发电机失磁保护介绍.docx

发电机失磁保护介绍1概述同步发电机是根据电磁感应的原理工作的，发电机的转子电流（励磁电流）用于产 生电磁场正常运行工况下，转子电流必须维持在一定的水平上发电机失磁故障是指 励磁系统提供的励磁电流突然全部消失或部分消失同步发电机失磁后将转入异步运行 状态，从原来的发出无功功率转变为吸收无功功率对于无功功率容量小的电力系统，大型机组失磁故障首先反映为系统无功功率不 足、电压下降，严重时将造成系统的电压崩溃，使一台发电机的失磁故障扩大为系统性 事故在这种情况下，失磁保护必须快速可靠动作，将失磁机组从系统中断开，保证系 统的正常运行引起发电机失磁的原因大致有：发电机转子绕组故障、励磁系统故障、自动灭磁开 关误跳闸及回路发生故障等2发电机失磁过程中机端测量阻抗分析发电机从失磁开始进入稳态异步运行，一般分为三个阶段：（1） 失磁后到失步前（2） 临界失步点（3） 异步运行阶段2.1隐极式发电机以汽轮发电机经联络线与无穷大系统并列运行为例，其等值电路与正常运行时的向 量图如图1所示图1发电机与无限大系统并列运行图中，Ed为发电机的同步电势，人为发电机机端相电压，\为无穷大系统相电压,I为发电机定子电流，X为发电机同步电抗，X为发电机与系统之间的等值电抗，且d s有Xp二X + X ，申为受端的功率因数角，5为E与U之间的夹角（即功角）。

〉, d s d S若规定发电机发出有功功率、无功功率时，表示为w二P - jQ,则sin 5cos(1)(2)功率因数角为tan-1 P(3)在正常运行时，5 < 905 = 900为稳定运行极限,5 > 90后发电机失步1.失磁后到失步前在失磁后到失步前的阶段中，转子电流逐渐减小，Ed随之减小，邙逍之增大，两者共同的结果维持发电机有功功率P不变与此同时，无功功率Q随着Ed的减小与£的增大迅速减小，按（2）式计算的Q值由正变负，发电机由发出感性无功转变为吸收感性无功此阶段中，发电机机端测量阻抗为7 U U + ijxZ = f = ―s sf T Tu・X 亍 + jXs带入公式I - U = P - jQ,则sZf = Us-jXs=U2 . P + jQ + P-jQ + jX 2P P - jQU 2=(事 + jXU 2)+ e j29 (4)式中，U、s一 U 2为常数，此方程表示一个以（寿+ X )为圆心,sU 2齐为半径的圆，如图2所示，此圆又称为等有功组抗圆发电机失磁以前，向系统送出无功功率，申角为正，测量阻抗位于第一象限失磁以后，随着无功功率的变化，申角由正值变为负值，因此测量阻抗也沿着圆周由第一象 限进入第四象限。

2•临界失步点对汽轮发电机，当5 = 900时，发电机处于失去静态稳定的临界状态，故称为临界失步点此时输送到受端的无功功率为E式中Q为负值，表明临界失步时，发电机自系统吸收无功功率，且为一常数，临界失步点也称为等无功点此时机端测量阻抗为U'—f¥ + jX丄• (1 - ej2Q)+ jX-j2Q s带入（5）式，则(6)由（5）式可知，发电机在输出不同的有功功率P而临界失步时，其无功功率Q恒定为常X _ X X 丄 X数6）式描述的方程表示了一个以（0, - Xd - Xs ）为圆心，Xd + Xs为半径的圆 2 2如图3所示，这个圆成为临界失步阻抗圆，也称作等无功阻抗圆其圆周为发电机以不 同的有功功率P临界失步时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为失步区3.失步后的异步运行状态发电机失步后进入异步运行状态，此时异步发电机的等效电路如图5所示，其中X为1f _ f定子绕组漏抗，X为转子绕组漏抗，R为转子绕组电阻，S二「丄为转差率;2 2R(1 - S)__S__为反映发电机功率大小的等效电阻;X '为定子绕组与转子绕组之间的互感电ad抗s)s机端测量阻抗为jXad+ jX )-[jX + R aa S J]1 丄 + j(X + X )S ad 2当发电机空载失磁时，S二0，二a，此时机端测量阻抗最大,=-jX-jXadT -8 ，-^20，的数值为最小，二-jX-jXXadad其中， X、X;分别为发电机的同步电抗与直轴暂态电抗。

当s取其他值时,7）表示为jX其中, X式中,jX-j 2-^2adad-j-j-jtan-1adj(Xad+ jX )-j(XadX)ad-^2adj(XadX))+ (Xadadadad•X2(XadX'，带入上式adX)ad+ j(Xad2(Xadad—+ X )2(Xadj(XadX)ji(X■^2-^22a由式（8）可知，随着s的变化，发电机机端测量阻抗Zj(XadX)j(X + X )ad为复平面内以j2(X8）为圆心1((Xd - Xd)为半径的圆如图5所示，此圆称作异步阻抗圆图5发电机异步阻抗圆综上所述，当一台发电机失磁前在过励磁状态下运行时，其机端测量阻抗位于复平 面的第一象限，失磁以后，测量阻抗沿着等有功阻抗圆向第四象限移动当它与临界失 步圆相交时，表明机组运行处于静稳定极限越过此点后，发电机转入异步运行其运 行轨迹如图6中所示2.2凸极式发电机水轮发电机一般为凸极式，其X工X ,有功、无功的表达式如下:dq功率因数角为L^ssin 5Q EUQ = qs cosXd工1. 失磁后到失步前U2+ ―2U2(XLq工-U 2(s)sin 25 Xd工1 1、• 5一 )sin2 5 X Xq工 d工tan-1 P与汽轮机一样，在失磁后到失步前的阶段中，Eq减小，5随之增大,果维持发电机有功功率P不变。

与此同时，无功功率Q由正值转变为负值,有功功率转变为吸收有功功率此时发电机机端测量阻抗为：7 U U + Ijx U ・vZ = f = ―& s = * + JXf I I I s-jQ,则9)10)11)两者共同的结发电机由发出二冒 P + JQ + p - jQ * jx 二(冒 + jx)+ H^ej-29 (12) 2P p - JQ s 、2P s 2P由此方程看出，水轮机在正常运行到失步前的阶段中，其测量阻抗与汽轮机相同,如图2，U2是以(2P-'X )为圆心， sU2算为半径的圆2. 临界失步点对水轮机而言，为求出静稳极限点，对( 10)式进行求导，使dPd5EUq_sXcos 5+ Us2(rL)cos 2513)此时，发电机机端测量阻抗为U U ・X 二〒二亍+ jXsU 2p — jQ+ jXs（14）式 （9）（10）（13）（14）描述了一个发电机机端测量阻抗Zf随变量5变化的方程，使 用MATLAB软件在复平面内绘制Zf轨迹，可以得到一个如图7所示的滴状轨迹图，即为水 轮发电机临界失步曲线，圆内为失步区5 0 5 1 5 -Q.-0-1.550_5□.The real part of the impedance图7发电机机端测量阻抗在失磁后的变化轨迹3.失步后的异步运行状态水轮机异步运行时机端测量阻抗变化如图5所示，也是复平面内以-j［（X + X '）2 d d为圆心，1（X - X'）为半径的圆。

2 d d当水轮发电机正常运行时，其机端测量阻抗位于复平面的第一象限，失磁以后，测 量阻抗沿着等有功阻抗圆向第四象限移动当它与静态边界曲线（图7滴状曲线）相交 时，表明机组运行处于静稳定极限越过此点后，发电机转入异步运行3 RCS985系列发变组失磁保护判据RCS985系列发变组失磁保护由以下三个判据组成，三个条件同时满足，并且相应压 板投入后，失磁保护才会动作1） 低电压判据（2） 定子侧阻抗判据（3） 转子侧判据3.1 低电压判据发电机失磁后，由于转子励磁减小，造成发电机机端三相电压急剧下降低电压判 据为反映机端电压下降而设置低电压判据一般取母线三相电压，也可以选择机端三相电压TV断线时闭锁本判据 三相同时低压判据：U < UPP lezd3.2定子侧阻抗判据RCS985系列水轮机保护定值描述了异步阻抗圆（图5）、滴状静稳阻抗图（图7）两 个曲线，用以规定发电机定子侧阻抗轨迹变化范围当定子侧阻抗进入任一个圆内，失 磁保护定子阻抗元件就启动由于失磁后发电机由发出无功功率转变为吸收无功功率，而水轮机滴状静稳阻抗曲 线（图7）包含了发电机发出无功的情形因此需要辅助以无功反向判据：Q < -Q ,zd 为防止机端短路时，机端电压太低或负序分量过多，造成阻抗继电器误动，可按需 求增加以下辅助判据：（1） 正序电压>=6V；（2） 负序电压U2v=0.1 Un （发电机额定电压）；（3） 发电机电流>=0.1le （发电机额定电流）。

3.3转子侧判据转子侧判据包括转子低电压判据与发电机的变励磁电压判据两个判据任一个满 足，并且转子判据控制字投入，则转子侧判据启动1） 转子低电压判据当发电机转子励磁电压Ur突然下降到0或者幅值，励磁电压判据迅速动作，可在发 电机抵达静稳极限之前动作该判据为：U < Ur rlzd（2） 发电机变励磁电压判据当发电机低励或者发生失磁故障时，Ur逐渐下降到0或者减至某一值，变励磁低电压动作该判据为：U < K * X * （P - P ） * Ur rel d 工 t fO式中，X 二X + X，x为发电机同步电抗标幺值，X为系统联系电抗标幺值；d 工 d s d Sp为发电机输出功率标幺值；Pt为发电机凸极功率幅值标幺值；Uf0为发电机励磁空载额定电压有名值；图 8 发电机变励磁电压判据对于汽轮机，当励磁电压Ur下降为零时，Ed也变为零，由式（1）知，此时P=0， 因此变励磁电压判据为一条过原点的直线对于水轮机，当励磁电压 Ur 下降为零时， 由于水轮机交直轴电枢反应电抗的不同，仍然会有一部分凸极功率Pt存在，若Us取标 幺值1，sin 26 = 1，则由式（9）可知，凸极功率P二0.5 * （丄-—）。

如图8 t X Xq工 d工所示，水轮机变励磁电压判据为（Ur，P）平面内过（0, Pt）的一条直线发电机变励磁电压判据事实上可以表述为，当发电机提供的励磁电压跟不上发电机 有功功率的变化时，就表现为失磁，此时（Ur，P）点落Ur-P平面内的动作区内4 RCS985系列发变组失磁保。