發(fā)電機失磁保護動作原因分析與處理

楊新凱

（河南能源化工集團安化公司）

0 引言

安化集團4#發(fā)電機型號為：QFW-12-2，額定功率：12MW，額定電流：1375A，定子繞組單Y接線，中性點不接地。出線經(jīng)母線橋至AH05#開關(guān)柜接熱電站6kV 母線I段，并接302站6kV I段入網(wǎng)。因同I段的一臺2600kW空壓機啟動時發(fā)電機報失磁二段跳閘，本文對發(fā)電機失磁保護動作原因及處理措施進行分析闡述。

1 發(fā)電機失磁經(jīng)過與初步分析

2023年7 月15日安化集團供電系統(tǒng)正常運行，4#發(fā)電機所帶負荷2900kW，10時41分47秒4000空分高壓室I段一臺容量為2600kW的空壓機正常啟動，10時41分48秒熱電站4#發(fā)電機報失磁二段保護跳閘，導(dǎo)致4#發(fā)電機與電網(wǎng)解列，查看當時運行方式為熱電站4#發(fā)電機與空壓機同在I段運行，根據(jù)現(xiàn)場實際情況初步判斷造成發(fā)電機失磁的原因有以下五種：

1）勵磁柜至現(xiàn)場勵磁機電壓線電纜有斷裂情況。

2）勵磁柜控制器已運行長達10年，有故障的可能。

3）空壓機啟動時造成系統(tǒng)電壓波動，勵磁柜強勵誤動作。

4）失磁保護定值整定計算有誤。

5）微機繼電保護裝置故障導(dǎo)致誤動作。

綜合以上幾項原因，針對性排查情況如下：①停機后對現(xiàn)場勵磁機電纜進行檢查，勵磁電纜絕緣良好，無斷股及接地現(xiàn)象；②空壓機啟動時系統(tǒng)電壓僅有稍微降低，未達到勵磁柜強勵動作條件；③失磁保護定值由設(shè)計院專業(yè)人士核算，與發(fā)電機實際運行相符；④對勵磁系統(tǒng)、微機繼電保護裝置校驗，調(diào)試均正常。因此，4#發(fā)電機失磁的核心問題并不在此，再次審視發(fā)現(xiàn)發(fā)電機發(fā)生失磁動作的情況是一臺2600kW的空壓機啟動后，4#發(fā)電機失磁保護動作并與電力系統(tǒng)解列，初步的推斷是繼電保護裝置的失磁判斷出現(xiàn)問題，并將對這個原因進行深入分析。

2 發(fā)電機微機繼電保護失磁判據(jù)組成

當發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會引起勵磁力的下降甚至消除，從而使得發(fā)電機與系統(tǒng)脫離同步，這將會對機組及電力系統(tǒng)的安全帶來極大風險。因此，對于大規(guī)模和中等規(guī)模的機組，必須裝設(shè)失磁防護設(shè)備。失磁保護的關(guān)鍵判斷標準可以由以下的一項或兩項準則組成。

2.1 靜穩(wěn)極限勵磁電壓Ufd（P）主判據(jù)

優(yōu)勢在于：該標準能在失磁的初始階段，一旦發(fā)生偏差，因Ufd迅速下滑，Ufd（P）標準即可立即進入動作狀態(tài)；在常規(guī)操作條件下失磁，Ufd（P）標準的動作速度比靜穩(wěn)邊界阻抗標準快約1s以上，具有預(yù)見性失磁失步的功能，能有效提升機組的壓力輸出或者切換勵磁的效率。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)見圖1。

圖1 計算示意圖

Ufd（P）判據(jù)的動作方程為：

Cn為額定有功時的修正系數(shù)，為發(fā)電機額定有功時極限功率角，當電機處于額定功率時，Cn代表修正因子，并且它是最大功率角。在實際應(yīng)用中，沒有必要計算它，只要根據(jù)Kn=Pn/Pt的比例信息參考相應(yīng)的表格或曲線，就能找到Cn的數(shù)值，參閱如表1所示的有關(guān)Cn的表格和曲線。

表1 Kn- Cn

圖2展示了Ufd（P）判據(jù)的行為特征呈傾斜的直線型態(tài)。

圖2 Kn- Cn曲線

Ufd（P）判定可能在磁場喪失和失步之后出現(xiàn)不穩(wěn)定，建議執(zhí)行自我保持或延遲回歸策略以確保其持續(xù)作用。在系統(tǒng)短路過渡階段以及系統(tǒng)振動過程中，Ufd（P）判定可能產(chǎn)生操作錯誤，應(yīng)執(zhí)行有效的閉鎖機制以確保出口的準確性。

2.2 定勵磁低電壓判據(jù)

為了保證在發(fā)電機空載運行及P＜Pt的輕載運行狀況下失磁時保護的安全性，或為了全失磁及嚴重部分失磁時保護能較快響應(yīng)，附加裝設(shè)整定值為固定值的勵磁低電壓判據(jù)，簡稱之為“定勵磁低電壓判據(jù)”，其動作方程如下：

式中，Ufd.set為勵磁低電壓設(shè)定值，設(shè)定的范圍是（0.2～0.8）Ufd0，通?？梢赃x擇Ufd.set等于0.8Ufd0。

如果“定勵磁低電壓判據(jù)”是單獨輸出的，還需要實施“I＜0.06In”的閉鎖操作，其目的是避免在發(fā)電機并網(wǎng)和解列過程中發(fā)生失磁保護的錯誤輸出。

在系統(tǒng)出現(xiàn)短路或其他嚴重干擾，以及由此引發(fā)的系統(tǒng)振動過程中，“穩(wěn)定勵磁低電壓邏輯”不會錯誤觸發(fā)。

圖3所示的水平直線部分，呈現(xiàn)出了固定磁化低電壓判斷標準的反應(yīng)特性曲線。

圖3 Ufd-P以及恒定勵磁低電壓決策動作特征曲線

2.3 靜穩(wěn)邊界阻抗判據(jù)

圖4 靜穩(wěn)邊界阻抗判據(jù)動作特性

需要明確，發(fā)電機產(chǎn)品手冊中的Xd值，以“Xd（銘牌）”形式出現(xiàn)，是銘牌上的表示值，屬于不飽和值。這個數(shù)值是發(fā)電機制造商在機端三相短路而短路電流低于額定電流的條件下試驗得出，可能存在較大誤差。

為了避免失磁保護錯誤觸發(fā)，在靜態(tài)穩(wěn)定扇區(qū)以及Ufd（P）失磁保護判斷標準的設(shè)定計算過程中，使用的Xd值定義如下：Xd=Xd（銘牌）/1.3。

2.4 穩(wěn)態(tài)異步邊界阻抗判據(jù)

當發(fā)電機出現(xiàn)會引發(fā)失步的失磁現(xiàn)象后，首先觸及靜態(tài)平衡的邊緣，接著切換至非同步運行，最終達到穩(wěn)定的非同步運行模式。該判斷條件的操作模式為下拋圓模式，與發(fā)電機穩(wěn)定的非同步邊界模式相吻合。特征曲線可參見圖5。

圖5 阻抗特性曲線

2.5 主變高壓側(cè)三相同時低電壓判據(jù)

發(fā)電機在失磁之后可能會導(dǎo)致主變壓器高壓側(cè)（系統(tǒng)）電壓下降，進而可能導(dǎo)致部分電網(wǎng)電壓瓦解。因此，在設(shè)計失磁保護方案時，應(yīng)將“三相低電壓”的判斷標準加入其中。為了避免誤觸發(fā)該標準，它應(yīng)該和其他標準共同構(gòu)成“與”門輸出。

該評定標準主要用于評估失磁狀態(tài)下的發(fā)電機對系統(tǒng)電壓（即母線電壓）的作用。

式中，Ut.set為主變高壓側(cè)的電壓，它的正常值范圍約在Un的85%～90%。不過，在一些特殊情況下，當發(fā)電機失去勵磁的時候，主變高壓側(cè)的電壓無法降至設(shè)定值以下。這種時候，決定規(guī)則可以改為“發(fā)電機機端三相同步低電壓”，此時的Ut.set的取值通常會選在Un的75%～80%（具體應(yīng)根據(jù)廠用系統(tǒng)）。

2.6 機端過電壓判據(jù)

在諸如發(fā)電機突然丟失負荷等過電壓場景下，會強制降低勵磁，導(dǎo)致Ufd的驟降，這可能會誤觸發(fā)Ufd（P）判定或是低電壓勵磁判定。因此，會運用機端過電壓判定來防止這種情況，且執(zhí)行后會進行4～6s的延時鎖閉措施，避免誤動作的失磁保護出口。

式中，Ugn為發(fā)電機機端額定電壓。

發(fā)電機微型保護系統(tǒng)是根據(jù)發(fā)電機端部測量的阻抗異步阻抗圓來進行動作判斷的。

3 失磁保護定值計算

3.1 發(fā)電機數(shù)據(jù)

S=12/0.8=15MVA，Un1=6.3kV，1375A縱軸超瞬變電抗Xd″=11.6%，縱軸瞬變電抗Xd′=19.2%，縱軸同步電抗Xd=193.1%，逆序電抗X2=14.2%，零序電抗X0=5.85%，短路比0.51。

3.2 阻抗計算

（2）系統(tǒng)聯(lián)系電抗

熱電站6kV母線故障，系統(tǒng)提供最大三相短路電流：16.695kA

（3）異步邊界阻抗

（4）靜穩(wěn)極限阻抗

式中，Xcom為系統(tǒng)與發(fā)電機之間的電抗，包括變壓器（如果有）、系統(tǒng)及線路標幺值。以發(fā)電機額定值為基準，na、nv為電流互感器、電壓互感器變比。

3.3 發(fā)電機側(cè)主判據(jù)

（1）靜穩(wěn)邊界阻抗

（2）穩(wěn)態(tài)異步阻抗

3.4 輔助判據(jù)

（1）勵磁低電壓

（Ufd0為發(fā)電機空載勵磁電壓）

（2）機端低電壓

4 失磁動作原因發(fā)現(xiàn)與分析

裝置失磁動作記錄如表2所示。

表2 4#機失磁動作記錄表

表中動作值的計算結(jié)果表明，其阻抗值在異步圓動作范圍內(nèi)滿足了動作需求，同時發(fā)電機的設(shè)定值和保護設(shè)備的響應(yīng)都表現(xiàn)正常。經(jīng)過對表2的動作值重新分析，發(fā)現(xiàn)Uab和Iab之間的角度差距約為-120°，可是勵磁電壓正常，初步懷疑是失磁誤動作。再去檢查正常運行狀態(tài)下的電流電壓相位角，發(fā)現(xiàn)Ia是180°角，而Ua僅為36°角，推斷可能是保護電流Ia、Ib、Ic的接入和接出方向反了。作為發(fā)電機的關(guān)鍵保護設(shè)備，失磁保護的保護邏輯對保護電壓、電流接線方式要求0°接線。為了進一步找出問題的原因，使用多功能相位儀來測量正在正常運行的電流、電壓相位，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 原電流電壓相位圖

依據(jù)圖中所示電壓與電流相位關(guān)系，能明顯分辨出保護電流Ia、Ib、Ic進出接反，導(dǎo)致實際運行中其阻抗值為穩(wěn)態(tài)異步阻抗，計算后落在第三象限，當大容量空壓機啟動時，系統(tǒng)無功缺額比較大，發(fā)電機輸出無功增加，以致發(fā)電機電流上升，阻抗值下降為定值整定以下后失磁二段動作。

5 對策實施與效果分析

1）調(diào)整4#發(fā)電機失磁保護使用的電流互感器的極性，并對發(fā)電機的端部電流互感器的起始和終止端進行設(shè)置，以此修正發(fā)電機端部電流互感器的電流方向。

2）繼續(xù)優(yōu)化圖紙，對失磁保護電流互感器接線方式的錯誤進行修正。

3）利用微機繼電保護測試系統(tǒng)對投用的失磁保護功能進行再次試驗，確保動作邏輯可靠、準確。

4）試驗結(jié)束后，4#發(fā)電機并網(wǎng)運行，再次利用多功能相位儀對調(diào)整后運行中的電流、電壓相位進行測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 調(diào)整后電流電壓相位圖

通過圖片中的數(shù)據(jù)分析，能明顯觀察到發(fā)電機Uab/Iab在經(jīng)過調(diào)節(jié)后在第一象限進行運行。有功功率和無功功率都處在正值狀態(tài)，這是計算發(fā)電機阻抗的標準位置。為進一步驗證調(diào)整后失磁保護的可靠性，實際模擬當時場景進行空壓機啟動試驗，在兩次啟動試驗中發(fā)電機均正常運行。

6 結(jié)束語

通過此次4#發(fā)電機失磁保護跳閘動作原因的分析，對發(fā)電機失磁保護邏輯與判定方式有了深刻了解，但想成為一名合格的繼電保護專員，還應(yīng)加強繼電保護專業(yè)知識的學習，對運維的發(fā)電機二次回路應(yīng)定期檢查，對于新投入的保護功能應(yīng)提前校驗定值的可靠性與對應(yīng)二次接線的準確性。