水輪發(fā)電機失磁保護配置及誤動作分析

趙靜樸，肖 勇

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

同步發(fā)電機在運行過程中，可能突然全部或部分地失去勵磁。引起失磁的原因多是由于勵磁回路開路(如滅磁開關(guān)誤跳閘、整流裝置的誤跳開等)、短路、勵磁機勵磁電源消失或轉(zhuǎn)子繞組故障等。發(fā)電機發(fā)生失磁故障后，將過渡到異步運行，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，定子電流增大，定子電壓下降，有功功率下降波動，無功功率反向并且增大；在轉(zhuǎn)子回路中出現(xiàn)差頻電流；電力系統(tǒng)的電壓下降等。由此可見發(fā)電機失磁故障嚴(yán)重影響大型機組的安全運行。

不同于汽輪發(fā)電機，水輪發(fā)電機的異步功率較小，必須在較大的轉(zhuǎn)差下運行，才能發(fā)出較大的功率。其調(diào)速器的靈敏度不夠，時滯較大，甚至可能在功率尚未達(dá)到平衡時就大大超速，從而與系統(tǒng)解列。水輪發(fā)電機的同步阻抗較小，如果異步運行，需要從電網(wǎng)中吸收大量的無功，在系統(tǒng)無功功率儲備不足的情況下可能影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定甚至系統(tǒng)安全的穩(wěn)定性。由于水輪發(fā)電機的縱軸和橫軸不對稱，失磁情況下機組的振動較大。對于水輪發(fā)電機失磁后保護的動作后果應(yīng)為直接跳閘，所以失磁保護對于水輪發(fā)電機顯得尤為重要。

1 失磁保護的主判據(jù)

根據(jù)發(fā)電機失磁后各電氣量變化，目前失磁保護使用最多的主判據(jù)主要有三種：

(1)轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，即測量勵磁電壓Ufd是否小于動作值；

(2)發(fā)電機機端低阻抗判據(jù)（水輪發(fā)電機一般采用蘋果圓或靜穩(wěn)阻抗圓）；

(3)系統(tǒng)低電壓Us判據(jù)

三種判據(jù)分別反映轉(zhuǎn)子側(cè)、定子側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的電氣量。

1.1 轉(zhuǎn)子低壓判據(jù)Ufd

目前的微機保護，多采用變勵磁電壓判據(jù)Ufd（P），即在發(fā)電機帶有功P的工況下，根據(jù)靜穩(wěn)極限所需的最低勵磁電壓，來判別是否已失磁。正常運行情況下（包括進相），勵磁電壓不會低于空載勵磁電壓Ufd0。Ufd（P）判據(jù)十分靈敏，能反映出低勵的情況，但整定計算相對復(fù)雜。因為Ufd是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的電氣量，多為直流，而功率P是定子系統(tǒng)的電氣量，為交流量，兩者在一個判據(jù)進行比較，如果整定不當(dāng)很容易導(dǎo)致誤動作。而對于水輪機組，由于Xd與Xq的不同，整定計算就更繁瑣一些。

但是勿容置疑的是，該判據(jù)靈敏度最高，動作很快。如果掌握好其整定計算方法，在整定計算上充分考慮空載勵磁電壓Ufd0和同步電抗Xd等參數(shù)的影響，或在試運行期間加以實驗調(diào)整，不僅可以避免誤動作，而且是一個十分有效的判據(jù)。能防止事故擴大而被迫停機，特別適用于勵磁調(diào)節(jié)器工作不穩(wěn)定的情況。

1.2 機端測量阻抗判據(jù)

阻抗元件作為失磁保護的定子判據(jù)是同步發(fā)電機中常用的判據(jù)，即利用定子回路的參數(shù)變化來鑒別發(fā)電機的失磁故障。當(dāng)發(fā)電機正常運行時，機端測量阻抗為負(fù)載阻抗，測量阻抗位于第一象限，當(dāng)發(fā)電機失磁后，隨著無功功率輸出方向的改變，機端測量阻抗的軌跡由第一象限逐步進入第四象限。進入靜穩(wěn)邊界，此時發(fā)電機的機械功率與電磁功率失去平衡。一旦進入靜穩(wěn)邊界后,發(fā)電機將不可避免地進入異步運行狀態(tài)。

阻抗元件反映發(fā)電機機端測量阻抗，當(dāng)測量阻抗落入阻抗圓內(nèi)時，保護動作。失磁保護的阻抗圓常見有兩種，一是靜穩(wěn)邊界圓，另一個是異步圓，還有介于兩者之間的蘋果圓（主要用于凸極機式水輪機發(fā)電機）。發(fā)電機發(fā)生低勵、失磁故障后，總是先通過靜穩(wěn)邊界，然后轉(zhuǎn)入異步運行。因此，靜穩(wěn)邊界圓比異步圓靈敏。

1.3 系統(tǒng)低電壓Us判據(jù)

系統(tǒng)電壓檢測元件檢測變壓器高壓側(cè)電壓，發(fā)電機失磁以后，發(fā)電機從系統(tǒng)中吸收無功功率，引起系統(tǒng)中電壓變化，尤其是大容量發(fā)電機經(jīng)長輸電線與小系統(tǒng)相聯(lián)系，發(fā)電機的失磁導(dǎo)致系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行，威脅系統(tǒng)安全。這種判據(jù)在系統(tǒng)容量較小、電廠與系統(tǒng)聯(lián)系薄弱或系統(tǒng)無功不足時，能可靠動作。對于與系統(tǒng)聯(lián)系緊密的電廠和小型機組，本判據(jù)完全可以取消。

目前失磁保護配置方案很多，其主判據(jù)也不外乎以上所說的幾種，主要是邏輯組合與閉鎖方式的差別。除本文所提的配置方案外，目前大機組上應(yīng)用較廣泛的方案有：采用靜穩(wěn)邊界圓發(fā)信，異步圓跳閘。這種方案主要是擔(dān)心轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)太靈敏，易誤動。靜穩(wěn)圓與異步圓從原理上沒有很大的差別，反映的都是機端感受阻抗，只是靜穩(wěn)圓比異步圓靈敏一些，動作稍快一些。如果用靜穩(wěn)邊界圓發(fā)信，到減出力或采取措施，恐怕已不能使勵磁恢復(fù)正常了，停機事故將在所難免。

2 失磁保護誤動分析

失磁保護的主判據(jù)一般由上文所提到的三個判決根據(jù)具體情況組合而成，但在系統(tǒng)發(fā)生異常工況下，單靠以上判決有時不能保證失磁保護的正確動作。

2.1 轉(zhuǎn)子低壓元件的誤動作

2.1.1 甩無功負(fù)荷時的誤動作

機組甩無功負(fù)荷時，機端電壓升高，調(diào)節(jié)器動作，為維持機端電壓的恒定，勵磁調(diào)節(jié)器輸出由正變?yōu)樨?fù)，但同時也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電壓Ufd的迅速降低，造成失磁保護轉(zhuǎn)子低電壓元件誤動作，從而失去閉鎖作用。

2.1.2 系統(tǒng)故障時的誤動

當(dāng)外部發(fā)生短路故障時，發(fā)電機電壓要降低，勵磁系統(tǒng)要強勵，轉(zhuǎn)子電壓，轉(zhuǎn)子電流升高，在短路故障切除瞬間，發(fā)電機電壓立即上升，發(fā)電機強減調(diào)節(jié)器正輸出，以抑制機端電壓升高，負(fù)輸出將使轉(zhuǎn)子電壓反向，引起轉(zhuǎn)子低壓元件動作。

而當(dāng)系統(tǒng)振蕩時，機端電壓周期性變化，調(diào)節(jié)器正、負(fù)輸出電流也隨著周期性變化，若不考慮轉(zhuǎn)差對轉(zhuǎn)子波形的影響，單是這個變化量就會使轉(zhuǎn)子電壓一會兒升高、一會兒降低，可能使轉(zhuǎn)子電壓元件動作。

因此，發(fā)電機甩負(fù)荷、系統(tǒng)發(fā)生短路、振蕩等故障過程中。由于調(diào)節(jié)器負(fù)輸出參與調(diào)節(jié)作用，失磁保護轉(zhuǎn)子低電壓元件要誤動。

2.2 阻抗元件的誤動作

2.2.1 系統(tǒng)振蕩

在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，由于發(fā)電機機端電壓E和系統(tǒng)電壓Us之間夾角不斷發(fā)生變化導(dǎo)致機端測量阻抗有可能落入阻抗圓內(nèi)，導(dǎo)致阻抗元件動作。

2.2.2 進相運行

按照電力系統(tǒng)降低系統(tǒng)電壓的要求，發(fā)電機的勵磁電流繼續(xù)減少，出現(xiàn)發(fā)出的無功功率為負(fù)值(即從電網(wǎng)吸收無功功率)，發(fā)電機功率因數(shù)超前(即定子電流超前電壓)的運行方式。進相運行程度主要受發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限、發(fā)電機定子鐵心端部發(fā)熱的限制，還要受廠用電壓下降允許程度的限制。

失磁保護的裝設(shè)，使發(fā)電機進相運行的深度進一步縮小，因為在發(fā)電機進相運行時，雖然沒有達(dá)到發(fā)電機的不穩(wěn)定區(qū)域，但有時計算阻抗可能落入失磁保護阻抗圓區(qū)域內(nèi)，失磁保護動作跳閘，從保護設(shè)備的角度出發(fā)，這是有益的，但機組跳閘對電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊，影響供電質(zhì)量。

2.2.3 外部短路故障

當(dāng)發(fā)電機出口經(jīng)過渡電阻兩相短路時和主變高壓側(cè)兩相短路時機端阻抗都可能落入蘋果圓內(nèi)。

2.2.4 PT斷線引起的誤動

電發(fā)機電壓互感器發(fā)生斷線時，阻抗變小，也會引起阻抗元件的動作。

2.2.5 長線充電

發(fā)電機對長線充電進行零起升壓試驗時，機端測量阻抗是容性阻抗，線路越長，阻抗的絕對值越小，越易誤動，實驗表明，線路電壓等級越高，機組容量越小時，誤動的可能性越大。

3 失磁保護誤動分析

為防止轉(zhuǎn)子低壓元件的誤動作，在轉(zhuǎn)子低電壓閉鎖元件中增設(shè)負(fù)輸出閉鎖作用，當(dāng)負(fù)輸出消失后，轉(zhuǎn)子電壓逐步上升，但其值較低，轉(zhuǎn)子低電壓也有可能在負(fù)輸出消失后的一段時間內(nèi)誤動。為此，負(fù)輸出消失后，要繼續(xù)閉鎖一段時間。為了防止調(diào)節(jié)器故障，負(fù)輸出一直出現(xiàn)時，機組失磁，失磁保護拒動，應(yīng)在調(diào)節(jié)器裝置中增設(shè)故障退出功能。

由于發(fā)電機剩磁的增加，實際的轉(zhuǎn)子空載電壓比額定要低，所以降低轉(zhuǎn)子電壓的整定值可以防止誤動作的幾率。

機端PT斷線判斷采用負(fù)序分量的方法，計算機端電壓、電流的負(fù)序分量，當(dāng)負(fù)序電壓大于本裝置的給定值，而負(fù)序電流小于本裝置的定值時，認(rèn)為PT斷線，發(fā)信號，并閉鎖阻抗元件。

對于進相運行引起失磁保護動作的情況，應(yīng)從兩個方面進行考慮：一是在進相運行期間，操作人員必須以進相運行試驗數(shù)據(jù)為指導(dǎo)，嚴(yán)格把握進相深度，使機端測量阻抗不要落入失磁保護阻抗圓內(nèi)，當(dāng)無功功率接近靜態(tài)穩(wěn)定無功邊界值時，及時動作于報警，提醒運行人員，避免失磁保護動作。二是失磁保護的整定計算應(yīng)充分考慮進相運行的需要，在允許范圍內(nèi)盡量將阻抗圓下移。

對于外部短路故障引起失磁保護誤動的情況，采用負(fù)序電流閉鎖失磁保護，當(dāng)發(fā)電機失磁后，阻抗和無功方向元件動作，由于沒有負(fù)序電流，負(fù)序元件解除閉鎖，當(dāng)由系統(tǒng)短路或短路引起系統(tǒng)振蕩時，有瞬時負(fù)序電流，負(fù)序電流閉鎖阻抗和無功方向元件動作，防止失磁保護誤動作。

為防止由于長線充電引起的誤動作，裝置采用開入量的方法閉鎖保護。

由于失磁保護的原理和發(fā)生失磁時各種電氣量變化的復(fù)雜性決定了失磁保護整定的復(fù)雜性，因此，為防止失磁保護誤動作，進行合理的定值整定是最為重要的。

4 向家壩電廠失磁保護淺析

向家壩電廠失磁保護采用機端電壓、阻抗元件+無功反向組成失磁保護，保護采用PT斷線閉鎖，動作于解列。

由于沒有采用變勵磁電壓判據(jù)，系統(tǒng)振蕩時，當(dāng)振蕩中心落入發(fā)電機內(nèi)時，失磁保護有誤動的風(fēng)險，所以合理的對失磁阻抗元件進行整定，是防止失磁保護誤動最有效的辦法。為防止進相運行時失磁保護誤動，應(yīng)進行進相深度試驗，掌握詳細(xì)試驗數(shù)據(jù)，為今后運行提供操作依據(jù)，并在保護設(shè)備的基礎(chǔ)上與失磁保護整定計算合理配合。由于向家壩電廠機組容量大，輸電線路相對較短，進行零起升壓時失磁保護誤動作的可能較小，但試驗時應(yīng)進行密切監(jiān)視。另外，建議增加負(fù)序電流閉鎖來防止外部短路時引起的失磁保護誤動。

向家壩電廠失磁保護動作于解列，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子或勵磁回路匝間短路等故障情況下，即使機組解列，也會給設(shè)備產(chǎn)生轉(zhuǎn)子或者勵磁回路燒毀等現(xiàn)象，所以建議失磁保護動作于解列、滅磁。

[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用[M]第二版.北京：中國電力出版社，2002.

[2]張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.