發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)

發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)發(fā)電機(jī)的磁后的物理變化過(guò)程發(fā)電機(jī)的失磁故障是指發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁部分或全部消失。引起失磁主要的原因是，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)生故障及誤操作等。發(fā)電機(jī)的功角特性曲線如圖8-29所示。正常運(yùn)行時(shí)，功角特性曲線1的a點(diǎn)電功率P與原動(dòng)機(jī)的功率Pm相等。此時(shí)，發(fā)電機(jī)縱軸同步電勢(shì)，即轉(zhuǎn)子磁勢(shì)在定子繞組感應(yīng)的電勢(shì)為Ed，無(wú)限大系統(tǒng)母線電壓為Us，發(fā)電機(jī)縱軸同步電抗為Xd，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間聯(lián)系電抗為XS，與的相角差，即功角為δ。發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子磁通不能突變，近似以指數(shù)規(guī)律衰減，同步功率P隨轉(zhuǎn)子磁通的減小而逐漸減小，由于原動(dòng)機(jī)功率Pm的慣性作用還來(lái)不及減小，故轉(zhuǎn)子逐漸加速，發(fā)電機(jī)頻率增大，功角δ隨之增大。δ<90o以前，δ角增大將導(dǎo)致sinδ增大，自動(dòng)補(bǔ)償Ed的下降，保持P與Pm平衡。當(dāng)功角特性下降到曲線2時(shí)，增加到靜穩(wěn)定極限角δ=90o，則發(fā)電機(jī)臨界失步。δ>90o，由于Ed的持續(xù)下降，功角特性繼續(xù)下移，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速劇增，發(fā)電機(jī)頻率將大于系統(tǒng)頻率，轉(zhuǎn)差率開(kāi)始升高，進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，在轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路將產(chǎn)生頻率為的交流電流，形成附加損耗，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁回路過(guò)熱，此電流同時(shí)產(chǎn)生具有制動(dòng)作用的異步有功功率并向系統(tǒng)輸出，當(dāng)與原動(dòng)機(jī)的功率Pm達(dá)到新的平衡時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定異步運(yùn)行狀態(tài)。功角特性曲線3為未完全失磁情況下尚存的同步功率Pe，與異步有功功率Pas疊加后形成交變的合成功率向系統(tǒng)輸出。交變的合成功率將對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生周期性沖擊，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。發(fā)電機(jī)失磁，當(dāng)時(shí)，將從系統(tǒng)中吸取感性無(wú)功電流作為勵(lì)磁電流。若失磁前發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功為失磁后，從系統(tǒng)吸收的無(wú)功為Q1，則系統(tǒng)將出現(xiàn)無(wú)功缺額Q+Q1。如果系統(tǒng)容量較小或無(wú)功功率儲(chǔ)備不足，將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解。失磁發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功功率，其定子繞組可能過(guò)電流，因此，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率應(yīng)較同步時(shí)有不同程度的降低。汽輪發(fā)電機(jī)允許失磁運(yùn)行的條件是：系統(tǒng)有足夠供給發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行的無(wú)功功率，以不致造成系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降為限。降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出，使之能在很小的轉(zhuǎn)差率下。在允許的一段時(shí)間內(nèi)異步運(yùn)行，即發(fā)電機(jī)應(yīng)在較少的有功功率下失磁運(yùn)行，使之不致造成危害發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的發(fā)熱與振動(dòng)。發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)在3min內(nèi)將負(fù)荷減至40%，允許繼續(xù)運(yùn)行10min。監(jiān)視發(fā)電機(jī)定子電流不應(yīng)超過(guò)額定值的110%，監(jiān)視發(fā)電機(jī)定子端部溫度不應(yīng)超過(guò)允許值。設(shè)法迅速恢復(fù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，如勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不能正常工作，應(yīng)轉(zhuǎn)至感應(yīng)調(diào)壓器電源提供勵(lì)磁，如仍不行，則應(yīng)啟用備用勵(lì)磁電源。異步運(yùn)行中監(jiān)視發(fā)電機(jī)端電壓不應(yīng)低于額定電壓的90%。由于水輪發(fā)電機(jī)異步特性差，只有滑差s相當(dāng)大時(shí)才能達(dá)到穩(wěn)定異步運(yùn)行，在較大滑差s下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子有過(guò)熱的危險(xiǎn)；此外，水輪發(fā)電機(jī)的同步電抗Xd較小，失磁后失步運(yùn)行的定子電流將很大。因此一般不允許水輪發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行。為此，發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)失磁保護(hù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)失磁故障，并采取相應(yīng)措施。如果系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)不允許失磁運(yùn)行，則失磁保護(hù)應(yīng)瞬時(shí)或延時(shí)動(dòng)作于跳閘。如果發(fā)電機(jī)允許失磁運(yùn)行，則失磁保護(hù)只發(fā)信號(hào)或自動(dòng)減負(fù)荷，而以較長(zhǎng)的時(shí)間切除失磁發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)失磁后的機(jī)端測(cè)量阻抗如圖8-30所示，汽輪發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為，端相電壓為，同步電抗為Xd，經(jīng)聯(lián)系電抗Xs與相電壓為的無(wú)窮大系統(tǒng)并列運(yùn)行。發(fā)電機(jī)從失磁到異步運(yùn)行經(jīng)過(guò)三種狀態(tài)。發(fā)電機(jī)失磁到失步前機(jī)端測(cè)量阻抗為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率必須小于靜穩(wěn)極限值（即有功功率的最大值）。因此，發(fā)電機(jī)失磁起始，Ed下降，但功角δ增加，保持P=Pm，轉(zhuǎn)子加速很小，發(fā)電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生異步功率。發(fā)電機(jī)失磁到失步，功角δ<90o，送出的有功功率保持基本不變，而無(wú)功功率則由送出改變?yōu)閺南到y(tǒng)吸收。此過(guò)程經(jīng)常延續(xù)幾秒~幾十秒，在此期間，機(jī)端測(cè)量阻抗為式中，，Us、Xs、P為常量，Q和φ為變量，因此，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg是圓心為，半徑為的圓，復(fù)平面阻抗圓如圖8-31所示。由于此圓是在某一定有功功率P不變的情況下作出的，因此稱為等有功圓。圓半徑與有功功率P成反比，失磁前發(fā)電機(jī)輸送的有功功率P越大，失磁后等有功圓的半徑越小。發(fā)電機(jī)失磁前，向系統(tǒng)輸出無(wú)功功率，φ角為正，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg位于第一象限。失磁后，隨著無(wú)功功率的變化，φ角由正變負(fù)，Zg將沿著圓周從第一象限過(guò)渡到第四象限。發(fā)電機(jī)臨界失步點(diǎn)發(fā)電機(jī)處于失去靜穩(wěn)定臨界狀態(tài)，功角δ=90o，此點(diǎn)稱為臨界失步點(diǎn)。此時(shí)發(fā)電機(jī)輸送的無(wú)功功率為可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)在臨界失步時(shí)，從系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率為一常數(shù)，因此，臨界失步點(diǎn)也稱為等無(wú)功點(diǎn)。此時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗為其中，則可見(jiàn)，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg是以為圓心，以為半徑的圓，復(fù)平面阻抗圓如圖8-32所示。該圓稱為臨界失步圓，也稱為等無(wú)功圓。其圓周為發(fā)電機(jī)以不同的有功功率P臨界失步時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg變化的軌跡，圓內(nèi)為失步區(qū)。發(fā)電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行狀態(tài)的等值電路如圖8-33所示。X1為定子繞組漏抗；X2為轉(zhuǎn)子繞組漏抗；R2為轉(zhuǎn)子繞組電阻；為反應(yīng)發(fā)電機(jī)功率大小的等效電阻；Xad為定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的互感?？梢?jiàn)，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)。發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行狀態(tài)下，，，則機(jī)端測(cè)量阻抗最大Zg，發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行狀態(tài)下，若，，則機(jī)端測(cè)量阻抗Zg最小，失磁前發(fā)電機(jī)帶有較小的有功功率P時(shí)，失磁后轉(zhuǎn)差率s較低，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg接近同步電抗；反之，失磁前發(fā)電機(jī)帶有較大有功功率P時(shí)，失磁后轉(zhuǎn)差率s較高，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg近似等于發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗。因此，發(fā)電機(jī)不論帶有多大有功功率P，失磁后進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg最終一定落在包括和兩點(diǎn)在內(nèi)的臨界失步圓內(nèi)。如圖8-34所示，當(dāng)帶有有功功率P1的發(fā)電機(jī)失磁前，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg位于復(fù)平面第一象限等有功圓1的a點(diǎn)，失磁后，沿等有功圓1向第四象限移動(dòng)。當(dāng)Zg與臨界失步圓4相交于b點(diǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行于靜穩(wěn)定的極限。之后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，最終發(fā)電機(jī)的平均異步功率與調(diào)節(jié)后的原動(dòng)機(jī)功率達(dá)到平衡時(shí)，機(jī)組進(jìn)入異步穩(wěn)定運(yùn)行，Zg落于臨界失步圓4內(nèi)c點(diǎn)。c點(diǎn)處于和兩點(diǎn)之間。同理，當(dāng)失磁前發(fā)電機(jī)帶有有功功率P2時(shí)，失磁到穩(wěn)定異步運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)端測(cè)量阻抗將沿a'→b'→c'點(diǎn)變化。發(fā)電機(jī)其它運(yùn)行時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗為了正確判斷發(fā)電機(jī)是否處于失磁狀態(tài)，還應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)其它運(yùn)行方式下機(jī)端的測(cè)量阻抗進(jìn)行分析。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗如圖8-35所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出有功和無(wú)功功率時(shí)，其機(jī)端測(cè)量阻抗Zg位于第一象限的1點(diǎn)，與R軸的夾角為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)角φ。當(dāng)發(fā)電機(jī)只輸出有功功率時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg位于R軸上的2點(diǎn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)同步并列欠激運(yùn)行時(shí)，向系統(tǒng)輸出有功，同時(shí)從系統(tǒng)吸收部分無(wú)功功率，此時(shí)測(cè)量阻抗Zg位于第四象限的3點(diǎn)。發(fā)電機(jī)外部故障時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗當(dāng)阻抗繼電器采用0°接線方式，機(jī)端故障相測(cè)量阻抗Zg位于第一象限的5點(diǎn)，其大小正比于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的阻抗ZK，其相位為短路阻抗角φK。發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗當(dāng)認(rèn)為Ed≈Us時(shí)，振蕩中心位于系統(tǒng)電氣中心處。如圖8-36所示，當(dāng)Xs≈0時(shí)，振蕩中心位于處，此時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗Zg隨振蕩角δ的變化而沿直線變化，當(dāng)振蕩角δ=180°時(shí)，測(cè)量阻抗的最小值為發(fā)電機(jī)自同步并列時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗自同步并列時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近于額定值，不加勵(lì)磁投入斷路器的瞬間，與發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行失磁時(shí)的情況相同。由于自同步并列是在斷路器投入后，立即給發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)無(wú)勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)間極短。為此，應(yīng)采取措施防止發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)誤動(dòng)作。發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的構(gòu)成方式失磁保護(hù)應(yīng)能正確反應(yīng)發(fā)電機(jī)的失磁故障，而在發(fā)電機(jī)其它運(yùn)行方式下，不誤動(dòng)作。發(fā)電機(jī)失磁后各參數(shù)的變化⑴機(jī)端測(cè)量阻抗Zg由感性變?yōu)槿菪?，在?fù)數(shù)平面上，Zg的軌跡由第一象限進(jìn)入第四象限；⑵無(wú)功功率改變方向，由輸出無(wú)功功率變?yōu)槲諢o(wú)功功率。無(wú)功功率隨功角δ變化；⑶功角δ隨時(shí)間增大，當(dāng)超過(guò)靜穩(wěn)定極限角90°后，發(fā)電機(jī)進(jìn)入失步狀態(tài)；⑷發(fā)電機(jī)電壓下降；⑸勵(lì)磁回路電壓降低等。發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)目前，100MW及以上的機(jī)組和采用半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)的機(jī)組，普遍利用失磁后發(fā)電機(jī)參數(shù)變化的特點(diǎn)來(lái)構(gòu)成失磁保護(hù)。圖8-37所示為發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)原理方框圖。圖中，阻抗元件Z應(yīng)能反應(yīng)發(fā)電機(jī)的全部失磁情況，在發(fā)電機(jī)其它運(yùn)行方式下不誤動(dòng)作，是發(fā)電機(jī)失磁故障的主要判別元件之一，通常采用靈敏角為-90°按臨界失步圓整定的拋球特性阻抗繼電器；母線低電壓元件（Ug<）用來(lái)監(jiān)察母線電壓，按保證系統(tǒng)安全運(yùn)行所允許的最低電壓整定，通常取0.8UgN。母線低電壓元件采用低電壓繼電器，是發(fā)電機(jī)失磁故障的另一主要判別元件；測(cè)量轉(zhuǎn)子電壓的勵(lì)磁低電壓元件(Ufd<)用作閉鎖元件，防止保護(hù)裝置在其它異常運(yùn)行方式下發(fā)生誤動(dòng)作。勵(lì)磁低電壓元件采用低電壓繼電器，按躲開(kāi)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的最低電壓整定。一般取發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電壓的80%。對(duì)于大型機(jī)組，由于Xd比較大，額定重負(fù)荷下靜穩(wěn)邊界所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電壓明顯大于空載運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電壓，如果發(fā)生失磁故障，閉鎖繼電器很可能拒動(dòng)，為此，可取額定有功功率下，對(duì)應(yīng)靜穩(wěn)極限特性所具有的轉(zhuǎn)子電壓的80%~90%作為整定值。若采用復(fù)合電壓（低電壓和負(fù)序電壓）的閉鎖方式，就可以大大提高保護(hù)的可靠性。如圖8-38所示，靈敏角為-90°的拋球阻抗繼電器的動(dòng)作特性是圓心在X軸上的圓，圓周與X軸相交于—XA、—XB兩點(diǎn)，動(dòng)作方程為失磁前，發(fā)電機(jī)所帶的有功功率P不同，失磁后，阻抗元件Z的測(cè)量阻抗Zg軌跡就有不同的位置。失磁前P越大，失磁后Zg軌跡越靠近X軸。失磁前P越大，失磁后s越高，Zg軌跡越趨近于—X'd；失磁前P越小，失磁后s越小，Zg軌跡越趨近于—Xd。拋球阻抗繼電器按臨界失步圓整定，并躲開(kāi)系統(tǒng)振蕩的影響。①—XA的整定。應(yīng)保證發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時(shí)，繼電器不動(dòng)作。若系統(tǒng)為無(wú)窮大，Xs≈0，當(dāng)振蕩角δ=180°時(shí)，測(cè)量阻抗。則XA整定為②—XB的整定。應(yīng)保證發(fā)電機(jī)失磁時(shí)，保護(hù)可靠動(dòng)作。測(cè)量阻抗Zg與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，s高，則Zg接近-X'd；s低，則Zg接近—Xd。為了可靠起見(jiàn)，—XB應(yīng)按滿足整定，即式中Krel—可靠系數(shù)，取1.2。Xd—發(fā)電機(jī)同步電抗（標(biāo)幺值）。因此，對(duì)于滿足以上兩個(gè)條件的阻抗繼電器，—XA（Ω）、—XB（Ω）可整定為式中UgN—發(fā)電機(jī)額定線電壓（kV）；IgN—發(fā)電機(jī)額定電流（kA）。當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁時(shí)，阻抗元件和勵(lì)磁低電壓元件動(dòng)作，通過(guò)與門2立即發(fā)出發(fā)電機(jī)已失步信號(hào)，并在t2延時(shí)后，經(jīng)或門動(dòng)作于跳閘。t2通常取1~1.5s，以躲開(kāi)系統(tǒng)振蕩或自同步并列時(shí)的