发电机失磁保护介绍

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，d E 为发电机的同步电势，f U 为发电机机端相电压，s U 为无穷大系统相电压，

I 为发电机定子电流，d X 为发电机同步电抗，s X 为发电机与系统之间的等值电抗，且

有s d X X X +=∑ ，ϕ为受端的功率因数角，δ为d E 与s U 之间的夹角（即功角）。

若规定发电机发出有功功率、无功功率时，表示为jQ P W -=，则

δsin ∑

=

X U E P s

d （1） ∑∑-=X U

X U E Q s

s d 2

cos δ

（2） 功率因数角为

P

Q

1

tan -=ϕ （3） 在正常运行时，090<δ。090=δ为稳定运行极限，090>δ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，随之增大，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

s s

s s f f

jX I U I jX I U I U Z +=+==

带入公式jQ P U I s

-=⋅ˆ ，则 ϕ22

2

2

2)2(2j s s s s s s s f

e P U jX P U jX jQ P jQ

P jQ P P U jX I U Z ++=+--++⋅=+=

（4）

式中，s U 、P 、s X 为常数，此方程表示一个以)2(2s s X P U

+为圆心，P U s 22

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，ϕ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，ϕ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。

图2 等有功阻抗圆

2. 临界失步点

对汽轮发电机，当090=δ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

∑-=X U

Q s

2

（5）

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

s Q j s s s f f

jX e Q j U jX I U I U Z +-⋅-=+==)1(222

带入（5）式，则

ϕ

22

2

j s

d s

d f

e X X j

X X j

Z ++--=

（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 恒定为常数。（6）式描述的方程表示了一个以（0，2

s

d X X --

）为圆心，

2

s

d X X +为半径的圆。

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。

图3 等无功阻抗圆

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1X 为定子绕组漏抗，2X 为转子绕组漏抗，2R 为转子绕组电阻，s

s f f

f S -=

为转差率；S S R )

1(-为反映发电机功率大小的等效电阻；ad X 为定子绕组与转子绕组之间的互感电抗。

图4 异步发电机的等效电路图

机端测量阻抗为

])()(

[22

22

1X X j S R jX S R jX jX Z ad ad f

++++-=

（7） 当发电机空载失磁时，0=S ，

∞=S

R 2

，此时机端测量阻抗最大，

d ad f jX jX jX Z -=--=1

当∞→f 时，-∞→S ，

02

→S

R ，f Z 的数值为最小， d ad

ad

f X j X X X X j

jX Z '-=+--=221

其中，d X 、d 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，式（7）表示为

)

()()()(22212222

1X X j S R X X X j X X j S R jX S R jX jX Z ad ad ad ad ad f

++-

+-=⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++-= )

()(2)()(2

1222

222211X X j S

R X X X X j X X X X X X X j

ad ad

ad ad ad ad ad ++-+-⎥

⎦⎤⎢⎣⎡+⋅+++-= 其中，d ad X X X =+1，d ad ad X X X X X X '=+⋅+

2

2

1，带入上式

⎥⎥

⎥⎥

⎦

⎤⎢⎢

⎢⎢⎣⎡++++-++'+-=)()(21)(2)(2

122222

X X j S R X X j X X X j X X j

Z ad ad ad ad d d f

⎥⎥

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++-'-+'+-=)()()(2

1

)(212

222X X j S R X X j S R X X j X X j

ad ad d d d d

α2)(2

1

)(21e X X j X X j

d d d d '-+'+-= （8） 式中， s

R X X ad 22

1

tan

-+=-α 由式（8）可知，随着s 的变化，发电机机端测量阻抗f Z 为复平面内以)(2

1

d d X X j

'+-