浅谈水轮发电机失磁保护

浅谈水轮发电机失磁保护摘要：积石峡水电厂安装3台单机容量34万千瓦水轮发电机组，总装机102万千瓦。

2016年12月06日1号水轮发电机组开机并网后发电机失磁保护动作，机组停机进一步查找故障点为1号机组转子励磁引下线绝缘老化受损，导致转子放电短路故障，短路电流达到8860A，超过发电机灭磁开关过流脱口动作定值，引起灭磁开关动作跳闸，造成发电机失磁保护动作机组停机。

在这里就发电机失磁产生的原因，失磁对发电机及电力系统的影响，以及一些通用的失磁保护判据，积石峡WFB-800A微机发电机失磁保护的判据、逻辑等进行浅谈。

一、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。

发电机失磁是指励磁系统提供的励磁电流突然全部消失或者部分消失，同步发电机失磁后将转入异步发电机运行，从原来发出无功功率转变为吸收无功功率。

对于无功功率储备容量较小的电力系统，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，失磁保护必须采取快速可靠动作，将失磁机组从系统中断开，以保持系统的正常运行。

二、发电机失磁及其产生的原因对于并网运行的发电机组，当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减到零。

由于发电机的感应电势随着励磁电流的减小而减小；因此其电磁转距也将小于原动机的转距，因而引起转子加速，使发电机的功角增大。

当功角超过稳定极限角时，发电机将与系统失去同步，进入失步运行状态。

发电机失去励磁后将从并列运行的电力系统中吸收感性的无功功率供给励磁电流，在定子绕组中感应电势。

发电机失步后，转子回路将感应出频率为ff-fs（ff为发电机转速的频率，fs 为系统的频率）的电流，此电流产生异步制动转距。

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。

三、失磁对发电机及电力系统的影响1、失磁后发电机的转速超过额定转速，在转子及励磁回路中将产生频率为ff-fs的交流电流，因而形成附加的损耗，使发电机的转子和定子过热，转差率越大，所引起的过热也越严重。

2、水轮发电机的纵轴和横轴呈现明显的不对称，在重负荷下失磁时，发电机的转距、有功功率要发生剧烈的周期性摆动，将有很大甚至超过发电机允许值的电磁转距周期性地作用到发电机的轴系上，并通过定子传递到发电机的机座上，引发机组的震动。

因此，水轮发电机失磁将直接威胁到机组的安全，基本上是不允许这种情况发生的。

3、水轮发电机组励磁系统的灭磁及过电压保护均采用氧化锌非线性电阻。

在发电机失磁时，转子绕组中将产生很高的过电压，若失磁维持时间较长，过电压的能量超过非线性电阻的能容时将损坏氧化锌阀片，即损坏灭磁系统，会迫使机组及励磁系统停机检修。

4、失磁后，发电机需要从系统中吸收大量的无功功率以建立发电机磁场。

若失磁前发电机向系统送出的无功功率为Q1，而在失磁后从系统吸收无功功率为Q2，则系统将出现Q1+Q2的无功功率差额。

5、由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，若电力系统的容量较小或无功储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压及其他的临近点的电压低于允许值，从而破坏负荷与电源间的稳定运行，甚至引起电压崩溃而使系统瓦解。

6、由于失磁，发电机吸收了大量的无功功率。

因此，为了防止其定子绕组的过电流，发电机所发的有功功率将减少。

四、现行的发电机失磁保护的判据鉴于失磁的巨大危害，发电机组都要求装设失磁保护装置。

发电机的失磁保护应能正确反应发电机的失磁故障，而在发电机外部故障、电力系统振荡以及发电机低励磁运行时不误动。

通常失磁保护有以下判据：1、定子阻抗判据反映失磁保护的定子阻抗判据有静稳边界阻抗判据和异步边界阻抗判据两种。

（1）异步边界圆Xd和Xd 为发电机同步电抗和暂态电抗的标幺值，取不饱和值；Ugn和Sgn为发电机额定电压和额定视在功率；na、nv为发电机电流互感器和电压互感器的变比。

异步边界圆动作判据主要用于与系统联系紧密的发电机失磁保护，边界圆内是失磁保护区。

（2）静稳边界圆Xs为发电机与系统的联系电抗标幺值。

静稳边界圆以发电机的临界失步点的机端测量阻抗圆为依据，边界圆内为失步区。

2、无功反向判据Krel为可靠系数，Qjx为发电机允许的最大进相无功功率，Pgn为发电机额定有功功率。

3、三相同时低电压判据Krel为可靠系数，Uh.min为高压侧系统最低正常运行电压。

此判据一般取发电机机端电压，也可以取系统侧的母线电压，主要用于防止由发电机失磁事故引发的无功储备不足的系统电压崩溃。

4、励磁低电压判据励磁低电压判据是根据发电机的静稳边界而设计的，包括等励磁电压判据和变励磁电压判据。

（1）等励磁电压判据：Krel为可靠系数，Ufd0为发电机额定空载励磁电压。

该判据可保证发电机在空载及轻载运行情况下失磁时保护能可靠动作。

（2）变励磁电压判据：Kxs为转子电压判据定值，Krel为可靠系数，Xd、Xs分别为发电机同步电抗和系统联络电抗标幺值，Ufd0为发电机额定空载励磁电压，P为发电机当前的功率，Pt为发电机凸极反应功率。

变励磁电压判据根据并联运行的发电机，对应某一有功功率P，将有维持静稳极限所必需的励磁电压的原理，克服了等励磁电压判据无法随发电机正常运行情况变化而调整的缺点，该判据动作迅速，能提前发出报警信号。

5、减出力判据若有功功率大于一定值，则降低发电机出力。

减小汽轮发电机出力则有可能将异步运行的汽轮发电机拉入同步，减小水轮发电机输出的有功功率可防止水轮发电机因失磁故障而失步。

上述失磁保护判据，一般有适当的组合，以保证保护的快速性和可靠性。

五、适用于水轮发电机的失磁保护判据水轮发电机由于不具备失磁运行的能力，需要保护装置能够快速可靠地动作，减少发电机失磁运行的时间，以保护发电机及励磁系统。

水轮发电机在失磁时，由于定子绕组与转子绕组之间存在互感电抗，转子侧将感应出非常高的过电压，通过检测这种过电压，可以判断发电机是否失步。

大型水轮发电机组都采用自并励静止可控硅励磁系统，转子过电压保护是励磁系统的必要组成部分。

除了少数进口励磁系统采用SiC作为灭磁电阻，大多励磁系统基本都采用氧化锌非线性电阻作为灭磁和过电压保护元件。

水轮发电机失磁失步运行时，将有电流通过非线性灭磁电阻，励磁系统的转子过电压保护会动作。

发电机并网运行时，通过检测灭磁电阻是否存在这种电流，可以实现对失磁失步的检测，保护装置可接收该信号作为对水轮发电机失磁保护的一种补充判据。

六、积石峡水电厂WFB-800A失磁保护的主判据可由下述判据组成。

1、静稳极限励磁电压主判据该判据的优点是：凡是能导致失步的失磁初始阶段，由于快速降低，判据可快速动作；在通常工况下失磁，判据动作大约比静稳边界阻抗判据动作提前1秒钟以上，有预测失磁失步的功能，显著提高机组压出力或切换励磁的效果。

系统网络见图1。

图1 一次系统图判据的动作方程为：―整定系数，单位“”―发电机有功功率，单位“”；―发电机凸极功率，单位“”；2、定励磁低电压辅助判据为了保证在机组空载运行及的轻载运行情况下失磁时保护能可靠动作，或为了全失磁及严重部分失磁时保护能较快出口，附加装设整定值为固定值的励磁低电压判据，简称为“定励磁低电压判据”，其动作方程为：式中，为励磁低电压动作整定值，整定为，一般可取。

在系统短路等大干扰及大干扰引起的系统振荡过程中，“定励磁低电压判据”不会误动作。

定励磁低电压判据的动作特性曲线见图2中的水平直线部分。

图2 及定励磁低电压判据动作特性曲线3、静稳边界阻抗主判据阻抗扇形圆动作判据匹配发电机静稳边界圆，采用0 接线方式（、），动作特性见图3所示，发电机失磁后，机端测量阻抗轨迹由图中第I象限随时间进入第Ⅳ象限，达静稳边界附近进入圆内。

静稳边界阻抗判据满足后，至少延时1-1.5s发失磁信号、压出力或跳闸，延时1-1.5s的原因是躲开系统振荡。

扇形与R轴的夹角10 -15 为了躲开发电机出口经过渡电阻的相间短路，以及躲开发电机正常进相运行。

图3 静稳边界阻抗判据动作特性需指出，发电机产品说明书中所刊载的值是铭牌值，用“Xd（铭牌）”符号表示，它是非饱和值，它是发电机制造厂家以机端三相短路但短路电流小于额定电流的情况下试验取得的，误差大，计算定值时应注意。

4、稳态异步边界阻抗判据发电机发生凡是能导致失步的失磁后，总是先到达静稳边界，然后转入异步运行，进而稳态异步运行。

该判据的动作圆为下抛圆，它匹配发电机的稳态异步边界圆。

特性曲线见图4。

图4 异步阻抗特性曲线5、主变高压侧三相同时低电压判据发电机失磁后，可能引起主变高压侧（系统）电压降低，引发局部电网电压崩溃，因此，在失磁保护配置方案中，应有“三相同时低电压”判据。

为防止该判据误动，该判据应与其它辅助判据组成“与”门出口。

此判据主要判断失磁的发电机对系统电压（母线电压）的影响式中，为主变高压侧电压整定值，一般可取。

某些场合发电机失磁后，主变高压侧电压不可能降低到整定值以下，则该判据也可改为“发电机机端三相同时低电压判据”，即，可取。

采用机端三相低电压判据有时为了保证厂用电，有时仅为了与（或静稳阻抗判据）组成“与”门出口，以防止由于（或静稳阻抗）单独出口导致的误动，因此选择有较广泛的灵活性。

积石峡失磁保护具体方案图5失磁保护方案逻辑框图保护“静稳阻抗”判据经延时后经失磁一段出口发信号；“静稳阻抗”判据经延时后和机端低电压判据“”组合后经失磁二段动作出口，可保证全失磁或部分失磁失步时出口动作；“静稳阻抗”判据和励磁低电压判据“”组合后也可经失磁二段动作出口；如果失磁二段动作仅切换励磁（或减出力）并发失磁信号，经延时后，若切换励磁（或减出力）失败，则保护三段出口跳闸。

延时是为了躲开系统振荡。

失磁一段出口一般只宜发失磁信号，不宜自动切换励磁或自动压出力，因“静稳阻抗” 动作区较大，在发电机正常进相运行时失磁一段可能误出口而误切换励磁或误减出力。

七、结语水轮发电机失磁是危及机组设备安全的严重事故，快速判断出失磁或失步是减少事故损失的必要措施，而在发电机外部故障、电力系统震荡、发电机自同步并列以及发电机低励磁同步运行时不误动。