稳定运行极限；δ90°----发电机失步。Ed—发电机同步电势；Ug—发电机端相电压；Us—无穷大系统的相电压；I—发电机定子电流；φ—受端功率因数角；δ—Ed与Us的夹角。Xd—发电机同步电抗；Xs—发电机与系统间联系电抗；sin(736)dsEUPX2cos(737)dssEUUQXX()dsXXX1(/)(738)tgQP•1发电机在失磁过程中的机端测量阻抗（1）失磁后到失步前在这一阶段中，发电机端的测量阻抗为：其阻抗的轨迹在复数抗平面上如下图所示：(sin)/dsPEUX2(cos)//dssQEUXUXδ增大Ed减小P基本不变Q将由正变负发电机变为吸引感性无功功率222222ˆˆ2(1)(),(739)222gssssssgsssgsjsssssUUjIXUUUUPjQPjQZjXjXjXIISPPjQIUUUUPjQjXjXePPjQPP由于这个圆是在某一定有功功率不变的条件下做出的，因此称为等有功阻抗圆。机端测量阻抗的轨迹与P有着密切关系，对应不同的值有不同的阻抗圆，且P越大时圆的直径越小。（2）临界失步点对汽轮发电机组，当δ=90°时，发电机处于失去静态稳定的临界状态，故称为临界失步点。此时输送到受端的无功功率为（见式（7-37））：此时机端的测量阻抗为：其轨迹也是一个圆的方程，如下图所示：2/(740)sQUXQ为一负值，表明临界失步时，发电机自系统吸收无功功率，且为一常数，故临界失步点也称等无功点22222/22()(1)22(1),(741)222sgsssgsssQUXjjsdsdssUUUUPjQPjQPjQZjXjXjXISjQSjQPjQUXXXXejXjjejQ这个圆称为静稳阻抗圆，也称等无功阻抗圆。其圆周为发电机以不同的有功功率P临界失稳时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为静稳破坏区。（3）静稳破坏后的异步运行阶段静稳破坏后的异步运行阶段可用图7-24所示的等效电路来表示，此时机端测量阻抗应为：1、发电机空载运行失磁时，S≈0，R2/S≈∞，此时机端测量阻抗最大：2、发电机在其他运行方式下失磁时，测量阻抗将随转差率增大而减小，并位于第四象限。3、当fg→∞时，S→－∞，R2/S→0，测量阻抗最小：22122(),(742)()adgadRjXjXSZjXRjXXS1,(743)gaddZjXjXjX212,(744)adgdadXXZjXjXXX图7-24：异步电机等效图a与a’：发电机失磁前在过激状态下运行，机端测量阻抗位于复数平面的第一象限（如图7-25中的a或a’点）；b与b’：失磁以后，测量阻抗等有功阻抗圆向第四象限移动。当它与静稳圆（等无功圆）相交时（b或b’点），表示机组运行处于静稳定的极限；c与c’：越过b（或b’）点后，转入异步运行，最后稳定运行于c（或c’）点，此时平均异步功率与调节后的原动机输入功率相平衡。图7-25：发电机端测量阻抗在失磁后的变化轨迹•2发电机在其它运行方式下的机端测量阻抗（1）发电机正常运行及外部故障时的机端测量阻抗Zg5----当采用0°接线方式时，故障相测量阻抗位于第一象限，其大小和相位正比于短路点到保护安装地点之间的阻抗，如图7-26中的Zg5。Zg1----当发电机向外输送有功和无功功率时，其机端测量阻抗Zg位于第一象限，如图7-26中的Zg1，它与R轴的夹角夹角φ为发电机运行时的功率因数角。Zg2----当发电机只输出有功功率时，测量阻抗Zg2位于R轴上。Zg3----当发电朵欠激运行时，向外输送有功功率，同时从电网吸引一部分无功功率（Q值变为负），但仍保持同步并列运行，此时，测量阻抗Zg3位于第四象限。图7-26：发电机在各种运行方式下的机端测量阻抗（2）发电机与系统间发生振荡时的机端测量阻抗假定机端母线为无限大母线即认为Ed≈US时，振荡中心位于X∑/2处。当XS≈0振荡中心即位于X’d/2处时，机端测量阻抗的轨迹沿直接OO’变化，如图7-27所示，当δ=180°时，测量阻抗的最小值为Zg=-jX’d/2。（3）发电机自同步并列时的机端测量阻抗在发电机接近于额定转速，不加励磁而投入断路器的瞬间，与发电机空载运行时发生失磁的情况实质上是一样的。但由于自同步并列的方式是在断路器投入后立即给发电机加上励磁，因此，发电机无励磁运行的时间极短。对此情况，应该采取措施防止失磁保护的误动作。图7-27：系统振荡时机端测量阻抗的变化轨迹•7.5.3失磁保护转子判据失磁保护的转子判据是根据失磁后励磁绕组电压uf初期下降（以至到负）的特点来判别失磁故障的。•1整定值固定的转子判据由转子欠电压继电器来实现，可整定为：uf0----发电机空载励磁电压特点：整定值固定的方式，在发电机输出有功较大情况下发生部分失磁时，测量阻抗可能已越过静稳边界，但仍大于动作值，以致转子判据仍未动作。因此，目前趋向于采用按当前有功负荷下静稳边界所对应的励磁电压整定。.00.8(745)fsetfuu•2整定值随有功功率而改变的转子判据发电机在某一有功负荷P时失磁，其达到静稳边界所对应的励磁电压也是某一定值。转子欠电压继电器即按此值整定，当P改变时，整定值也跟随改变。隐极发电机经电抗XS连接到无穷大电源母线，该母线电压为US，该母线送出有功功率PS，即发电机有功功率为：失磁后，uf下降，if衰减，Eq随之衰减。Xd∑=Xd+XS。在静稳极限处δ=90°：以标么值表示时，US=1，与Eq.lim对应的静稳极限励磁电压uf.lim=Eq.lim，故：绘制曲线如图7-28所示。sinqSdEUPX.limdqSPXEU.lim(746)fduPX图7-28：极限励磁电压与有功功率的关系曲线•7.5.4失磁保护的构成方式一种比较典型的发电机失磁保护构成的逻辑图如图7-29所示：发信号/跳闸（t3出口）：对于无功储备不足的系统，当发电机失磁后，有可能在发电机失静稳之前，高压侧电压就达到了系统崩溃值。所以转子低电压判据满足并且高压侧低电压判据满足时，说明发电机的失磁已造成了对电力系统安全运行的威胁，经与门Y2和短延时t3发出跳闸命令，迅速切除发电机。图7-29：发电机失磁保护的逻辑图发信号/跳闸（t1出口）：通常取机端阻抗判据作为失磁保护的主判据。一般阻抗整定边界为静稳边界圆，故也称为静稳边界判据。当定子静稳判据和转子低压判据同时满足时，判定发电机已失磁失稳，经与门Y3和延时t1后出口切除发电机。若因某原因造成失磁时转子低电压判据拒动，定子静稳判据也可单独出口切除发电机，为了单个元件动作可靠性，增加了延时t4才出口。失稳发信：励磁绕组低电压判据满足时发出失磁信号，并输出切换励磁命令。此判据可预测发电机是否因失磁而失去稳定，从而在发电机尚未失去稳定之前及早地采取措施（如切换励磁等），防止事故的扩大。转子低电压判据满足并且静稳边界判据满足，经“&3”电路发出失稳信号。此信号表明发电机由失磁导致了失去了静稳。将进入异步运行。发信号/跳闸（t2出口）：稳定异步运行一般允许2~15分钟（t2），所以经过t2之后再发跳闸命令。在t2期间运行人员可有足够的时间去排队故障，重新恢复励磁，这样就避免了跳闸，这对经济运行具有很大意义。若出力在t2内不能压下来，而过电流判据又一直满足，则发跳闸命令以保护发电机本身的安全。压出力信号：汽轮机在失磁时允许异步运行一段时间，此期间过流判据监测汽轮机的有功功率。若定子电流大于1.05倍的额定电流，表明平均异步功率超过0.5倍的额定功率，发出压出力命令，压低发电机的出力后，允许汽轮机继续作稳定异步运行一般时间。