【原】發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)學(xué)習(xí)

集控零米 2021-08-11

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發(fā)電機(jī)失磁故障是指發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁突然全部消失或部分消失。

引起失磁的原因有：

轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁機(jī)故障、自動(dòng)滅磁開(kāi)關(guān)誤跳閘、半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等。

對(duì)各種失磁故障綜合起來(lái)看，有以下幾種形式：勵(lì)磁繞組直接短路或經(jīng)勵(lì)磁電機(jī)電樞繞組閉路而引起的失磁、勵(lì)磁繞組開(kāi)路引起的失磁、勵(lì)磁繞組經(jīng)滅磁電阻短接而失磁，勵(lì)磁繞組經(jīng)整流器閉路（交流電源消失）失磁。

當(dāng)發(fā)電機(jī)完全失去勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流將逐漸衰減至零。由于發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)Ed隨著勵(lì)磁電流的減小而減小，因此，其電磁轉(zhuǎn)矩也將小于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因而引起轉(zhuǎn)子加速，使發(fā)電機(jī)的功角δ增大。當(dāng)δ超過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定極限角時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機(jī)失磁后將從電力系統(tǒng)中吸取感性無(wú)功功率。在發(fā)電機(jī)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子回路中將感應(yīng)出頻率為ff-fs（ff此處為對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率，fs為系統(tǒng)的頻率）的電流，此電流產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩。當(dāng)異步轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡時(shí)，即進(jìn)入穩(wěn)定的異步運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)失磁影響

（1）需要從電網(wǎng)中吸收很大的無(wú)功功率以建立發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)。所需無(wú)功功率的大小，主要取決于發(fā)電機(jī)的參數(shù)（X1、X2、Xad）以及實(shí)際運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率。汽輪發(fā)電機(jī)與水輪發(fā)電機(jī)相比，前者的同步電抗Xd=X1+Xad較大，所需無(wú)功功率較小。假設(shè)失磁前發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)送出無(wú)功功率Q1，而在失磁后從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率Q2，則系統(tǒng)中將出現(xiàn)的無(wú)功功率缺額(Q1+Q2)。失磁前帶的有功功率越大，失磁后轉(zhuǎn)差就越大，所吸收的無(wú)功功率也就越大，因此，在重負(fù)荷下失磁進(jìn)入異步運(yùn)行后，如不采取措施，發(fā)電機(jī)將因過(guò)電流使定子過(guò)熱。

（2）由于從電力系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率將引起電力系統(tǒng)的電壓下降，如果電力系統(tǒng)的容量較小或無(wú)功功率儲(chǔ)備不足，則可能使失磁發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、升壓變壓器高壓側(cè)的母線電壓、或其它鄰近的電壓低于允許值，從而破壞了負(fù)荷與各電源間的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解。

(3)失磁后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，因此，在轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路中將產(chǎn)生頻率為ff-fs的交流電流，即差頻電流。差頻電流在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生的損耗，如果超出允許值，將使轉(zhuǎn)子過(guò)熱。特別是直接冷卻的大型機(jī)組，其熱容量的裕度相對(duì)降低，轉(zhuǎn)子更易過(guò)熱。而流過(guò)轉(zhuǎn)子表層的差頻電流，還可能使轉(zhuǎn)子本體與槽楔、護(hù)環(huán)的接觸面上發(fā)生嚴(yán)重的局部過(guò)熱。

(4)對(duì)于直接冷卻的大型汽輪發(fā)電機(jī)，其平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值較小，慣性常數(shù)也相對(duì)降低，轉(zhuǎn)子在縱軸和橫軸方面，也呈現(xiàn)較明顯的不對(duì)稱(chēng)，由于這些原因，在重負(fù)荷下失磁后，這種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、有功功率要發(fā)生周期性擺動(dòng)。這種情況下，將有很大的電磁轉(zhuǎn)矩周期性作用在發(fā)電機(jī)軸系上，并通過(guò)定子傳到機(jī)座上，引起機(jī)組振動(dòng)，直接威脅著機(jī)組的安全。

(5)低勵(lì)或失磁運(yùn)行時(shí)，定子端部漏磁增加，將使端部和邊段鐵芯過(guò)熱，實(shí)際上，這一情況通常是限制發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行能力的主要條件。

根據(jù)以上分析，由于汽輪發(fā)電機(jī)異步功率比較大，調(diào)速器也較靈敏，因此當(dāng)超速運(yùn)行后，調(diào)速器立即關(guān)小汽門(mén)，使汽輪機(jī)的輸出功率與發(fā)電機(jī)的異步功率很快達(dá)到平衡，在轉(zhuǎn)差率小于0.5%的情況下即可穩(wěn)定運(yùn)行。故汽輪發(fā)電機(jī)在很小的轉(zhuǎn)差下異步運(yùn)行一段時(shí)間，原則上是完全允許的。此時(shí)，是否需要并允許異步運(yùn)行，則主要取決于電力系統(tǒng)的具體情況。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率供應(yīng)比較緊張，同時(shí)一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁后，系統(tǒng)能夠供給它所需要的無(wú)功功率，并能保證電網(wǎng)的電壓水平時(shí)，則失磁后就應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行；反之，如系統(tǒng)中有功功率有足夠的儲(chǔ)備，或者系統(tǒng)沒(méi)有能力供給它所需要的無(wú)功功率，則失磁以后就不應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行。

水輪發(fā)電機(jī)失磁影響

對(duì)水輪發(fā)電機(jī)而言，考慮到：

①其異步功率較小，必須在較大的轉(zhuǎn)差下（一般達(dá)到1%～2%）運(yùn)行，才能發(fā)出較大的功率；

②由于水輪機(jī)的調(diào)速器不夠靈敏，時(shí)滯較大，甚至可能在功率尚未達(dá)到平衡以前就大大超速，從而使發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列；

③其同步電抗較小，如果異步運(yùn)行，則需要從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率；

④其縱軸和橫軸很不對(duì)稱(chēng)，異步運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振動(dòng)較大等因素的影響，因此水輪發(fā)電機(jī)一般不允許在失磁以后繼續(xù)運(yùn)行。

因此在發(fā)電機(jī)上，尤其是在大型發(fā)電機(jī)上應(yīng)裝設(shè)失磁保護(hù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)失磁故障，并采取必要的措施，如發(fā)出信號(hào)、自動(dòng)減負(fù)荷、或動(dòng)作于跳閘等，以保證發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的安全。

發(fā)電機(jī)失磁后的機(jī)端測(cè)量阻抗

在正常運(yùn)行時(shí)，δ<90o；一般當(dāng)不考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的影響時(shí)，δ=90o為穩(wěn)定運(yùn)行的極限；δ>90o后發(fā)電機(jī)失步。

(1)失磁后到失步前

在失磁后到失步前的階段中，轉(zhuǎn)子電流逐漸減小，發(fā)電機(jī)的電磁功率P開(kāi)始減小，由于原動(dòng)機(jī)所供給的機(jī)械功率還來(lái)不及減小，于是轉(zhuǎn)子逐漸加速，使Ed與Us之間的功角δ隨之增大，P又要回升。在這一階段中，sin(δ)的增大與Ed的減小相互補(bǔ)償，基本上保持了電磁功率P不變。l與此同時(shí)，無(wú)功功率Q將隨著Ed的減小和δ的增大而迅速減小，按上式計(jì)算的值將由正變?yōu)樨?fù)，即發(fā)電機(jī)變?yōu)槲崭行缘臒o(wú)功功率。

上式中的Us、Xs和P為常數(shù)，而Q和為變數(shù)，因此它是一個(gè)圓的方程式，表示在復(fù)數(shù)抗平面上。

由于這個(gè)圓是在某一定有功功率Ｐ不變的條件下做出的，因此稱(chēng)為等有功阻抗圓。機(jī)端測(cè)量阻抗的軌跡與Ｐ有密切關(guān)系，對(duì)應(yīng)不同Ｐ的值有不同的阻抗圓，且Ｐ越大時(shí)圓的直徑越小。

發(fā)電機(jī)失磁以前，向系統(tǒng)送出無(wú)功功率，功率因數(shù)角為正，測(cè)量阻抗位于第一象限，失磁以后隨著無(wú)功功率的變化，功率因數(shù)角由正值變?yōu)樨?fù)值，因此測(cè)量阻抗也沿著圓周隨之由第一象限過(guò)渡到第四象限。

臨界失步點(diǎn)

對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組，當(dāng)δ=90o時(shí)，發(fā)電機(jī)處于失去靜態(tài)穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，故稱(chēng)為臨界失步點(diǎn)。此時(shí)輸送到受端的無(wú)功功率為：

式中為Q負(fù)值，表明臨界失步時(shí)，發(fā)電機(jī)自系統(tǒng)吸收無(wú)功功率，且為一常數(shù)，故臨界失步點(diǎn)也稱(chēng)為等無(wú)功點(diǎn)。此時(shí)機(jī)端的測(cè)量阻抗為

發(fā)電機(jī)在輸出不同的有功功率而臨界失穩(wěn)時(shí)，其無(wú)功功率恒為常數(shù)。因此，功率因數(shù)角為變數(shù)，也是一個(gè)圓的方程，其圓心的坐標(biāo)為（0，-（Xd-Xs）/2），圓的半徑為（Xd+Xs）/2）。這個(gè)圓稱(chēng)為靜穩(wěn)阻抗圓，也稱(chēng)等無(wú)功阻抗圓。其圓周為發(fā)電機(jī)以不同的有功功率P臨界失穩(wěn)時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗的軌跡，圓內(nèi)為靜穩(wěn)破壞區(qū)。

靜穩(wěn)破壞后的異步運(yùn)行階段

當(dāng)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行失磁時(shí)，s≈0，R2/s≈∞，此時(shí)機(jī)端的測(cè)量阻抗為最大

當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁前在過(guò)激狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其機(jī)端測(cè)量阻抗位于復(fù)數(shù)平面的第一象限（如圖中的a或a′點(diǎn)），失磁以后，測(cè)量阻抗沿等有功阻抗圓向第四象限移動(dòng)。當(dāng)它與靜穩(wěn)圓（等無(wú)功圓）相交時(shí)（b或b′點(diǎn)），表示機(jī)組運(yùn)行處于靜穩(wěn)定的極限。越過(guò)b（或b′）點(diǎn)以后，轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，最后穩(wěn)定運(yùn)行于c（或c′）點(diǎn)，此時(shí)平均異步功率與調(diào)節(jié)后的原動(dòng)機(jī)輸入功率相平衡。機(jī)端的測(cè)量阻抗為最大

測(cè)量阻抗

當(dāng)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行失磁時(shí)，s≈0，R2/s≈∞，此時(shí)機(jī)端的測(cè)量阻抗為最大

當(dāng)發(fā)電機(jī)在其他運(yùn)行方式下失磁時(shí)，將隨著轉(zhuǎn)差率的增大而減小，并位于第四象限內(nèi)。極限情況是當(dāng)S→∞,R2/s趨近于零，Zg的數(shù)值為最小。

1）發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗

當(dāng)發(fā)電機(jī)向外輸送有功和無(wú)功功率時(shí)，其機(jī)端測(cè)量阻抗位于第一象限，它與軸的夾角為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)角。當(dāng)發(fā)電機(jī)只輸出有功功率時(shí)，測(cè)量阻抗位于R軸上的2點(diǎn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)欠激運(yùn)行時(shí)，向外輸送有功功率，同時(shí)從電網(wǎng)吸收一部分無(wú)功功率（Q值變?yōu)樨?fù)），但仍保持同步并列運(yùn)行，此時(shí)，測(cè)量阻抗位于第四象限的3點(diǎn)。

2）發(fā)電機(jī)外部故障時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗

l當(dāng)采用0o接線方式時(shí)，故障相測(cè)量阻抗位于第一象限，其大小和相位正比于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的阻抗Zd，如繼電器接于非故障相，則測(cè)量阻抗的大小和相位需經(jīng)具體分析后確定。

（3）發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗

l根據(jù)等值電路和振蕩對(duì)保護(hù)影響的有關(guān)分析，振蕩中心即位于處，此時(shí)機(jī)端測(cè)量阻抗的軌跡沿直線變化，當(dāng)=180°時(shí)，測(cè)量阻抗的最小.

系統(tǒng)振蕩時(shí)機(jī)端測(cè)量阻抗的變化軌跡

失磁保護(hù)轉(zhuǎn)子判據(jù)及其實(shí)現(xiàn)

發(fā)電機(jī)失磁后，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電壓的變化隨失磁方式而不同。先分析失磁初期的情況。勵(lì)磁繞組直接短路而失磁時(shí)立即降到0；而勵(lì)磁繞組經(jīng)滅磁電阻短接而失磁時(shí)，立即變?yōu)樨?fù)值，然后隨一同衰減；勵(lì)磁繞組經(jīng)整流器閉路而失磁時(shí)，立即降到很小的負(fù)值；滅磁開(kāi)關(guān)誤跳閘使勵(lì)磁回路開(kāi)路而失磁時(shí)，則降到很大的負(fù)值再衰減。在發(fā)電機(jī)因失磁而失步之后，除勵(lì)磁繞組直接短接者外，各種失磁方式下，都要隨滑差周期性地波動(dòng)。失磁保護(hù)的轉(zhuǎn)子判據(jù)，便是根據(jù)失磁后初期下降（以至到負(fù)）的特點(diǎn)來(lái)判別失磁故障。轉(zhuǎn)子判據(jù)有兩種整定方式。

整定值固定的轉(zhuǎn)子判據(jù)

整定值固定的轉(zhuǎn)子判據(jù)，由轉(zhuǎn)子欠電壓繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可整定為Ufset=0.8Uf0

式中，：Uf0發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電壓。

整定值固定的方式，在發(fā)電機(jī)輸出有功較大情況下發(fā)生部分失磁時(shí)，測(cè)量阻抗可能已越過(guò)靜穩(wěn)邊界，但仍大于動(dòng)作值，以致轉(zhuǎn)子判據(jù)電路仍未動(dòng)作。因此，目前趨向于采用按當(dāng)前有功負(fù)荷下靜穩(wěn)邊界所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電壓整定。

整定值隨有功功率而改變的轉(zhuǎn)子判據(jù)

發(fā)電機(jī)在某一有功負(fù)荷P時(shí)失磁，其達(dá)到靜穩(wěn)邊界所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電壓Uf也是某一定值。轉(zhuǎn)子欠電壓繼電器即按此值整定，當(dāng)P改變時(shí)，整定值跟隨改變。