水輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)配置及誤動(dòng)作分析

趙靜樸，肖 勇

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，可能突然全部或部分地失去勵(lì)磁。引起失磁的原因多是由于勵(lì)磁回路開路(如滅磁開關(guān)誤跳閘、整流裝置的誤跳開等)、短路、勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電源消失或轉(zhuǎn)子繞組故障等。發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障后，將過渡到異步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，定子電流增大，定子電壓下降，有功功率下降波動(dòng)，無功功率反向并且增大；在轉(zhuǎn)子回路中出現(xiàn)差頻電流；電力系統(tǒng)的電壓下降等。由此可見發(fā)電機(jī)失磁故障嚴(yán)重影響大型機(jī)組的安全運(yùn)行。

不同于汽輪發(fā)電機(jī)，水輪發(fā)電機(jī)的異步功率較小，必須在較大的轉(zhuǎn)差下運(yùn)行，才能發(fā)出較大的功率。其調(diào)速器的靈敏度不夠，時(shí)滯較大，甚至可能在功率尚未達(dá)到平衡時(shí)就大大超速，從而與系統(tǒng)解列。水輪發(fā)電機(jī)的同步阻抗較小，如果異步運(yùn)行，需要從電網(wǎng)中吸收大量的無功，在系統(tǒng)無功功率儲(chǔ)備不足的情況下可能影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定甚至系統(tǒng)安全的穩(wěn)定性。由于水輪發(fā)電機(jī)的縱軸和橫軸不對(duì)稱，失磁情況下機(jī)組的振動(dòng)較大。對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)失磁后保護(hù)的動(dòng)作后果應(yīng)為直接跳閘，所以失磁保護(hù)對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)顯得尤為重要。

1 失磁保護(hù)的主判據(jù)

根據(jù)發(fā)電機(jī)失磁后各電氣量變化，目前失磁保護(hù)使用最多的主判據(jù)主要有三種：

(1)轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，即測(cè)量勵(lì)磁電壓Ufd是否小于動(dòng)作值；

(2)發(fā)電機(jī)機(jī)端低阻抗判據(jù)（水輪發(fā)電機(jī)一般采用蘋果圓或靜穩(wěn)阻抗圓）；

(3)系統(tǒng)低電壓Us判據(jù)

三種判據(jù)分別反映轉(zhuǎn)子側(cè)、定子側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的電氣量。

1.1 轉(zhuǎn)子低壓判據(jù)Ufd

目前的微機(jī)保護(hù)，多采用變勵(lì)磁電壓判據(jù)Ufd（P），即在發(fā)電機(jī)帶有功P的工況下，根據(jù)靜穩(wěn)極限所需的最低勵(lì)磁電壓，來判別是否已失磁。正常運(yùn)行情況下（包括進(jìn)相），勵(lì)磁電壓不會(huì)低于空載勵(lì)磁電壓Ufd0。Ufd（P）判據(jù)十分靈敏，能反映出低勵(lì)的情況，但整定計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。因?yàn)閁fd是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的電氣量，多為直流，而功率P是定子系統(tǒng)的電氣量，為交流量，兩者在一個(gè)判據(jù)進(jìn)行比較，如果整定不當(dāng)很容易導(dǎo)致誤動(dòng)作。而對(duì)于水輪機(jī)組，由于Xd與Xq的不同，整定計(jì)算就更繁瑣一些。

但是勿容置疑的是，該判據(jù)靈敏度最高，動(dòng)作很快。如果掌握好其整定計(jì)算方法，在整定計(jì)算上充分考慮空載勵(lì)磁電壓Ufd0和同步電抗Xd等參數(shù)的影響，或在試運(yùn)行期間加以實(shí)驗(yàn)調(diào)整，不僅可以避免誤動(dòng)作，而且是一個(gè)十分有效的判據(jù)。能防止事故擴(kuò)大而被迫停機(jī)，特別適用于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作不穩(wěn)定的情況。

1.2 機(jī)端測(cè)量阻抗判據(jù)

阻抗元件作為失磁保護(hù)的定子判據(jù)是同步發(fā)電機(jī)中常用的判據(jù)，即利用定子回路的參數(shù)變化來鑒別發(fā)電機(jī)的失磁故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗為負(fù)載阻抗，測(cè)量阻抗位于第一象限，當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后，隨著無功功率輸出方向的改變，機(jī)端測(cè)量阻抗的軌跡由第一象限逐步進(jìn)入第四象限。進(jìn)入靜穩(wěn)邊界，此時(shí)發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率與電磁功率失去平衡。一旦進(jìn)入靜穩(wěn)邊界后,發(fā)電機(jī)將不可避免地進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)。

阻抗元件反映發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗，當(dāng)測(cè)量阻抗落入阻抗圓內(nèi)時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。失磁保護(hù)的阻抗圓常見有兩種，一是靜穩(wěn)邊界圓，另一個(gè)是異步圓，還有介于兩者之間的蘋果圓（主要用于凸極機(jī)式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)）。發(fā)電機(jī)發(fā)生低勵(lì)、失磁故障后，總是先通過靜穩(wěn)邊界，然后轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行。因此，靜穩(wěn)邊界圓比異步圓靈敏。

1.3 系統(tǒng)低電壓Us判據(jù)

系統(tǒng)電壓檢測(cè)元件檢測(cè)變壓器高壓側(cè)電壓，發(fā)電機(jī)失磁以后，發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中吸收無功功率，引起系統(tǒng)中電壓變化，尤其是大容量發(fā)電機(jī)經(jīng)長(zhǎng)輸電線與小系統(tǒng)相聯(lián)系，發(fā)電機(jī)的失磁導(dǎo)致系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，威脅系統(tǒng)安全。這種判據(jù)在系統(tǒng)容量較小、電廠與系統(tǒng)聯(lián)系薄弱或系統(tǒng)無功不足時(shí)，能可靠動(dòng)作。對(duì)于與系統(tǒng)聯(lián)系緊密的電廠和小型機(jī)組，本判據(jù)完全可以取消。

目前失磁保護(hù)配置方案很多，其主判據(jù)也不外乎以上所說的幾種，主要是邏輯組合與閉鎖方式的差別。除本文所提的配置方案外，目前大機(jī)組上應(yīng)用較廣泛的方案有：采用靜穩(wěn)邊界圓發(fā)信，異步圓跳閘。這種方案主要是擔(dān)心轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)太靈敏，易誤動(dòng)。靜穩(wěn)圓與異步圓從原理上沒有很大的差別，反映的都是機(jī)端感受阻抗，只是靜穩(wěn)圓比異步圓靈敏一些，動(dòng)作稍快一些。如果用靜穩(wěn)邊界圓發(fā)信，到減出力或采取措施，恐怕已不能使勵(lì)磁恢復(fù)正常了，停機(jī)事故將在所難免。

2 失磁保護(hù)誤動(dòng)分析

失磁保護(hù)的主判據(jù)一般由上文所提到的三個(gè)判決根據(jù)具體情況組合而成，但在系統(tǒng)發(fā)生異常工況下，單靠以上判決有時(shí)不能保證失磁保護(hù)的正確動(dòng)作。

2.1 轉(zhuǎn)子低壓元件的誤動(dòng)作

2.1.1 甩無功負(fù)荷時(shí)的誤動(dòng)作

機(jī)組甩無功負(fù)荷時(shí)，機(jī)端電壓升高，調(diào)節(jié)器動(dòng)作，為維持機(jī)端電壓的恒定，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出由正變?yōu)樨?fù)，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電壓Ufd的迅速降低，造成失磁保護(hù)轉(zhuǎn)子低電壓元件誤動(dòng)作，從而失去閉鎖作用。

2.1.2 系統(tǒng)故障時(shí)的誤動(dòng)

當(dāng)外部發(fā)生短路故障時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓要降低，勵(lì)磁系統(tǒng)要強(qiáng)勵(lì)，轉(zhuǎn)子電壓，轉(zhuǎn)子電流升高，在短路故障切除瞬間，發(fā)電機(jī)電壓立即上升，發(fā)電機(jī)強(qiáng)減調(diào)節(jié)器正輸出，以抑制機(jī)端電壓升高，負(fù)輸出將使轉(zhuǎn)子電壓反向，引起轉(zhuǎn)子低壓元件動(dòng)作。

而當(dāng)系統(tǒng)振蕩時(shí)，機(jī)端電壓周期性變化，調(diào)節(jié)器正、負(fù)輸出電流也隨著周期性變化，若不考慮轉(zhuǎn)差對(duì)轉(zhuǎn)子波形的影響，單是這個(gè)變化量就會(huì)使轉(zhuǎn)子電壓一會(huì)兒升高、一會(huì)兒降低，可能使轉(zhuǎn)子電壓元件動(dòng)作。

因此，發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷、系統(tǒng)發(fā)生短路、振蕩等故障過程中。由于調(diào)節(jié)器負(fù)輸出參與調(diào)節(jié)作用，失磁保護(hù)轉(zhuǎn)子低電壓元件要誤動(dòng)。

2.2 阻抗元件的誤動(dòng)作

2.2.1 系統(tǒng)振蕩

在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，由于發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓E和系統(tǒng)電壓Us之間夾角不斷發(fā)生變化導(dǎo)致機(jī)端測(cè)量阻抗有可能落入阻抗圓內(nèi)，導(dǎo)致阻抗元件動(dòng)作。

2.2.2 進(jìn)相運(yùn)行

按照電力系統(tǒng)降低系統(tǒng)電壓的要求，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流繼續(xù)減少，出現(xiàn)發(fā)出的無功功率為負(fù)值(即從電網(wǎng)吸收無功功率)，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)超前(即定子電流超前電壓)的運(yùn)行方式。進(jìn)相運(yùn)行程度主要受發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定極限、發(fā)電機(jī)定子鐵心端部發(fā)熱的限制，還要受廠用電壓下降允許程度的限制。

失磁保護(hù)的裝設(shè)，使發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的深度進(jìn)一步縮小，因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，雖然沒有達(dá)到發(fā)電機(jī)的不穩(wěn)定區(qū)域，但有時(shí)計(jì)算阻抗可能落入失磁保護(hù)阻抗圓區(qū)域內(nèi)，失磁保護(hù)動(dòng)作跳閘，從保護(hù)設(shè)備的角度出發(fā)，這是有益的，但機(jī)組跳閘對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊，影響供電質(zhì)量。

2.2.3 外部短路故障

當(dāng)發(fā)電機(jī)出口經(jīng)過渡電阻兩相短路時(shí)和主變高壓側(cè)兩相短路時(shí)機(jī)端阻抗都可能落入蘋果圓內(nèi)。

2.2.4 PT斷線引起的誤動(dòng)

電發(fā)機(jī)電壓互感器發(fā)生斷線時(shí)，阻抗變小，也會(huì)引起阻抗元件的動(dòng)作。

2.2.5 長(zhǎng)線充電

發(fā)電機(jī)對(duì)長(zhǎng)線充電進(jìn)行零起升壓試驗(yàn)時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗是容性阻抗，線路越長(zhǎng)，阻抗的絕對(duì)值越小，越易誤動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明，線路電壓等級(jí)越高，機(jī)組容量越小時(shí)，誤動(dòng)的可能性越大。

3 失磁保護(hù)誤動(dòng)分析

為防止轉(zhuǎn)子低壓元件的誤動(dòng)作，在轉(zhuǎn)子低電壓閉鎖元件中增設(shè)負(fù)輸出閉鎖作用，當(dāng)負(fù)輸出消失后，轉(zhuǎn)子電壓逐步上升，但其值較低，轉(zhuǎn)子低電壓也有可能在負(fù)輸出消失后的一段時(shí)間內(nèi)誤動(dòng)。為此，負(fù)輸出消失后，要繼續(xù)閉鎖一段時(shí)間。為了防止調(diào)節(jié)器故障，負(fù)輸出一直出現(xiàn)時(shí)，機(jī)組失磁，失磁保護(hù)拒動(dòng)，應(yīng)在調(diào)節(jié)器裝置中增設(shè)故障退出功能。

由于發(fā)電機(jī)剩磁的增加，實(shí)際的轉(zhuǎn)子空載電壓比額定要低，所以降低轉(zhuǎn)子電壓的整定值可以防止誤動(dòng)作的幾率。

機(jī)端PT斷線判斷采用負(fù)序分量的方法，計(jì)算機(jī)端電壓、電流的負(fù)序分量，當(dāng)負(fù)序電壓大于本裝置的給定值，而負(fù)序電流小于本裝置的定值時(shí)，認(rèn)為PT斷線，發(fā)信號(hào)，并閉鎖阻抗元件。

對(duì)于進(jìn)相運(yùn)行引起失磁保護(hù)動(dòng)作的情況，應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：一是在進(jìn)相運(yùn)行期間，操作人員必須以進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)為指導(dǎo)，嚴(yán)格把握進(jìn)相深度，使機(jī)端測(cè)量阻抗不要落入失磁保護(hù)阻抗圓內(nèi)，當(dāng)無功功率接近靜態(tài)穩(wěn)定無功邊界值時(shí)，及時(shí)動(dòng)作于報(bào)警，提醒運(yùn)行人員，避免失磁保護(hù)動(dòng)作。二是失磁保護(hù)的整定計(jì)算應(yīng)充分考慮進(jìn)相運(yùn)行的需要，在允許范圍內(nèi)盡量將阻抗圓下移。

對(duì)于外部短路故障引起失磁保護(hù)誤動(dòng)的情況，采用負(fù)序電流閉鎖失磁保護(hù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后，阻抗和無功方向元件動(dòng)作，由于沒有負(fù)序電流，負(fù)序元件解除閉鎖，當(dāng)由系統(tǒng)短路或短路引起系統(tǒng)振蕩時(shí)，有瞬時(shí)負(fù)序電流，負(fù)序電流閉鎖阻抗和無功方向元件動(dòng)作，防止失磁保護(hù)誤動(dòng)作。

為防止由于長(zhǎng)線充電引起的誤動(dòng)作，裝置采用開入量的方法閉鎖保護(hù)。

由于失磁保護(hù)的原理和發(fā)生失磁時(shí)各種電氣量變化的復(fù)雜性決定了失磁保護(hù)整定的復(fù)雜性，因此，為防止失磁保護(hù)誤動(dòng)作，進(jìn)行合理的定值整定是最為重要的。

4 向家壩電廠失磁保護(hù)淺析

向家壩電廠失磁保護(hù)采用機(jī)端電壓、阻抗元件+無功反向組成失磁保護(hù)，保護(hù)采用PT斷線閉鎖，動(dòng)作于解列。

由于沒有采用變勵(lì)磁電壓判據(jù)，系統(tǒng)振蕩時(shí)，當(dāng)振蕩中心落入發(fā)電機(jī)內(nèi)時(shí)，失磁保護(hù)有誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，所以合理的對(duì)失磁阻抗元件進(jìn)行整定，是防止失磁保護(hù)誤動(dòng)最有效的辦法。為防止進(jìn)相運(yùn)行時(shí)失磁保護(hù)誤動(dòng)，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)相深度試驗(yàn)，掌握詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為今后運(yùn)行提供操作依據(jù)，并在保護(hù)設(shè)備的基礎(chǔ)上與失磁保護(hù)整定計(jì)算合理配合。由于向家壩電廠機(jī)組容量大，輸電線路相對(duì)較短，進(jìn)行零起升壓時(shí)失磁保護(hù)誤動(dòng)作的可能較小，但試驗(yàn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行密切監(jiān)視。另外，建議增加負(fù)序電流閉鎖來防止外部短路時(shí)引起的失磁保護(hù)誤動(dòng)。

向家壩電廠失磁保護(hù)動(dòng)作于解列，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子或勵(lì)磁回路匝間短路等故障情況下，即使機(jī)組解列，也會(huì)給設(shè)備產(chǎn)生轉(zhuǎn)子或者勵(lì)磁回路燒毀等現(xiàn)象，所以建議失磁保護(hù)動(dòng)作于解列、滅磁。

[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M]第二版.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[2]張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.