水轮发电机失磁保护配置及误动作分析

赵静朴，肖 勇

（向家坝水力发电厂，四川 宜宾 644612）

0 引言

同步发电机在运行过程中，可能突然全部或部分地失去励磁。引起失磁的原因多是由于励磁回路开路(如灭磁开关误跳闸、整流装置的误跳开等)、短路、励磁机励磁电源消失或转子绕组故障等。发电机发生失磁故障后，将过渡到异步运行，转子出现转差，定子电流增大，定子电压下降，有功功率下降波动，无功功率反向并且增大；在转子回路中出现差频电流；电力系统的电压下降等。由此可见发电机失磁故障严重影响大型机组的安全运行。

不同于汽轮发电机，水轮发电机的异步功率较小，必须在较大的转差下运行，才能发出较大的功率。其调速器的灵敏度不够，时滞较大，甚至可能在功率尚未达到平衡时就大大超速，从而与系统解列。水轮发电机的同步阻抗较小，如果异步运行，需要从电网中吸收大量的无功，在系统无功功率储备不足的情况下可能影响系统的电压稳定甚至系统安全的稳定性。由于水轮发电机的纵轴和横轴不对称，失磁情况下机组的振动较大。对于水轮发电机失磁后保护的动作后果应为直接跳闸，所以失磁保护对于水轮发电机显得尤为重要。

1 失磁保护的主判据

根据发电机失磁后各电气量变化，目前失磁保护使用最多的主判据主要有三种：

(1)转子低电压判据，即测量励磁电压Ufd是否小于动作值；

(2)发电机机端低阻抗判据（水轮发电机一般采用苹果圆或静稳阻抗圆）；

(3)系统低电压Us判据

三种判据分别反映转子侧、定子侧和系统侧的电气量。

1.1 转子低压判据Ufd

目前的微机保护，多采用变励磁电压判据Ufd（P），即在发电机带有功P的工况下，根据静稳极限所需的最低励磁电压，来判别是否已失磁。正常运行情况下（包括进相），励磁电压不会低于空载励磁电压Ufd0。Ufd（P）判据十分灵敏，能反映出低励的情况，但整定计算相对复杂。因为Ufd是转子系统的电气量，多为直流，而功率P是定子系统的电气量，为交流量，两者在一个判据进行比较，如果整定不当很容易导致误动作。而对于水轮机组，由于Xd与Xq的不同，整定计算就更繁琐一些。

但是勿容置疑的是，该判据灵敏度最高，动作很快。如果掌握好其整定计算方法，在整定计算上充分考虑空载励磁电压Ufd0和同步电抗Xd等参数的影响，或在试运行期间加以实验调整，不仅可以避免误动作，而且是一个十分有效的判据。能防止事故扩大而被迫停机，特别适用于励磁调节器工作不稳定的情况。

1.2 机端测量阻抗判据

阻抗元件作为失磁保护的定子判据是同步发电机中常用的判据，即利用定子回路的参数变化来鉴别发电机的失磁故障。当发电机正常运行时，机端测量阻抗为负载阻抗，测量阻抗位于第一象限，当发电机失磁后，随着无功功率输出方向的改变，机端测量阻抗的轨迹由第一象限逐步进入第四象限。进入静稳边界，此时发电机的机械功率与电磁功率失去平衡。一旦进入静稳边界后,发电机将不可避免地进入异步运行状态。

阻抗元件反映发电机机端测量阻抗，当测量阻抗落入阻抗圆内时，保护动作。失磁保护的阻抗圆常见有两种，一是静稳边界圆，另一个是异步圆，还有介于两者之间的苹果圆（主要用于凸极机式水轮机发电机）。发电机发生低励、失磁故障后，总是先通过静稳边界，然后转入异步运行。因此，静稳边界圆比异步圆灵敏。

1.3 系统低电压Us判据

系统电压检测元件检测变压器高压侧电压，发电机失磁以后，发电机从系统中吸收无功功率，引起系统中电压变化，尤其是大容量发电机经长输电线与小系统相联系，发电机的失磁导致系统电压严重下降，系统不能稳定运行，威胁系统安全。这种判据在系统容量较小、电厂与系统联系薄弱或系统无功不足时，能可靠动作。对于与系统联系紧密的电厂和小型机组，本判据完全可以取消。

目前失磁保护配置方案很多，其主判据也不外乎以上所说的几种，主要是逻辑组合与闭锁方式的差别。除本文所提的配置方案外，目前大机组上应用较广泛的方案有：采用静稳边界圆发信，异步圆跳闸。这种方案主要是担心转子低电压判据太灵敏，易误动。静稳圆与异步圆从原理上没有很大的差别，反映的都是机端感受阻抗，只是静稳圆比异步圆灵敏一些，动作稍快一些。如果用静稳边界圆发信，到减出力或采取措施，恐怕已不能使励磁恢复正常了，停机事故将在所难免。

2 失磁保护误动分析

失磁保护的主判据一般由上文所提到的三个判决根据具体情况组合而成，但在系统发生异常工况下，单靠以上判决有时不能保证失磁保护的正确动作。

2.1 转子低压元件的误动作

2.1.1 甩无功负荷时的误动作

机组甩无功负荷时，机端电压升高，调节器动作，为维持机端电压的恒定，励磁调节器输出由正变为负，但同时也会导致转子电压Ufd的迅速降低，造成失磁保护转子低电压元件误动作，从而失去闭锁作用。

2.1.2 系统故障时的误动

当外部发生短路故障时，发电机电压要降低，励磁系统要强励，转子电压，转子电流升高，在短路故障切除瞬间，发电机电压立即上升，发电机强减调节器正输出，以抑制机端电压升高，负输出将使转子电压反向，引起转子低压元件动作。

而当系统振荡时，机端电压周期性变化，调节器正、负输出电流也随着周期性变化，若不考虑转差对转子波形的影响，单是这个变化量就会使转子电压一会儿升高、一会儿降低，可能使转子电压元件动作。

因此，发电机甩负荷、系统发生短路、振荡等故障过程中。由于调节器负输出参与调节作用，失磁保护转子低电压元件要误动。

2.2 阻抗元件的误动作

2.2.1 系统振荡

在系统发生振荡时，由于发电机机端电压E和系统电压Us之间夹角不断发生变化导致机端测量阻抗有可能落入阻抗圆内，导致阻抗元件动作。

2.2.2 进相运行

按照电力系统降低系统电压的要求，发电机的励磁电流继续减少，出现发出的无功功率为负值(即从电网吸收无功功率)，发电机功率因数超前(即定子电流超前电压)的运行方式。进相运行程度主要受发电机静态稳定极限、发电机定子铁心端部发热的限制，还要受厂用电压下降允许程度的限制。

失磁保护的装设，使发电机进相运行的深度进一步缩小，因为在发电机进相运行时，虽然没有达到发电机的不稳定区域，但有时计算阻抗可能落入失磁保护阻抗圆区域内，失磁保护动作跳闸，从保护设备的角度出发，这是有益的，但机组跳闸对电网系统造成冲击，影响供电质量。

2.2.3 外部短路故障

当发电机出口经过渡电阻两相短路时和主变高压侧两相短路时机端阻抗都可能落入苹果圆内。

2.2.4 PT断线引起的误动

电发机电压互感器发生断线时，阻抗变小，也会引起阻抗元件的动作。

2.2.5 长线充电

发电机对长线充电进行零起升压试验时，机端测量阻抗是容性阻抗，线路越长，阻抗的绝对值越小，越易误动，实验表明，线路电压等级越高，机组容量越小时，误动的可能性越大。

3 失磁保护误动分析

为防止转子低压元件的误动作，在转子低电压闭锁元件中增设负输出闭锁作用，当负输出消失后，转子电压逐步上升，但其值较低，转子低电压也有可能在负输出消失后的一段时间内误动。为此，负输出消失后，要继续闭锁一段时间。为了防止调节器故障，负输出一直出现时，机组失磁，失磁保护拒动，应在调节器装置中增设故障退出功能。

由于发电机剩磁的增加，实际的转子空载电压比额定要低，所以降低转子电压的整定值可以防止误动作的几率。

机端PT断线判断采用负序分量的方法，计算机端电压、电流的负序分量，当负序电压大于本装置的给定值，而负序电流小于本装置的定值时，认为PT断线，发信号，并闭锁阻抗元件。

对于进相运行引起失磁保护动作的情况，应从两个方面进行考虑：一是在进相运行期间，操作人员必须以进相运行试验数据为指导，严格把握进相深度，使机端测量阻抗不要落入失磁保护阻抗圆内，当无功功率接近静态稳定无功边界值时，及时动作于报警，提醒运行人员，避免失磁保护动作。二是失磁保护的整定计算应充分考虑进相运行的需要，在允许范围内尽量将阻抗圆下移。

对于外部短路故障引起失磁保护误动的情况，采用负序电流闭锁失磁保护，当发电机失磁后，阻抗和无功方向元件动作，由于没有负序电流，负序元件解除闭锁，当由系统短路或短路引起系统振荡时，有瞬时负序电流，负序电流闭锁阻抗和无功方向元件动作，防止失磁保护误动作。

为防止由于长线充电引起的误动作，装置采用开入量的方法闭锁保护。

由于失磁保护的原理和发生失磁时各种电气量变化的复杂性决定了失磁保护整定的复杂性，因此，为防止失磁保护误动作，进行合理的定值整定是最为重要的。

4 向家坝电厂失磁保护浅析

向家坝电厂失磁保护采用机端电压、阻抗元件+无功反向组成失磁保护，保护采用PT断线闭锁，动作于解列。

由于没有采用变励磁电压判据，系统振荡时，当振荡中心落入发电机内时，失磁保护有误动的风险，所以合理的对失磁阻抗元件进行整定，是防止失磁保护误动最有效的办法。为防止进相运行时失磁保护误动，应进行进相深度试验，掌握详细试验数据，为今后运行提供操作依据，并在保护设备的基础上与失磁保护整定计算合理配合。由于向家坝电厂机组容量大，输电线路相对较短，进行零起升压时失磁保护误动作的可能较小，但试验时应进行密切监视。另外，建议增加负序电流闭锁来防止外部短路时引起的失磁保护误动。

向家坝电厂失磁保护动作于解列，当发生转子或励磁回路匝间短路等故障情况下，即使机组解列，也会给设备产生转子或者励磁回路烧毁等现象，所以建议失磁保护动作于解列、灭磁。

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M]第二版.北京：中国电力出版社，2002.

[2]张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.