發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)失磁保護(hù)動(dòng)作特性分析

王曉源

陽(yáng)西海濱電力發(fā)展有限公司，廣東陽(yáng)江 529800

所謂發(fā)電機(jī)的“進(jìn)相運(yùn)行”是指在正常發(fā)電狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)一方面向系統(tǒng)提供有功功率，一方面也提供無(wú)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(jī)組此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)被稱為“遲相運(yùn)行”。而勵(lì)磁電流不斷減少的狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)從“遲相運(yùn)行”狀態(tài)發(fā)生變化，向系統(tǒng)提供的無(wú)功功率轉(zhuǎn)化為從系統(tǒng)吸收無(wú)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(jī)端電壓一個(gè)角度，這種運(yùn)行狀態(tài)就被稱之為“進(jìn)相運(yùn)行”；歸根結(jié)底，進(jìn)相運(yùn)行是由于減少發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流造成的，即“失磁”，它的危害很大，如造成發(fā)電機(jī)有功負(fù)荷增加，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(jī)失磁保護(hù)原理及動(dòng)作特性

1.1 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)原理分析

一般發(fā)電機(jī)組的失磁保護(hù)判斷依據(jù)主要有三個(gè)層面，發(fā)電機(jī)組所測(cè)量到的阻抗值差異較大，不同過(guò)程中阻抗圓對(duì)比如圖1所示。

第一，該階段為發(fā)電機(jī)組失去靜穩(wěn)之前的過(guò)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(jī)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(jī)組達(dá)到靜穩(wěn)極限狀態(tài)的過(guò)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(jī)組進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，其功角大于90°，它是工程上約等于異步運(yùn)行時(shí)極端阻抗邊界的形態(tài)。

圖1 不同過(guò)程阻抗圓對(duì)比

很明顯，發(fā)電機(jī)呈現(xiàn)進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)端測(cè)量抗阻的軌跡逐漸落入第四象限，所能夠測(cè)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(hù)，因此要避免失磁保護(hù)的錯(cuò)誤行為，就必須對(duì)失磁保護(hù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作特性

隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)電機(jī)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(duì)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性、安全性的關(guān)注。而結(jié)合未來(lái)“智能電網(wǎng)”建設(shè)的需求而言，發(fā)電機(jī)組單機(jī)發(fā)容量增加是一個(gè)必然趨勢(shì)，這有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化管理、控制和維護(hù)；但同時(shí)，“大型化”必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)、運(yùn)行、結(jié)構(gòu)等方面出現(xiàn)新的問(wèn)題，尤其是對(duì)于繼電保護(hù)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(huì)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，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(shí)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(hù)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(jī)失磁故障機(jī)率增加，失磁保護(hù)的穩(wěn)定性難以保障。

2 發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)失磁保護(hù)動(dòng)作判斷依據(jù)及優(yōu)化建議

2.1 常見(jiàn)低勵(lì)失磁保護(hù)動(dòng)作判斷依據(jù)及問(wèn)題

國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的低勵(lì)失磁保護(hù)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(lì)磁電壓、等勵(lì)磁電壓等依據(jù)；（2） 根據(jù)機(jī)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(shí)低電壓狀態(tài)進(jìn)行判斷，主要依據(jù)來(lái)源于主變高壓側(cè)低電壓、機(jī)端低電壓等；（4） 根據(jù)逆無(wú)功進(jìn)行判斷。

結(jié)合實(shí)踐，以上常見(jiàn)的低勵(lì)失磁保護(hù)判斷并不完善，如利用“轉(zhuǎn)子低壓判斷”作為依據(jù)時(shí)，Ui-P判據(jù)較為靈敏。但也正因?yàn)樗鼊?dòng)作迅速、無(wú)需轉(zhuǎn)子機(jī)械過(guò)程的特點(diǎn)，容易出現(xiàn)誤動(dòng)的現(xiàn)象。此外，如果多個(gè)發(fā)電機(jī)采取并列運(yùn)行時(shí)，其中某一臺(tái)發(fā)電機(jī)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(hù)動(dòng)作。

2.2 不同發(fā)電機(jī)組類型的失磁保護(hù)動(dòng)作判斷優(yōu)化建議

第一，針對(duì)失磁保護(hù)按照靜穩(wěn)極限阻抗圓設(shè)定的進(jìn)相發(fā)電機(jī)組而言，由于進(jìn)相運(yùn)行能力存在限制，從而導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作的反應(yīng)敏捷性收到影響。因此，可以對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造，其失磁保護(hù)以異步邊界阻抗圓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

第二，針對(duì)進(jìn)相運(yùn)行發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)額定負(fù)荷狀態(tài)下失磁現(xiàn)象，其失磁保護(hù)的動(dòng)作比遲相運(yùn)行更為快速，可通過(guò)額定負(fù)荷監(jiān)測(cè)、調(diào)整實(shí)現(xiàn)需求。

第三，針對(duì)進(jìn)行運(yùn)行發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)的空載失磁現(xiàn)象及失磁保護(hù)反應(yīng)慢的現(xiàn)象，可利用發(fā)電機(jī)組增設(shè)逆功率保護(hù)解決。尤其為避免進(jìn)相運(yùn)行機(jī)組在空載附近呈現(xiàn)的失磁時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)逆功率保護(hù)動(dòng)作，可以將出現(xiàn)失磁現(xiàn)象的發(fā)電機(jī)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(hù)誤動(dòng)的優(yōu)化，但側(cè)重大功率、單機(jī)型機(jī)組，有一定局限性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一些典型低勵(lì)、失磁保護(hù)判斷進(jìn)行了分析，結(jié)合不同原理發(fā)動(dòng)機(jī)類型做出了失磁保護(hù)誤動(dòng)提出了優(yōu)化措施，以期發(fā)揮借鑒、參考作用。

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