发电机进相运行时失磁保护动作特性分析

王晓源

阳西海滨电力发展有限公司，广东阳江 529800

所谓发电机的“进相运行”是指在正常发电状态下，发电机一方面向系统提供有功功率，一方面也提供无功功率，当定子电流滞后于端电压角度的状态下，发电机组此时的运行状态被称为“迟相运行”。而励磁电流不断减少的状态下，发电机从“迟相运行”状态发生变化，向系统提供的无功功率转化为从系统吸收无功功率，这种变化导致定子电流从“滞后”形态转为“超前”状态，即超前发电机端电压一个角度，这种运行状态就被称之为“进相运行”；归根结底，进相运行是由于减少发电机励磁电流造成的，即“失磁”，它的危害很大，如造成发电机有功负荷增加，导致发电机不稳定、系统振荡、定子线圈温度飙升等，甚至造成绝缘设备损坏。

1 发电机失磁保护原理及动作特性

1.1 发电机失磁保护原理分析

一般发电机组的失磁保护判断依据主要有三个层面，发电机组所测量到的阻抗值差异较大，不同过程中阻抗圆对比如图1所示。

第一，该阶段为发电机组失去静稳之前的过程，其功角小于90°，该阶段也可视为失磁初始阶段。静稳破坏现象出现之前，有功功率基本一致，因此，也被称之为等有功阻抗圆；当然，不同发电机组下等有功阻抗圆的频率不同，即不同的有功功率所表现的圆半径也不同，整体上功率越大、半径越小。

第二，该阶段为发电机组达到静稳极限状态的过程，其功角等于90°，称之为“静稳边界阻抗圆”，但该“圆”更多地存在于理论范畴。

第三，该阶段为发电机组进入异步运行状态，其功角大于90°，它是工程上约等于异步运行时极端阻抗边界的形态。

图1 不同过程阻抗圆对比

很明显，发电机呈现进相运行状态下，机端测量抗阻的轨迹逐渐落入第四象限，所能够测量到的等有功阻抗圆与异步边界阻抗圆、静稳边界阻抗圆产生交叉，从而出现失磁保护，因此要避免失磁保护的错误行为，就必须对失磁保护进行验证。

1.2 发电机失磁保护动作特性

随着我国电网建设规模不断扩大，发电机组大型化特征日渐明显，包括水电、火电、风电等电力生产模式，都需要提高对发电机稳定性、安全性的关注。而结合未来“智能电网”建设的需求而言，发电机组单机发容量增加是一个必然趋势，这有利于实现系统化管理、控制和维护；但同时，“大型化”必然导致发电机组在设计、运行、结构等方面出现新的问题，尤其是对于继电保护的要求更为苛刻。很明显，直轴电抗xd、暂态电抗xd'以及此暂态电抗xd''都会呈现上升趋势，其结果为：（1） 短路电流水平持续下降，继电器灵敏度持续提高；（2） 定子比值Ta/Ta''变大，并且定子回路时间常数也相应提高，造成定子非周期性电流衰减变慢，从而破坏电流互感器的保护特性；（3） 直轴电抗持续上升的状态下，系统容易受到干扰，发电机失磁故障机率增加，失磁保护的稳定性难以保障。

2 发电机进相运行状态失磁保护动作判断依据及优化建议

2.1 常见低励失磁保护动作判断依据及问题

国内常见的低励失磁保护判断依据主要包括：（1） 判断转子低电压状态，涉及变励磁电压、等励磁电压等依据；（2） 根据机端定子阻抗判断，主要判断依据为静稳边界阻抗圆、异步边界阻抗圆的特性；（3） 根据三相同时低电压状态进行判断，主要依据来源于主变高压侧低电压、机端低电压等；（4） 根据逆无功进行判断。

结合实践，以上常见的低励失磁保护判断并不完善，如利用“转子低压判断”作为依据时，Ui-P判据较为灵敏。但也正因为它动作迅速、无需转子机械过程的特点，容易出现误动的现象。此外，如果多个发电机采取并列运行时，其中某一台发电机失磁并不能保障高压侧母线电压降低，从而导致判据不足而不能产生保护动作。

2.2 不同发电机组类型的失磁保护动作判断优化建议

第一，针对失磁保护按照静稳极限阻抗圆设定的进相发电机组而言，由于进相运行能力存在限制，从而导致保护动作的反应敏捷性收到影响。因此，可以对发电机组进行改造，其失磁保护以异步边界阻抗圆标准进行调整。

第二，针对进相运行发电机组出现额定负荷状态下失磁现象，其失磁保护的动作比迟相运行更为快速，可通过额定负荷监测、调整实现需求。

第三，针对进行运行发电机组出现的空载失磁现象及失磁保护反应慢的现象，可利用发电机组增设逆功率保护解决。尤其为避免进相运行机组在空载附近呈现的失磁时间较长的特点，通过逆功率保护动作，可以将出现失磁现象的发电机组从系统中快速切除。

此外，也可以依据静态稳定极限、异步阻抗等展开失磁保护误动的优化，但侧重大功率、单机型机组，有一定局限性。

3 结语

本文针对一些典型低励、失磁保护判断进行了分析，结合不同原理发动机类型做出了失磁保护误动提出了优化措施，以期发挥借鉴、参考作用。

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