發(fā)電機進相運行時失磁保護動作特性分析

王曉源

陽西海濱電力發(fā)展有限公司，廣東陽江 529800

所謂發(fā)電機的“進相運行”是指在正常發(fā)電狀態(tài)下，發(fā)電機一方面向系統(tǒng)提供有功功率，一方面也提供無功功率，當(dāng)定子電流滯后于端電壓角度的狀態(tài)下，發(fā)電機組此時的運行狀態(tài)被稱為“遲相運行”。而勵磁電流不斷減少的狀態(tài)下，發(fā)電機從“遲相運行”狀態(tài)發(fā)生變化，向系統(tǒng)提供的無功功率轉(zhuǎn)化為從系統(tǒng)吸收無功功率，這種變化導(dǎo)致定子電流從“滯后”形態(tài)轉(zhuǎn)為“超前”狀態(tài)，即超前發(fā)電機端電壓一個角度，這種運行狀態(tài)就被稱之為“進相運行”；歸根結(jié)底，進相運行是由于減少發(fā)電機勵磁電流造成的，即“失磁”，它的危害很大，如造成發(fā)電機有功負(fù)荷增加，導(dǎo)致發(fā)電機不穩(wěn)定、系統(tǒng)振蕩、定子線圈溫度飆升等，甚至造成絕緣設(shè)備損壞。

1 發(fā)電機失磁保護原理及動作特性

1.1 發(fā)電機失磁保護原理分析

一般發(fā)電機組的失磁保護判斷依據(jù)主要有三個層面，發(fā)電機組所測量到的阻抗值差異較大，不同過程中阻抗圓對比如圖1所示。

第一，該階段為發(fā)電機組失去靜穩(wěn)之前的過程，其功角小于90°，該階段也可視為失磁初始階段。靜穩(wěn)破壞現(xiàn)象出現(xiàn)之前，有功功率基本一致，因此，也被稱之為等有功阻抗圓；當(dāng)然，不同發(fā)電機組下等有功阻抗圓的頻率不同，即不同的有功功率所表現(xiàn)的圓半徑也不同，整體上功率越大、半徑越小。

第二，該階段為發(fā)電機組達到靜穩(wěn)極限狀態(tài)的過程，其功角等于90°，稱之為“靜穩(wěn)邊界阻抗圓”，但該“圓”更多地存在于理論范疇。

第三，該階段為發(fā)電機組進入異步運行狀態(tài)，其功角大于90°，它是工程上約等于異步運行時極端阻抗邊界的形態(tài)。

圖1 不同過程阻抗圓對比

很明顯，發(fā)電機呈現(xiàn)進相運行狀態(tài)下，機端測量抗阻的軌跡逐漸落入第四象限，所能夠測量到的等有功阻抗圓與異步邊界阻抗圓、靜穩(wěn)邊界阻抗圓產(chǎn)生交叉，從而出現(xiàn)失磁保護，因此要避免失磁保護的錯誤行為，就必須對失磁保護進行驗證。

1.2 發(fā)電機失磁保護動作特性

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，發(fā)電機組大型化特征日漸明顯，包括水電、火電、風(fēng)電等電力生產(chǎn)模式，都需要提高對發(fā)電機穩(wěn)定性、安全性的關(guān)注。而結(jié)合未來“智能電網(wǎng)”建設(shè)的需求而言，發(fā)電機組單機發(fā)容量增加是一個必然趨勢，這有利于實現(xiàn)系統(tǒng)化管理、控制和維護；但同時，“大型化”必然導(dǎo)致發(fā)電機組在設(shè)計、運行、結(jié)構(gòu)等方面出現(xiàn)新的問題，尤其是對于繼電保護的要求更為苛刻。很明顯，直軸電抗xd、暫態(tài)電抗xd'以及此暫態(tài)電抗xd''都會呈現(xiàn)上升趨勢，其結(jié)果為：（1） 短路電流水平持續(xù)下降，繼電器靈敏度持續(xù)提高；（2） 定子比值Ta/Ta''變大，并且定子回路時間常數(shù)也相應(yīng)提高，造成定子非周期性電流衰減變慢，從而破壞電流互感器的保護特性；（3） 直軸電抗持續(xù)上升的狀態(tài)下，系統(tǒng)容易受到干擾，發(fā)電機失磁故障機率增加，失磁保護的穩(wěn)定性難以保障。

2 發(fā)電機進相運行狀態(tài)失磁保護動作判斷依據(jù)及優(yōu)化建議

2.1 常見低勵失磁保護動作判斷依據(jù)及問題

國內(nèi)常見的低勵失磁保護判斷依據(jù)主要包括：（1） 判斷轉(zhuǎn)子低電壓狀態(tài)，涉及變勵磁電壓、等勵磁電壓等依據(jù)；（2） 根據(jù)機端定子阻抗判斷，主要判斷依據(jù)為靜穩(wěn)邊界阻抗圓、異步邊界阻抗圓的特性；（3） 根據(jù)三相同時低電壓狀態(tài)進行判斷，主要依據(jù)來源于主變高壓側(cè)低電壓、機端低電壓等；（4） 根據(jù)逆無功進行判斷。

結(jié)合實踐，以上常見的低勵失磁保護判斷并不完善，如利用“轉(zhuǎn)子低壓判斷”作為依據(jù)時，Ui-P判據(jù)較為靈敏。但也正因為它動作迅速、無需轉(zhuǎn)子機械過程的特點，容易出現(xiàn)誤動的現(xiàn)象。此外，如果多個發(fā)電機采取并列運行時，其中某一臺發(fā)電機失磁并不能保障高壓側(cè)母線電壓降低，從而導(dǎo)致判據(jù)不足而不能產(chǎn)生保護動作。

2.2 不同發(fā)電機組類型的失磁保護動作判斷優(yōu)化建議

第一，針對失磁保護按照靜穩(wěn)極限阻抗圓設(shè)定的進相發(fā)電機組而言，由于進相運行能力存在限制，從而導(dǎo)致保護動作的反應(yīng)敏捷性收到影響。因此，可以對發(fā)電機組進行改造，其失磁保護以異步邊界阻抗圓標(biāo)準(zhǔn)進行調(diào)整。

第二，針對進相運行發(fā)電機組出現(xiàn)額定負(fù)荷狀態(tài)下失磁現(xiàn)象，其失磁保護的動作比遲相運行更為快速，可通過額定負(fù)荷監(jiān)測、調(diào)整實現(xiàn)需求。

第三，針對進行運行發(fā)電機組出現(xiàn)的空載失磁現(xiàn)象及失磁保護反應(yīng)慢的現(xiàn)象，可利用發(fā)電機組增設(shè)逆功率保護解決。尤其為避免進相運行機組在空載附近呈現(xiàn)的失磁時間較長的特點，通過逆功率保護動作，可以將出現(xiàn)失磁現(xiàn)象的發(fā)電機組從系統(tǒng)中快速切除。

此外，也可以依據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定極限、異步阻抗等展開失磁保護誤動的優(yōu)化，但側(cè)重大功率、單機型機組，有一定局限性。

3 結(jié)語

本文針對一些典型低勵、失磁保護判斷進行了分析，結(jié)合不同原理發(fā)動機類型做出了失磁保護誤動提出了優(yōu)化措施，以期發(fā)揮借鑒、參考作用。

[1] 劉建.一起發(fā)電機失磁保護動作跳閘事件原因分析及防范措施[J].機電信息，2015（18） ：23，25.

[2] 廖歐.水輪發(fā)電機組失磁保護動作分析與處理[J].云南水力發(fā)電，2015，31（1） ：140-144，156.

[3] 鮑成墩，溫建陽.大型發(fā)電機失磁過程及失磁保護動作特性分析[J].科技資訊，2014，12（10） ：88-95.