发电机失磁保护与励磁系统低励限制的配合计算

陈京静

（马鞍山当涂发电有限公司，安徽 马鞍山243100）

1 引言

马鞍山当涂发电有限公司的2台660MW发电机由哈尔滨电机厂制造，发电机－变压器组继电保护装置采用美国GE公司的发电机的继电保护装置（G60），具有阻抗式失磁保护，能够在发电机失磁后及时动作保护发电机和系统不受失步运行的危害。励磁系统采用南瑞集团电气控制分公司NES5100励磁调节器，具有低励磁限制功能，能够使得发电机在进相运行时不超过静稳边界范围。

正常情况下励磁调节器工作于自动方式，当检测到励磁电压Uf、励磁电流If、定子电流ID符合低励限制的条件时，低励限制器开始动作，增大励磁电流，如无法将发电机的运行状态拉回正常点，机组的进相深度越来越深，则发电机失磁保护动作，保证电力系统的安全稳定，因此，低磁励限制与失磁保护之间就存在配合问题。

同时，DL＿T583－2006《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》4.4.1（d）（欠励磁限制要与失磁保护配合，欠励磁限制动作应先于失磁保护），要求验证低励磁限制与失磁保护的整定关系是否正确。

无论是低励限制或者失磁保护，其动作整定值均是以静态稳定极限功率圆为条件确定的。但是在实际校核中，发现低励限制是在（P－Q）平面进行计算的，而阻抗型失磁保护是在（R－X）阻抗圆平面进行分析的。为了验证两者间的参数配合，必须将两者归算到同一平面上。

2 研究背景

2.1 发电机失磁保护简介

G60发电机管理继电器失磁保护采用双下抛圆特性 （带延时，防止系统震荡误动），反映不同负荷失磁时机端测量阻抗，如图1所示。

采用机端或500kV母线低电压构成失磁第二个动作条件。失磁后经延时t0＝0.5s动作于减出力，失磁后经延时t3＝1.5s、机端低电压动作延时t2＝1.5s、500kV低电压延时t1＝1s动作于程序跳闸。失磁保护经发电机PT断线闭锁。

图1 G60发电机管理继电器失磁保护示意图

2.2 励磁调节器简介

NES5100励磁调节器软件构架如图2所示。

图2 NES5100励磁调节器软件构架

NES5100励磁调节器软件功能如图3所示。

发电机励磁不足反映在各个电气参量中，主要表现为：励磁电流低、进相深度大（负无功功率大）和定子电流增大，为保证发电机安全运行，将反映低励磁的主要电气量Uf、If、IL送入励磁调节器，进行判断与调节，从而实现低励限制。

图3 NES5100励磁调节器软件功能

3 发电机低励限制和失磁保护的配合

3.1 发电机低励的处理方法

（1）励磁调节。正常情况下励磁调节器工作于自动方式，当发电机低励时，从系统吸收无功，转子出现转差、定子电流增大、定子电压降低、有功输出下降，励磁调节器检测到电气量的变化符合低励限制的条件时，低励限制器开始动作，增大励磁电流，如无法将发电机的运行状态拉回正常点。

（2）降低负荷。发电机失磁后，将有功负荷迅速降至额定值的40%～50%，有可能在低滑差状态下运行一段短时间（几十分钟），如果厂用电电压偏低，则将厂用电切换至备用电源，迅速查找失磁原因并解决，从而将发电机运行点拉回同步状态。

（3）停机。随着机组的进相深度越来越深，转子的阻尼绕组、转子表面、转子绕组中差频电流越来越大，引起转子严重过热现象，危及转子安全，其次，同步发电机异步运行时，在定子绕组中出现的脉动电流，产生交变的机械力矩，使机组发生振动，严重影响发电机的安全，甚至可能会导致电力系统电压崩溃而瓦解，此时必须动作于停机。

3.2 励磁系统低励限制的原理

在电网处于负荷低谷期，常规感性无功补偿设备投入量不足而出现电压偏高，或者由于系统扰动或故障导致电压突然升高时，发电机励磁调节器会自动响应降低励磁。而发电机在低励状态下工作可能导致发电机定子端部铁芯由于漏磁的增大发热量会显著增加，如果进相较深，励磁电流过小，可能达到静稳极限，增大了失磁保护误动的可能性，因此发电机励磁系统应设置低励限制来保障机组和电网的安全稳定。

励磁调节器实时检测发电机有功功率和无功功率，根据预先设定的限制曲线，判断实际运行点离低励限制曲线的远近，当运行点越过低励限制曲线，励磁调节器即自动增加无功功率，保证发电机运行点回到安全运行区域［2］。

3.3 失磁保护的原理

发电机转子回路短路、励磁机故障、灭磁开关误跳闸或人为误操作等原因都会造成发电机失磁故障，从而引起发电机转子电流及气隙磁通按指数衰减，发电机电势Ed也按指数减少，功角特性曲线逐渐降低，为了满足发电机输入——输出功率平衡，发电机功角δ必须增大，当功角增大至90°之后，功角的增大反而使得电磁功率减小，造成转子加速运行，很快功角达到180°，继而转入失步运行，对电力系统、相邻机组、失磁机组本身及厂用电系统均可能造成危害［3，4］。

《继电保护和安全自动装置技术规程》中要求，600MW发电机失磁保护的整定应由阻抗元件、母线低电压元件、机端低电压元件和闭锁元件组成，当阻抗元件及低电压元件同时动作，且闭锁元件开放时，即判断为发电机失磁。发电机失磁时机端低电压元件必定动作，经延时t2作用于切换厂用电；若母线低电压元件也动作，则经延时t1作用于切除发电机。其中，阻抗元件的整定一般按静稳边界圆或异步边界圆整定，如图4所示。

图4 阻抗元件特性示意

可以看出静稳边界圆通过阻抗复平面上的（0，jXc）及 （0，－jXd）两 点，其 圆 心 坐 标 为 （0，－j，半径为；异步边界圆通过阻抗复平面上的（0，－jXd）及（0，－jXd＇）两点，其圆心坐标为，半径为。其中，X为系统等c值阻抗（含主变电抗），Xd为发电机同步电抗，Xd＇为发电机暂态电抗，圆内为阻抗元件的动作区。当机组与系统联系紧密时，宜采用异步边界圆整定，不紧密是采用静稳边界圆整定。

3.4 将失磁保护曲线映射至P－Q平面

通过以上综述，我们可以统一阻抗型失磁保护的标准圆方程为：

其中，X0为失磁保护阻抗圆的圆心；R0为失磁保护阻抗圆的半径。

将R＝（Ucosφ）／I，X＝（Usinφ）／I带入式（1）并化简得：

将sinφ＝Q／（UI），I2＝（P2＋Q2）／U2带入式（2）得：

化简后得：

4 低磁励限制与失磁保护的配合实例

本文以马鞍山当涂发电有限公司660MW机组发电机低励限制与失磁保护的整定值为例。

4.1 理论计算

发电机参数：额定容量Sg：733.33MVA；额定功率Pg：660MW；机端电压 Un：20kV；TA变比nTA：25000／5；TV变比nTV：20／0.1。

发电机励磁调节器的低励限制曲线数据如表1所示。

表1 低励限制曲线数据

发电机失磁保护动作特性由两个下偏圆组成，反映不同负荷失磁时机端测量阻抗；机端或500kV母线低电压构成失磁第二个动作条件。失磁后经延时t0动作于减出力，失磁后经延时t3、机端低电压动作延时t2、500kV低电压延时t1动作于程序跳闸。失磁保护经发电机PT断线闭锁。阻抗圆曲线如图5所示，其中，X1为阻抗元件1的圆心，R1为阻抗元件1的半径，X2为阻抗元件2的圆心，R2为阻抗元件2的半径，Zb为发电机的基准阻抗，Xd＇为发电机的暂态电抗，Xd为发电机的同步电抗。

图5 失磁保护动作特性示意

计算得异步圆1与Q轴交点为－250.5Mvar。异步圆2：

计算得异步圆2与Q轴交点为－577.02Mvar。

4.2 校核结论

将各曲线按相同比例画在同一平面上，如图6所示，由图可知，在机端电压最低允许值为0.95Un的情况下，所有失磁保护阻抗圆完全处在低励限制线的下方，且有一定的裕度，低励磁限制与失磁保护可以配合，整定关系满足相关要求。

图6 低励限制曲线与失磁保护配合整定示意

5 结语

本文以励磁系统的低励限制与发电机失磁保护的原理为出发点，分析了这两者之间协调配合的必要性，并提出将发电机失磁保护与励磁系统低励限制曲线都归算到（P－Q）平面上进行比较的方法。

阻抗圆1反映发电机负荷高于30%时的失磁情况，圆心1：X1＝－8.82Ω，半径1：R1＝6.82；阻抗圆2反映发电机任何负荷时的失磁情况，圆心2：X2＝－19.03Ω，半径2：R2＝17.02Ω。

取机端电压为0.95Un，阻抗一次值＝阻抗二次值×nTA／nTV，将失磁保护阻抗圆按式（4）映射到P－Q平面，则有：

［1］刘伟良，荀吉辉，薛 玮.发电机失磁保护与低励限制的整定配合［J］.电力系统自动化，2008（18）：77～80.

［2］滕逸鹏，席 斌，孙 伟，等.发电机低励限制与失磁保护定值整定配合研究［C］／／中国电力企业联合会.全国第1届电厂电气企业技术交流研讨会论文集［J］.北京：中国电力企业联合会，2008.

［3］中国华电集团公司电气及热控技术研究中心.电力主设备继电保护的理论实践及运行案例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［4］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.

［5］王 青，刘肇旭，孙华东，等.发电机低励限制功能的设置原则［J］.电力系统保护与控制，2011（39）：1～6.

［6］DL＿T583－2006《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》.