白蓮河抽水蓄能電站發電電動機失磁保護的探討

景 城，王 琳

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600）

1 工程概況

白蓮河抽水蓄能電站裝設4臺單機容量為300 MW的單級混流可逆式水泵水輪電動發電機組，發電電動機為立軸、半傘、空冷可逆式同步發電電動機，發電工況額定容量334 MV·A，電動機工況額定容量325 MW，額定電壓15.75±6.5%kV。發電電動機和主變壓器采用單元接線方式，之間通過IPB連接，設換相開關與發電機斷路器。主變壓器型號為SSP10-360000/500，額定容量 360 MV·A，高壓側額定電壓525±2×2.5%kV。每兩臺主變高壓側接入一套地下500 kV GIS聯合單元，經500 kV干式高壓電纜接入地面500 kV GIS，以一回出線接入華中電網。

電站機組保護采用的裝置是法國ARIVER生產的P34x系列，下面將對從失磁保護動作原理上進行剖析，比較該裝置與國產失磁保護動作原理，分析二者存在的差異。

2 發電機失磁原理及后果

發電機失磁故障是指發電機的勵磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有：轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳閘、半導體勵磁系統中某些元件損壞或回路發生故障以及誤操作等。當發電機完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減至0。由于發電機的感應電勢隨著勵磁電流的減小而減小，因此，其電磁轉矩也將小于原動機的轉矩，因而引起轉子加速，使發電機的功角增大。當功角超過靜態穩定極限角時，發電機與系統失去同步。發電機失磁后將從并列運行的電力系統中吸取電感性無功功率供給轉子勵磁電流，在定子繞組中感應電勢。當發電機超過同步轉速后，將進入異步運行。

發電機失磁后而異步運行時，將對電力系統和發電機產生以下影響：

（1）需要從電網中吸收很大的無功功率以建立發電機的磁場。

（2）由于從電力系統中吸收無功功率將引起電力系統的電壓下降，甚至可能因電壓崩潰而使系統瓦解。

（3）失磁后發電機的轉速超過同步轉速，將在轉子及勵磁回路中產生交流電流，因而形成附加損耗，使發電機轉子和勵磁回路過熱。

3 兩種失磁保護對比分析

3.1 電站失磁保護原理

由P34x繼電器構成的失磁保護由3個元件組成，包括2段延時阻抗元件和1個無功進相 （功率因數）報警元件，其動作原理如圖1所示，邏輯框圖見圖2。

圖1 失磁保護原理

圖2 發電電動機失磁保護邏輯框圖

阻抗元件輸入信號為Ia和Ua，最小工作電流和電壓分別為20 mA和1V（二次側額定電流和電壓：Ιn=1 A，Vn=100/120V），100 mA和 4V （二次側額定電流和電壓：Ιn=5 A，Vn=380/480 V）。

電機失磁失步后，在吸收系統無功的同時尚能保持20%～30%的有功輸出，這種情況可以保持幾分鐘而不會導致轉子損壞，傳統的失磁阻抗元件不能反應這種狀態，因此P34x提供了無功進相 （功率因數）報警元件來處理這種情況。處于失磁狀態下電機運行依賴于剩余系統能否向電機提供所需求的無功，如果系統不能提供足夠的無功，系統電壓降下降且系統將變得不穩定，這種情況一般發生在大型電機連接在一個相對較弱系統，且電機帶有較大負荷。為確保這種情況下能快速跳閘，其中的一個阻抗元件必須采用較短的延時，該原件快速跳開發電機以保持系統穩定。為防止振蕩下誤動，該阻抗元件直徑要求較小。較大直徑的阻抗元件用來檢測發電機低負荷下的失磁故障，且設置一個延時防止振蕩下的誤動。

3.2 國內常用的失磁保護原理

目前，國內發電機失磁保護應用較多為靜穩邊界圓動作特性 （見圖3），發電機失磁后，機端測量阻抗軌跡由圖中第I象限隨時間進入第Ⅳ象限，達靜穩邊界附近進入圓內。靜穩邊界阻抗判據滿足后，至少延時1～1.5 s發失磁信號、壓出力或跳閘，延時1～1.5 s的原因是躲開系統振蕩。扇形與R軸的夾角10～15為了躲開發電機出口經過渡電阻的相間短路，以及躲開發電機正常進相運行。

圖3 國內失磁保護動作特性

3.3 兩種原理定值計算比較

按國內失磁原理整定的定值計算，靜穩阻抗圓與jx軸的上下交點分別為Z1A和Z1B。

系統電抗 （折算至機端，按單臺發電機計算，不考慮其他機組影響）計算：

最大系統聯系電抗Xstmax=0.0407+0.1299=0.1706

最小系統聯系電抗Xstmin=0.0261+0.1299=0.1560

發電機側基準阻抗

故 Z1Amax=0.1706*70.7=120.6 Ω， Z1Amin=0.156*70.7=11.03。

表1 兩種原理定值整定比較表

根據 “導則”計算

因此，定值整定如下 （括號內為標幺值）：①考慮系統最大運行方式， Z1A=12.06（0.1706），Z1B＝-76.4（1.08）。②考慮系統最小運行方式，Z1A=11.03（0.156）， Z1B＝-76.4（1.08）。

兩種原理計算定值比較見表1。

4 結 語

由對白蓮河抽水蓄能電站失磁保護裝置及動作原理與國內常用的機組失磁保護進行的比較分析，可以看出該電站失磁保護裝置的優點是：電機失磁失步后，在吸收系統無功的同時尚能保持20-30%的有功輸出，這種情況可以保持幾分鐘而不會導致轉子損壞，傳統的失磁阻抗元件不能反應這種狀態；缺點是：①兩圓的上頂點均不能整定到坐標原點以上，因此不能完全擬合靜穩邊界。②沒有轉子判據作為配合，也沒有負序閉鎖等元件配合，可靠性有些不足。

［1］ 賀家李，寧從矩.電力系統繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，1994.

［2］ 何仰贊，溫增銀.電力系統分析 ［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.