反向無功做為發電機失磁保護判據的應用研究

竇君

摘要：電力系統是一個龐大而復雜的人工控制系統，隨著機組容量和電網規模的擴大，電網風險也在不斷加大。其中，發電機勵磁系統對機組和電網的安全尤為重要。發電機失磁不僅會引起機組的振動和局部過熱，還會出現反向無功造成電網的電壓下降。失磁保護做為機組和電網安全的一道屏障，最大限度的發揮著繼電保護的防線作用。因此，合理的配置失磁保護判據和進行整定計算使保護功能得到穩定和優化顯得至關重要。

關鍵詞：失磁保護；反向無功；整定計算

發電機在運行過程中失去勵磁電流使轉子磁場消失，叫做發電機失磁。發電機失磁引起的機組振動和局部過熱不僅會損壞機組設備，還會因為出現反向無功而造成電網的電壓下降。失磁保護做為機組和電網安全的一道屏障，最大限度的發揮著繼電保護的防線作用。按照最新的電力生產反措要求，發變組保護裝置應取消勵磁電壓這一模擬量開入。勵磁電壓判據是失磁保護中最可靠的一個邏輯判據條件，為保證機組和電網運行的穩定加強對失磁保護的研究，找到一個合理而可靠的失磁保護配置和整定計算方案是十分必要的。

1 失磁保護的典型配置

運行中的發電機失去勵磁時，電網規定：經過試驗證明允許無勵磁運行且不會使系統失去穩定者，在系統電壓允許的條件下，可不急于立即停機而應迅速恢復勵磁。不符合上述要求的，失磁后應立即將發電機解列。發電機失磁后，相當于一臺電動機從系統吸收無功供給定子和轉子產生磁場用。當發電機的單機容量與電力系統總容量之比越大時，對電力系統的不利影響就越嚴重[1]。

失磁保護，主要利用發電機失磁后的參數變化特點構成：（1）國內比較普遍采用的保護主判據有靜穩阻抗圓和異步邊界圓[2]。失磁的危害判據有系統低電壓和機端低電壓，用來判別發電機失磁對系統和廠用電的影響。（2）靜穩極限圓和異步邊界圓做為判據的失磁阻抗繼電器能夠鑒別正常運行與失磁故障。但在發電機外部短路故障、系統振蕩、線路充電及電壓回路斷線等情況下失磁保護可能誤動作，因此增設輔助判據才能保證保護的選擇性。常用的輔助判據有勵磁電壓，負序分量。（3）系統振蕩過程中，機端測量阻抗軌跡只可能短時穿過失磁繼電器的動作區而不會長時間停留在動作區內，因此失磁保護帶有延時可以躲過振蕩的影響。

2 反向無功判據的應用

最新的電力生產反措要求，發變組保護裝置應取消勵磁電壓的模擬量開入。由于國內裝置的失磁保護普遍采用勵磁電壓做為判據條件，為保證機組和電網運行的穩定需要加強對失磁保護的研究，找到一個合理而可靠的失磁保護配置和整定計算方案。

針對失磁保護的配置現狀，從發電機失磁后的參數變化特點提出采用反向無功做為失磁保護主判據的解決方案。該判據的失磁保護直接反應發電機失磁后的機組從系統吸收無功的程度和定子過電流的情況[3]。發電機失磁保護應用反向無功判據的配置方案（南瑞RCS-985A）如下：

（1）失磁I段：定子阻抗判據，延時0.5～1.0S，動作于報警信號。

（2）失磁Ⅱ段：定子阻抗判據+機端低電壓+反向無功判據，延時0.5S停機。

（3）失磁Ⅲ段：定子阻抗判據+反向無功判據，延時1.0S，動作于停機。

發電機反向無功判據與異步邊界阻抗圓配合，一般按額定有功功率的10%～20%整定。阻抗圓類型可通過控制字“阻抗特性”選擇，反向無功判據與阻抗判據結合，通過控制字“無功反向判據投入”選擇。阻抗圓的選取不局限于異步阻抗圓、靜穩邊界圓，工程實際使用可以選擇兩種阻抗特性之間的阻抗圓，兼顧可靠性和快速性，具體配合方式如圖所示。

3 反向無功定值的整定計算

發電機參數：額定有功320MW，額定電壓20kV，額定定子電流為10867.8A，CT變比15000/5A，PT變比20/0.1kV。發電機組勵磁調節系統的低勵限制定值和失磁保護定值，如下表所示：

通過計算，分析反向無功定值在不同有功負荷下與失磁阻抗圓的邊界關系，并和勵磁限制考慮配合性。由于勵磁系統的低勵限制采用多折線的形式，分別對不同有功負荷下的定值可靠性進行計算分析：

3.1 320MW有功負荷

根據反向無功定值可以計算出實際的無功功率為-64MVar，此時對應發電機阻抗角為：

驗證分析：320MW有功負荷時，反向無功判據定值在低勵限制和失磁保護的靜穩圓之間，滿足可靠性要求。

3.2 240MW有功負荷

驗證分析：根據上述計算過程240MW有功負荷時，反向無功判據定值在失磁保護的靜穩圓之外，由于低勵限制值的絕對值小于無功判據值的絕對值，勵磁限制會先于保護動作，滿足可靠性。

3.3 160MW有功負荷

驗證分析：根據上述計算過程160MW有功負荷時，反向無功判據定值在失磁保護的靜穩圓之外，由于低勵限制值的絕對值小于無功判據值的絕對值，勵磁限制會先于保護動作，滿足可靠性。

3.4 80MW有功負荷

（1） RCS-985A失磁保護的異步圓動作邊界方程：

將P=80MW，Q=-80MVar對應的機端測量阻抗R和X代入邊界方程中，結果大于245。雖然低勵限制的絕對值大于反向無功判據的絕對值，但是不會滿足低電壓和阻抗判據條件。

（2）WFB-800失磁保護采用靜穩圓，雖然低勵限制和反向無功判據條件進入圓內，可選擇只投入II段定值，既阻抗+低電壓判據。

驗證分析：根據上述計算過程80MW有功負荷時，反向無功判據定值，滿足可靠性。

4 研究結論

本文重點探討反向無功做為發電機失磁保護判據的合理性和可靠性，通過計算反向無功定值在不同有功負荷下與失磁阻抗圓的邊界關系，來分析勵磁限制考慮配合性。該配置方案已成功運用于320MW大型發電機組的失磁保護上，通過理論分析、試驗調試和實際運行情況證明，反向無功做為失磁保護的判據條件對提高機組的穩定運行水平和降低保護的誤動率具有非常重要的意義。

參考文獻：

[1]孟凡超，吳龍.發電機勵磁技術及事故分析.中國電力出版社，2008.

[2]姜晟.發電機失磁保護的主要判據[J].工程與技術，2006（05）.

[3]薛伊琴.發電機失磁保護原理的比較和分析[J].繼電器，2005，33（20）.