失磁保护(讲课资料)

低励、失磁保护应掌握的知识点：1、什么是失磁？2、失磁后，发电机的运行状况如何变化？或者说发电机开始失磁（在未超过静稳极限之前）的现象？3、失磁保护有哪些判据？（看说明书，先记住这些判据的名称，原理可以先不看）4、发电机失磁对系统和发电机本身有什么影响？5、发电机失磁后，机端测量阻抗大致如何变化？（先了解）一、定义失磁保护，有时候也叫低励保护。

但从更加确切的定义上讲，低励：表示发电机的励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流；（发电机要向外送这么多有功，必须要有相应的励磁电流来维持，励磁电流太低，连静稳极限都维持不了的时候，就叫低励。

而失磁：表示发电机完全失去励磁。

发电机低励、失磁，是常见的故障形式，特别是大型发电机组，励磁系统的环节比较多。

增加了发生低励、失磁的机会。

二、失磁的过程正常运行时，转子的旋转磁场，与定子绕组中电流产生的交变磁场，两者耦合到一起，同步旋转，转子磁场起推动力的作用，定子绕组中电流产生的交变磁场起制动力的作用，两者大小相等，同步旋转，把原动机的能量，通过磁场传到三相系统中去。

而低励、失磁时，转子中的磁场就减小，最后没有了，相当于转子用来推动定子交变磁场旋转的磁场减小、甚至没有了，相当于将“原动机的能量”转换成“三相交流系统中的电能”的媒介减小、甚至没有了，那么原动机的能量就只能转换成转子的机械能，所以转子的转速要加快。

以下为补充：励磁与有功、机端电压的关系（纯属个人理解，仅供参考）有功增加了 在机端电压不变的情况下 定子电流就会增加，定子电流增加的话 就会使机端电压下降， 为了保持机端电压的恒定就会增加励磁电流来稳定电压，励磁电流只调节无功，但无功和有功要满足功率圆。

可能会出现在无功一定的情况下有功无法调节。

就是说 在有功增加的情况下 励磁电流会变大的 有功减小的话励磁电流也会相应的减小。

也就是说，增加励磁电流，可以增加发电机输出的无功Q ，也会使发电机的输出电压升高；反之，则相反。

而励磁电流与有功P 之间无必然的联系。

差不多吧，有功增加会使发电机产生去磁作用，这个时候发电机电压会降低，发电机会失磁，无功就要相应的增加。

理论上调整有功，无功会跟着变化，增加无功，有功不随着无功变化。

单台发电机对于无穷大系统而言，发电机输出的有功、无功的表达式为如下，式中，各参数的定义与上面补充部分的定义相同。

但下式成立的条件是xd=xq （此时xd Σ=xq Σ），即对于隐极发电机，才成立，对于凸极机，不成立。

200sin =cos s s s E U E U U P Q X X X ΣΣΣδ δ-式中，P 为发电机的有功，E0为发电机的机端电压；Us 为系统电压，X Σ为包括发电机在内的整个系统的电抗，δ为转子磁场与定子绕组的电枢磁场的夹角（也可理解为机端电压与无穷大系统电压之间的夹角）。

对于水轮发电机：d轴：直轴（横轴），磁极轴线，转子上是一个大齿；q轴：交轴（相轴、时轴），相邻两极之间的中心线，都是些小齿。

因此，Xd与Xq不可能完全相等，Xd＞Xq。

发电机的机端电压E0与励磁电流If是成线性关系的，失磁过程中，励磁电流减小，引起机端电压E0降低（无功功率降低），但是失磁后，由于转子转速加快，δ会变大（δ的改变比E0的改变慢），在一定范围内，sinδ变大，cosδ，所以：“机端电压E0降低”与“sinδ变大”二者是相互补偿的作用，所以在失磁初始阶段，有功功率P先减小，后增加，来回波动，但有功P的平均值变化不大；而无功功率Q则持续下降，甚至向系统吸收无功（E0降低、cosδ降低）；由于机端电压E0降低（在超过静稳极限后，机端电压讲大幅下降），因此，机端电流I先降低，后面有功P增加后，I也会回升。

具体各电气参数如上图所示。

综上，发电机开始失磁（在未超过静稳极限之前）的现象如下：①无功功率Q在连续下降，甚至从正值变成负值；②机端电压E0在连续下降；③机端电流I在上升（先下降、后上升）；④有功功率P有波动（先下降、后上升），但平均值变化不大。

这个时候，发电机仍能向系统输送有功P，但由于无功Q降低，甚至吸收无功，机端电压要下降，因此需要本厂其他无故障的机组，或者其他厂无故障的机组多发一些无功功率，以维持系统电压。

当功角δ＞180°以后，发电机完全失步，有功P已变为负值，即发电机吸收有功，发电机在系统电压的作用下，作电动机运转，定子电枢磁场已不再是对转子磁场起制动作用，而是和转子上的原动力矩一起，共同驱使发电机加速旋转，很快使δ＞360°，开始一个新的旋转周期，发电机输出的有功功率、无功功率、定子电流、转子电流和电压均呈现不同程度的振荡，但定子机端电压手系统电压的牵制，因此波动比较平稳。

三、失磁后的发电机机端测量阻抗轨迹以下内容针对汽轮发电机而言：满负荷稳定运行时，发电机运行在A点，以失磁开始为0s，约5s后无功功率反向，机端测量阻抗轨迹开始进入-x的第四象限；10s以后，机端测量阻抗轨迹在C区摆动；若将有功负荷减到额定功率的60%，则机端测量阻抗轨迹在D区摆动；若将有功负荷减到额定功率的40%，则机端测量阻抗轨迹稳定在B点附近，失磁机组进入稳定异步运行。

1、失磁初始阶段（在失去静态稳定之前）的阻抗轨迹：等有功阻抗圆等有功的概念：前面已经分析，在失磁初始阶段（在失去静态稳定之前），发电机有功功率P虽然在波动，但其平均值差不多是不变的，因此叫等有功。

现在就假定输出有功功率P（这里用Ps表示）基本不变，来分析机端测量阻抗Z的轨迹。

失磁初始阶段（在失去静态稳定之前）的阻抗轨迹就是等有功圆，静稳极限破坏之后，阻抗轨迹才偏离等有功圆进入第三、四象限。

图6-3-3给我们的启发：①如果失磁发电机与无穷大系统的连接电抗Xs越大（即发电厂与系统联系很薄弱，远离系统中心），则等有功圆就要沿着jx轴往上偏移，因此失磁后的机端测量阻抗轨迹也整体往上偏移，即位于阻抗平面的上部区域，就不容易进入第三、第四象限，而失磁阻抗圆的动作区在第三、第四象限，所以此时失磁保护可能拒动。

②失磁以前，发电机带的有功Ps越大，则失磁后机端测量阻抗轨迹圆的圆心越靠近原点（从式6-6-3a可知），失磁后的机端测量阻抗轨迹（即等有功圆）越小，同理，就不容易进入第三、第四象限，而失磁阻抗圆的动作区在第三、第四象限，所以此时失磁保护可能拒动。

2、静稳极限阻抗圆补充：对于汽轮机的静稳极限（边界）阻抗圆，上面为Xs（系统联系电抗，或者叫发电机与无穷大系统的连接电抗），下面为-Xd，以它们为直径所作的圆。

机端测量阻抗轨迹进入该圆，表示这台发电机的静稳极限破坏了。

等有功圆与静稳极限（边界）阻抗圆是相交的，刚一开始失磁，机端测量阻抗轨迹就有可能沿着等有功圆进入静稳极限（边界）阻抗圆，因此，静稳极限（边界）阻抗圆的动作区域较大，比异步边界阻抗圆更灵敏，静稳极限刚刚被破坏，保护就动作了。

但是，对于汽轮机的静稳极限（边界）阻抗圆，其动作区域它包括了所有象限，第四象限是同步发电机失磁应该动作的区域，第三象限是同步电动机失磁应该动作的区域。

而在第一、二象限，除了失磁保护会动作外，短路故障也会动作，因此，为了防止短路时静稳极限（边界）阻抗圆误动，从第二象限到第四象限划一根直线，弄成一个方向阻抗继电器。

如P303，图6-4-5所示。

而在我国，为了防止短路时静稳极限（边界）阻抗圆误动，就把Xs移到零点，即机端，以零点和-Xd为弦，以静稳极限（边界）阻抗圆为基础，画一个苹果圆，让这个苹果圆尽可能的跟理论上的静稳极限（边界）阻抗圆靠拢。

我们把这个苹果园叫：准静稳极限阻抗圆。

如P304所讲。

无论是静稳极限阻抗圆，还是异步边界阻抗圆，阻抗继电器不仅是在失磁的时候才动作，在系统振荡、PT断线以及发电机从机端到高压系统发生相间短路、接地短路（经过渡电阻短路，过渡电阻达到一定数值）时，这些阻抗圆可能会误动。

所以阻抗圆也要和“励磁低电压”等判据相配合使用，即进入阻抗圆之后，要“励磁电压低于整定值”之后，才动作。

若是系统短路，为了维持系统稳定，励磁系统会自动将励磁加大，此时进入阻抗圆之后，由于“励磁低电压”等判据不满足，失磁保护也不会动作。

详见金安桥的“静稳极限励磁电压U (P) fd 主判据”金安桥失磁保护的几个判据1、静稳极限励磁电压U (P) fd 主判据若定子机端电势E0用定子的额定电压作为基准值，再计算它的标幺值；而转子电压U1的基准值为发电机空载的额定励磁电压，则定子机端电势E0的标幺值，就等于转子电压U1的标幺值，那么从标幺值来说，E0就是转子电压，故有功P即为转子电压乘以无穷大母线电压，再比上同步电抗。

所以，发电机要发出某一数量的有功P，就必须要有一定数量的励磁电压E0（转子电压，它们的标幺值相等）来维持，换句话，发电机要送某一数量的有功功率P，且系统要维持静稳极限，那么必须要有的那个转子电压就能确定下来。

转子电压的标幺值，与有功P成一个线性关系。

故，用转子低电压作为判据时，转子低电压的定值是随着有功功率的变化而变化的。

不同的有功功率，维持静稳极限所需的转子电压就有不同的定值。

（但这是从稳态的状态下来说的，而在暂态过程中，这个线性关系不成立）该判据的优点是：凡是能导致失步的失磁初始阶段，由于U fd 快速降低，U (P) fd 判据可快速动作；在通常工况下失磁，U (P) fd 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。

5.6.2 定励磁低电压辅助判据为了保证在机组空载运行及Pt < P 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：金安桥失磁保护跳闸清册：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。

5.6.4 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5-6-4。

5.6.5 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。

五、观音岩所用的南瑞PCS-985GW发电机保护中，失磁保护有哪些判据？它们各有什么作用？适用于哪些场合？答：①母线（机端）低电压判据：该判据用于保护电力系统不被失磁故障的发电机拖垮，是一个保系统的判据；适用于系统无功储备不足时，远离负荷中心、与系统联系比较薄弱的发电厂建设初期，或枯水运行季节的时候。