電廠發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)對(duì)策研究

馬文英

（國(guó)家能源河北龍山發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056400）

失磁保護(hù)是電廠發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的常見故障類型。尤其大規(guī)?；鹆Πl(fā)電廠發(fā)電機(jī)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)比較復(fù)雜，發(fā)生低勵(lì)或失磁的可能性更高。而隨著火力發(fā)電機(jī)組容量的不斷增加，其勵(lì)磁系統(tǒng)功能同樣在持續(xù)完善，加之集成智能控制技術(shù)的使用，使得火力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化水平顯著提升。高度自動(dòng)化的勵(lì)磁系統(tǒng)顯著提升了火力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化控制水平，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜客觀上加大了火力發(fā)電機(jī)組低勵(lì)或失磁故障的發(fā)生概率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因失磁造成的發(fā)電機(jī)故障占據(jù)全部故障的60%以上。針對(duì)600MW 發(fā)電機(jī)組應(yīng)該設(shè)置專門的失磁保護(hù)。發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的相關(guān)判據(jù)、閉鎖方式、出口方式較多，相應(yīng)的失磁保護(hù)配置方案種類最多，最為復(fù)雜。繁雜的失磁保護(hù)配置方案影響到發(fā)電機(jī)機(jī)組的運(yùn)行安全，帶來(lái)較大的安全隱患?；诖?，文中探討了更加規(guī)范的失磁保護(hù)配置方案，以供同行參考。

1 失磁保護(hù)的主要判據(jù)

現(xiàn)階段最常用的失磁保護(hù)主判據(jù)包括轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)Ufd，機(jī)端低阻抗判據(jù)Z＜、系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜三種。轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)Ufd反映了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電氣量；機(jī)端低阻抗判據(jù)Z＜反映了發(fā)電機(jī)定子側(cè)的電氣量；系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜反映的是發(fā)電機(jī)系統(tǒng)測(cè)的電氣量。

1.1 轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)Ufd

早期集成電路型、整流型保護(hù)選用定勵(lì)磁電壓判據(jù)，其表達(dá)式為：Ufd＜K°Ufd0

而當(dāng)前的微機(jī)保護(hù)通常選用變勵(lì)磁電壓判據(jù)Ufd(P)，當(dāng)發(fā)電機(jī)在有功P 的運(yùn)行狀態(tài)下，依照靜穩(wěn)極限需要的勵(lì)磁電壓最小值判斷是否失磁。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，勵(lì)磁電壓值不會(huì)小于空載狀態(tài)下的勵(lì)磁電壓值。變勵(lì)磁電壓判據(jù)Ufd(P)的靈敏度很高，可以及時(shí)準(zhǔn)確地反映低勵(lì)情況，然而相關(guān)整定計(jì)算復(fù)雜度較高，Ufd反映的是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電氣量，通常為直流量，功率P 反映的是發(fā)電機(jī)定子側(cè)的電氣量，通常為交流量，二者用同一個(gè)判據(jù)做比較。假如整定計(jì)算不合理就可能引發(fā)誤動(dòng)作。如Ufd(P)判據(jù)整定值過(guò)大會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作，整定值K 偏大的原因主要是在進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)采用的空載勵(lì)磁電壓Ufd0、同步電抗Xd均為設(shè)計(jì)值，但是設(shè)計(jì)值往往與實(shí)際測(cè)量值的差別較大。如某電廠1 號(hào)機(jī)的空載勵(lì)磁電壓Ufd0、同步電抗Xd設(shè)計(jì)值分別為160V、1.997，但是實(shí)際測(cè)量得到的空載勵(lì)磁電壓Ufd0、同步電抗Xd分別為140V、1.68。設(shè)計(jì)值與實(shí)際值之間的誤差將導(dǎo)致無(wú)功功率較小或進(jìn)相運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)在Ufd(P)判據(jù)落入動(dòng)作區(qū)而發(fā)生誤動(dòng)作。這類問題在我國(guó)火力發(fā)電廠時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致技術(shù)人員對(duì)該判據(jù)的應(yīng)用非常謹(jǐn)慎。但可以明確的是，Ufd(P)判據(jù)具有很高的靈敏度，且動(dòng)作非常迅速。只要合理控制和使用其整定計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中考慮空載勵(lì)磁電壓Ufd0、同步電抗Xd等關(guān)鍵參數(shù)的影響，在發(fā)電機(jī)試運(yùn)行階段進(jìn)行調(diào)整就可以有效避免誤動(dòng)作，并及時(shí)準(zhǔn)確地判別失磁保護(hù)，有效避免失磁故障的擴(kuò)大，尤其適合用于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性不足的情況。

1.2 低阻抗判據(jù)Z＜

低阻抗判據(jù)Z＜反映的是發(fā)電機(jī)機(jī)端的感受阻抗，如果感受阻抗在阻抗圓范圍內(nèi)，作出保護(hù)動(dòng)作。失磁保護(hù)阻抗圓通常包括異步圓、靜穩(wěn)邊界圓以及介于它們之間的蘋果圓。發(fā)電機(jī)一旦出現(xiàn)低勵(lì)、失磁故障，往往首先經(jīng)過(guò)靜穩(wěn)邊界，再進(jìn)入異步邊界。因此，前者比后者更加靈敏。而靜穩(wěn)邊界圓包含第一、二象限動(dòng)作區(qū)，如果在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)進(jìn)相比較深就有一定幾率發(fā)生誤動(dòng)。靜穩(wěn)邊界圓和縱軸存在A、B兩各焦點(diǎn)，其中點(diǎn)A 為系統(tǒng)阻抗Xs,點(diǎn)B 為同步阻抗Xd。在進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)系統(tǒng)阻抗Xs會(huì)隨機(jī)采用最大運(yùn)行方式、最小運(yùn)行方式下對(duì)應(yīng)的阻抗值，同步阻抗Xd的取值可能為確?？梢赃M(jìn)行可靠動(dòng)作而乘以系數(shù)K。如果發(fā)電機(jī)組不以進(jìn)相運(yùn)行作為正常運(yùn)行狀態(tài)，那么使用上述整定計(jì)算方法保護(hù)均不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。反之，則需要考慮進(jìn)相運(yùn)行的影響，以有效避免誤動(dòng)作。

1.3 系統(tǒng)低電壓判據(jù)

系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜反映了電廠高壓側(cè)母線三相同時(shí)低電壓，主要作用是防止失磁故障導(dǎo)致無(wú)功儲(chǔ)備短缺，進(jìn)而造成系統(tǒng)電壓崩潰。系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜在電廠高壓側(cè)母線容量相對(duì)較小，與電廠聯(lián)系較弱或系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備不足的情況下可以可靠動(dòng)作。而這類情況通常發(fā)生于坑口火電廠建設(shè)初期。高壓側(cè)母線的三相電壓下降太多會(huì)嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，必須做到迅速跳閘。當(dāng)火電成建設(shè)完畢后通常會(huì)以發(fā)電機(jī)組的方式運(yùn)行，在此情況下其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁一般不會(huì)使高壓側(cè)母線電壓Um降低到整定值以下，系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜通常不會(huì)動(dòng)作?；诖耍谠O(shè)計(jì)失磁保護(hù)邏輯回路時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)為在滿足其他判據(jù)的情況下，如果不滿足系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜，則需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后跳閘；如果也滿足系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜，則迅速跳閘。

2 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)配置方案研究

2.1 失磁保護(hù)邏輯回路

本次研究的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)配置方案選用上文所述的三種失磁保護(hù)主判據(jù)，并采用PT 斷線閉鎖作為輔助判據(jù)，構(gòu)建更加完善的低勵(lì)失磁保護(hù)方案。失磁保護(hù)邏輯回路圖如圖1 所示。

圖1

2.2 失磁保護(hù)配置方案的特點(diǎn)

變勵(lì)磁電壓判據(jù)Ufd(P)反映的是勵(lì)磁電壓，直觀地反映全部的低勵(lì)、失磁故障；該判據(jù)靈敏度最高，動(dòng)作也最迅速，是本文所述的幾個(gè)判據(jù)中唯一能夠精準(zhǔn)可靠地反映發(fā)電機(jī)低勵(lì)故障的判據(jù)。因此，本文研究的失磁保護(hù)配置方案采用變勵(lì)磁電壓判據(jù)Ufd(P)，通過(guò)發(fā)信、減出力或切換勵(lì)磁的方式使勵(lì)磁恢復(fù)正常，它同時(shí)也是跳閘的必要條件。發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的三個(gè)主判據(jù)的靈敏度排列順序按照降序排列為轉(zhuǎn)子低電壓Ufd(P)、阻抗圓Z＜、系統(tǒng)低電壓Um＜?？紤]到系統(tǒng)低電壓Um＜在很多工況下無(wú)法可靠地作出動(dòng)作，因此不應(yīng)該將其作為跳閘出口必要條件，只將其作為加速跳閘因素。本文研究的失磁保護(hù)配置方案將轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)“與”阻抗圓Z＜判據(jù)，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)t3 出口跳閘；如果同時(shí)滿足系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜，則反映出無(wú)功儲(chǔ)備不足，在此情況下，不經(jīng)過(guò)延時(shí)t3，而經(jīng)過(guò)較短延時(shí)t2 出口跳閘。該方案比較復(fù)雜主要用于大型機(jī)組以及系統(tǒng)中的關(guān)鍵機(jī)組。在實(shí)踐中，應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化失磁保護(hù)配置方案，如對(duì)于和系統(tǒng)聯(lián)系密切的電廠可以去掉系統(tǒng)低電壓Um＜判據(jù)，對(duì)于系統(tǒng)影響不大的機(jī)組可以只采用阻抗圓Z＜判據(jù)。

2.3 與其他失磁保護(hù)配置方案的對(duì)比分析

現(xiàn)階段的失磁保護(hù)配置方案較多，不少于20 種，但這些方案的主判據(jù)基本上都采用上文所述的幾種判據(jù)，它們的區(qū)別主要在于失磁保護(hù)邏輯組合與閉鎖方式。除了本文研究的失磁保護(hù)配置方案之外，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于大型火電發(fā)電機(jī)組的失磁保護(hù)配置方案還有靜穩(wěn)邊界圓發(fā)信、異步圓跳閘、低勵(lì)失磁保護(hù)等。低勵(lì)失磁保護(hù)方案主要考慮到轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)靈敏度太高，容易產(chǎn)生誤動(dòng)。靜穩(wěn)圓與異步圓的方案原理基本一致，反映的都是機(jī)端感受阻抗，只不過(guò)靜穩(wěn)邊界圓相對(duì)異步圓的靈敏度更高，其動(dòng)作速度也更快。假如采用靜穩(wěn)邊界圓發(fā)信再到減出力或采取措施就很難讓勵(lì)磁恢復(fù)正常，停機(jī)事故難以避免。此外，靜穩(wěn)圓、異步圓均采用定子側(cè)判據(jù)，可靠性不足。而轉(zhuǎn)子側(cè)判據(jù)是最直接的，任何低勵(lì)失磁故障均先來(lái)自轉(zhuǎn)子側(cè)再影響定子側(cè)最后波及系統(tǒng)側(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，失磁保護(hù)的相關(guān)整定計(jì)算要求高，整定計(jì)算不當(dāng)就可能引發(fā)誤動(dòng)作，特別是轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，失磁保護(hù)構(gòu)成及出口不規(guī)范將影響發(fā)電機(jī)機(jī)組安全運(yùn)行。因此，本方案適用于大型機(jī)組、系統(tǒng)中的核心機(jī)組，而且在實(shí)踐中并不是所有判據(jù)都必須采用。