小容量发电机组失磁保护的研究 09级.doc

河南机电高等专科学校 毕业设计 论文 小容量发电机组失磁保护的研究 系 部 xxxxxxxxx 专 业 xxxxxxxxxxxxx 班 级 xxxxxxxx 姓 名 xxxxxxx 学 号 xxxxxx 指导老师 xxxxx 二零一二年五月 编编 号号 摘要 I 摘摘 要要 随着电力工业的发展 发电机在电力系统中的地位越来越重要 发电机能否 安全可靠的运行已经成为电力系统的稳定的重要因素 发电机组故障或突然切除 会给电力系统带来很大影响 发电机励磁系统比较复杂 发生故障的频率相对较高 发电机失磁故障对系 统和发电机本身都具有很大的危害 因此 发电机有必要设置失磁保护 在发电 机的各种保护中 发电机失磁保护是一个急待研究和完善的课题 失磁故障给发 电机组合电力系统造成的危害也越来越严重 目前 很多小容量发电机组的失磁 保护方案并不完善 本文在对这些失磁保护方案的缺陷进行分析的基础上 提出 了三种发电机失磁保护方案 关键词 关键词 发电机 失磁保护 危害 保护方法 Abstract II ABSTRACT Along with the development of the electric power industry generator in power system is more and more important in the position the electric generator can be safe and reliable operation of the power system stability has become a very important factor Generator fault or suddenly resection will affect greatly the power systems The generator excitation system is more complex the failure of the relatively high frequency Generator fault on magnetism loss system and generator itself has great harm Therefore generator set excitation loss protection is necessary In all kinds of generators in protection generator excitation loss protection is a pressing research and improvement of the subject Magnetism loss to generator power system fault combination the harm caused by also more and more serious At present many small capacity of the generator set excitation loss protection plan is not perfect in this paper the magnetism loss protection scheme of the defects on the basis of analysis this paper puts forward three generator excitation loss protection scheme Keywords generator the magnetism loss protection the harm protection method 目录 i 目录目录 第 1 章 绪论 1 1 1 发电机失磁现象 1 1 2 失磁保护的现状 2 1 3 研究发电机失磁保护的意义 3 第 2 章 发电机失磁的危害和过程分析 5 2 1 发电机失磁的危害及影响 5 2 1 1 发电机失磁对电力系统的危害 5 2 1 2 发电机失磁对发电机本身的危害 6 2 1 3 发电机失磁对系统的影响 7 2 1 4 发电机运行中失磁对发电机本身的影响 8 2 2 发电机失磁危害分析 10 2 3 失磁过程分析 11 第 3 章 失磁保护的方法 13 3 1 发电机励磁系统的特点 13 3 2 阻抗原理的发电机失磁保护 15 3 3 逆无功原理的发电机失磁保护 16 3 3 1 构成原理 16 3 3 2 逆无功原理失磁保护的原理图 16 3 4 逆无功原理失磁保护存在的问题 18 3 4 1 阻抗元件判据的整定 18 3 4 2 失磁保护中采用转子电压判据存在的问题 18 3 5 微机失磁保护方案 19 3 5 1 定子侧阻抗判据 20 3 5 2 转子低电压判据 21 3 5 3 负序电流闭锁判据 21 3 5 4 基于小容量发电机失磁保护方案 22 目录 i 第 4 章 结论 24 参考文献 25 致 谢 26 小容量发电机组失磁保护的研究 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 众所周知 我们国家在现今大力加快经济建设的过程中 伴随着新电厂机组 的建设 老机组改造 系统电力容量的日益发展 对电力系统保护动作的及时性 和可靠性也有了更高的要求 显而易见 发电机是电力系统的源泉 没有发电机 就等于 无米之炊 励磁系统是发电机的重要组成部分 对电力系统及发电机 的稳定运行具有十分重要的影响 由于系统的日趋庞大和复杂 系统出现故障的几率将会增多 继电保护技术 作为电力系统安全措施中最为重要的一种 面对新的系统形势 应该探索性能更 加完善 可靠性更高的保护原理 发电机在电力系统中地位很重要 与线路保护 相比 主设备处于相对滞后的状况 正确动作率普遍偏低 一方面原因来自设计 制造 运行维护 另一方面主设备保护的故障分析工作仍处于探索阶段 不象线 路保护对各种线路结构的一切故障形式都可做稳 暂态分析 这在一定程度上限 制了保护原理的研究和校验 在发电机的各种保护中 发电机失磁保护是一个急待研究和完善的课题 发 电机失磁是常见的一种电气形式 特别是对在对一些小容量发电机组而言 由于 励磁系统复杂 环节较多 失磁概率相对较大一些 一旦当发电机失磁后造成极 大的危害 比如系统扰动 电压崩溃 定子过载 转子及铁芯发热 厂用辅机损 坏等 因此 对于发电机组应装设专门的失磁保护 但首先有必要对失磁保护的 判据和动作出口方案进行合理性分析 使保护动作行为更为可靠 现在新的方法和工具不断涌现 软硬件水平也突飞猛进 这给我们研究新保 护原理提供了很好的条件 随着旧的发电机组的陆续淘汰 新开发的机组保护装 置必须具备起点高 技术含量足 配置灵活 功能强大等特点 电力系统的发展对整个系统稳定运行提出了更高的要求 而发电机励磁系统 对于维持机端电压 提高电力系统动态稳定性具有重要的意义 发电机保护中需 要配备完善的失磁保护 1 1 发电机失磁现象发电机失磁现象 发电机失磁是指正常运行发电机的励磁电流突然全部消失或部分消失的现象 发电机失磁后 引起发电机失步 将在转子的阻尼绕组 转子表面 转子绕组中 产生差频电流 引起附加温升 可能引起转子局部高温 产生严重过热现象 危 及转子安全 其次 同步发电机异步运动 在定子绕组中将出现脉动电流 产生 交变的机械力矩 使机组发生振动 影响发电机的安全 同时 定子电流增大 河南机电高等专科学校毕业设计 2 可能使定子绕组温度升高 引起发电机失磁的原因有 励磁机故障 自动灭磁开关误跳闸 转子绕组故 障 回路发生故障以及误操作 半导体励磁系统中某些元件的损坏等等 失磁是 发电机常见故障形式之一 特别是小容量发电机组由于励磁电流将逐渐衰减至零 发电机的感应电势 Ed 随着励磁电流的减小而不断减小 电磁转矩将小于原动机 的转矩 因而使转子加速 导致发电机功角增大 当发电机功角超过静稳极限角 时 发电机将会与电力系统失去同步 发电机失磁后将从系统吸取一定的感性无 功来给转子励磁电流 转子会出现转差 在定子绕组中感应电势 定子电流增大 定子电压下降 有功功率下降 而无功功率反向并不断增大 在转子回路会有差 频电流产生 整个系统的电压会下降 某些电源支路也会产生过电流 发电机的 各个电气量不断摆动 严重威胁发电机和整个电力系统的安全稳定运行 发电机低励和失磁是常见的故障形式 造成低励 失磁的原因 主要是励磁 回路的部件发生故障 自动励磁调节装置发生故障以及操作不当或由于系统事故 造成的 对各种失磁故障综合起来看 有以下几种形式 励磁绕组开路引起的失磁 励磁绕组短路引起的失磁 励磁绕组经失磁电阻 自同期电阻 异步电阻 引起 的闭路失磁以及励磁绕组经电枢或整流器闭路失磁 不论是哪种形式 失磁的发 电机将会过渡到异步运行 使转子出现转差 定子电流增大 定子电压降低 有 功输出将下降 电气量的这些变化 在一定条件下 将破坏电力系统的稳定运行 威胁发电机的自身安全 1 2 失磁保护的现状失磁保护的现状 据统计资料 我国 1995 年 100MW 及以上容量的发电机共发生电气故障 120 次 其中失磁故障占 26 7 32 次 1982 1985 年对 100MW 及以上机组 876 台 年的故障统计 失磁的故障率为 7 53 次 百台 年 在发电机个类型故 障中 占 69 5 居于首位 1986 1989 年的统计资料表明 共发生失磁故障 89 次 占发电机全部故障 159 次 的 60 由此可见发电机失磁故障严重影响大 型机组的安全运行 失磁保护是发电机保护中很重要的一种 小容量发电机组失磁保护的研究 3 1 3 研究发电机失磁保护的意义研究发电机失磁保护的意义 励磁系统是同步发电机的重要组成部分 对电力系统和发电机的稳定运行 有十分重要的影响 励磁系统的重要作用体现在 1 正常运行时为同步发电机提供励磁电流 并根据负荷情况进行相应的 调整 维持机端电压恒定 2 合理分配并列运行发电机之间的无功功率 3 提高电力系统动态稳定性和输电线路的传输能力 4 发电机内部出现故障时进行灭磁 减小故障程度 5 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制 失磁故障对发电机和电力系统能够造成的潜在危害有 1 发生故障的发电机从系统吸收无功功率 通常失磁前带的有功越多 失磁后吸收的无功越多 造成系统无功缺额 引起电压下降 2 由于电压下降 系统中其它发电机在自动调节励磁装置的作用下 将 增加无功输出 引起某些发电机 变压器或线路过流 其后备保护可 能会误动 3 失磁后 由于有功功率的摆动 系统电压的下降 可能导致相邻的正 常运行发电机和系统间或电力系统各部分间失步 使系统发生振荡 甩掉负荷 发电机失磁后系统特征量 发电机失磁后不但不发出无功功率还要从系统吸收无功功率 当系统无功功 率储备不足时将导致发电厂母线电压 发电机机端电压下降 发电机失磁后 由 于发电机吸收无功量的增大及定子电压的降低 定子电流就会增大 有功功率越 大 定子电流就会越大 发电机从失磁到功角增大到 90 的过程中 发电机的电 磁功率先减小 但原动机的机械功率来不及减小 造成转子加速使功角不断增大 当功角大于 90 发电机失步运行时发电机的异步功率维持着输入 输出功率平衡 发电机失磁后无功很快减小到零 然后向负变化到较大值 失步后发电机的 无功功率按照滑差周期有规律的摆动 失磁发电机维持的有功功率越大及滑差越 大 发电机从系统吸收的无功越大 发电机从失磁开始到稳定异步运行其机端测量阻抗沿着等有功阻抗圆由第 1 象限向第 4 象限变化 发电机失磁后的象征 河南机电高等专科学校毕业设计 4 1 发电机定子电流和有功功率在瞬间下降后又迅速上升 而且比值增大 并开始摆动 2 发电机失磁后还能发一定的有功功率 并保持送出的有功功率的方向 不变 但功率表的指针周期性摆动 3 定子电流增大 其电流表指针也周期性摆动 4 从送出的无功功率变为吸收无功功率 其指针也周期性的摆动 吸收 的无功功率的数量与失磁前的无功功率的数量大约成正比 5 转子回路感应出滑差频率的交变电流和交变磁动势 故转子电压表指针 也周期性的摆动 6 转子电流表指针也周期性的摆动 电流的数值较失磁前的小 7 当转子回路开路时 由转子本体表面感应出一定的涡流而构成旋转磁场 也产生一定的异步功率 发电机失磁异步运行时 一般处理原则如下 1 对于不允许无励磁运行的发电机应立即从电网解列 以免损坏设备或 造成系统事故 2 对于允许无励磁运行的发电机应按无励磁运行规定执行以下操作 1 迅速降低有功功率到允许值 此时定子电流将在额定电流左右摆动 2 手动断开灭磁开关 退出自动电压调节装置和发电机强行励磁装置 3 注意其它正常运行的发电机定子电流和无功功率值是否超出规定 必 要时按发电机允许过负荷规定执行 4 对励磁系统进行迅速而细致的检查 如属工作励磁机的问题 应迅速 启动备用励磁机恢复励磁 5 注意厂用分支电压水平 必要时可倒至备用电源接带 6 在规定无励磁运行的时间内 仍不能使机组恢复励磁 则应将发电机 自系统解列 小容量发电机组失磁保护的研究 5 第第 2 2 章章 发电机失磁的危害和过程分析发电机失磁的危害和过程分析 2 1 发电机失磁的危害及影响发电机失磁的危害及影响 失磁的危害主要表现在一下几个方面 1 低励或失磁的发电机 从电力系统吸收无功功率 引起电力系统电压下 降 若电压下降幅度太大 将可能会导致电力系统电压崩溃而瓦解 2 对于大型发电机组 在失磁后系统将要向其输送大量的无功电流 这将 可能会引起电力系统的震荡 3 失磁后 由于出现转差 在发电机转子回路中出现差频电流 差频电流 在转子回路中产生的损耗 如果超出允许值 将使转子过热 特别是直接冷却高 利用率的大型机组 其热容量的裕度相对降低 转子更易过热 而流过转子表层 的差频电流 还可能在转子本体与槽楔 护环的接触面上发生严重的局部过热 4 低励或失磁的发电机进入异步运行之后 由机端观测的发电机等效电抗 降低 从电力系统中吸收的无功功率增大 低励或失磁前带的有功功率越大 转 差就越大 等效电抗就越小 所吸收的无功功率就越大 因此 在重负荷下失磁 进入异步运行后 若不采取措施 发电机将因过电流使定子过热 5 对于直接冷却 高利用率的大型汽轮发电机 其平均异步转矩的最大值 较小 惯性常数也相对降低 转子在纵轴和横轴方面也呈现较明显的不对称 由 于这些原因 在重负荷下失磁后 这种发电机的转矩 有功功率要发生周期性摆 动 在这种情况下 将有很大 的 超过额定值的电磁转矩周期性变化 其最大值 可能达到 4 5 使发电机周期性地严重超速 这些情况 都直接威胁着机组 的安全 6 低励或失磁运行时 定子端部漏磁增强 将使端部和边缘铁芯过热 实 际上 这一情况通常是限制发电机失磁异步运行能力的主要条件 2 1 1 发电机失磁对电力系统的危害发电机失磁对电力系统的危害 1 发电机发生失磁时 低励或失磁的发电机将从系统中吸收无功功率 这 将使得电力系统的电压下降 如果电力系统容量较小或者无功功率储备不足的话 那就会使发电机的机端电压 升压变压器高压侧的母线电压或其它邻近点的电压 低于允许值 这样就会破坏负荷与电源间的稳定运行 甚至会使电力系统发生电 压崩溃现象 2 当发电机发生低励或失磁时电压下降 系统中其它发电机在自动调整励磁 河南机电高等专科学校毕业设计 6 装置作用下将会增加其无功功率输出 这样就会导致系统中的某些电气元件 如 变压器或输出电线路产生过电流 使后备保护动作切除过载元件 扩大了故障范 围 3 发电机发生低励或失磁时 由于有功功率的摆动以及系统电压的下降 有可能导致相邻正常运行的发电机与系统之间或电力系统各部分之间失步 使系 统振荡而大量的甩负荷 2 1 2 发电机失磁对发电机本身的危害发电机失磁对发电机本身的危害 发电机失磁后 不但对电力系统会产生很大的危害 而且对发电机本身也会 产生一定的危害 1 由于发生失磁时出现转差 在发电机转子中也会出现差频电流 而流过 转子表层的差频电流还会使转子本体在与槽锲和护环的接触面上发生严重的局部 过热甚至灼伤 2 低励或失磁的发电机进入异步运行状态后发电机的等效电抗降低 从系 统吸收的无功功率不断增加 在重负荷失磁后 由于产生过电流将使发电机电子 过热 3 发电机低励或失磁运行时 由于定子端部的漏磁增强 将会使端部的部 件和边段铁芯产生过热 为保证发电机的可靠运行 须装设发电机失磁保护 以便发生失磁故障时能 及时发现并采取可行的调控法案 传统的失磁保护判据主要有 1 发电机转子低电压判据 包括等励磁电压判据和变励磁电压判据 2 发电机机端定子阻抗判据 包括一部边界阻抗圆特性和静稳边界阻抗圆 特性 3 二相同时低电压判据 包括机端电压判据和主变高压侧低电压判据 4 逆无功判据 即通过逆无功和定子过电流来判断失磁故障 不同失磁保 护方案的区别主要在于保护出口条件 延时或判据间组合关系的不同 发电机失磁保护的辅助判据 在发电机的机端与主变高压侧发生各种短路故障时 以及系统发生振荡的情 况下 失磁保护采用的各种主判据都有可能会发生误动 实际应用中发电机失磁 保护一般都采用主判据与辅助判据相结合的运行方式 小容量发电机组失磁保护的研究 7 2 1 3 发电机失磁对系统的影响发电机失磁对系统的影响 发电机失磁对系统的影响主要有 1 低励和失磁的发电机 从系统中吸收无功功率 引起电力系统的电压降低 如果电力系统中无功功率储备不足 将使电力系统中邻近的某些点的电压低于允 许值 破坏了负荷与各电源间的稳定运行 甚至使电力系统电压崩溃而瓦解 2 当一台发电机发生失磁后 由于电压下降 电力系统中的其它发电机 在自动 调整 励磁装置的作用下 将增加其无功输出 从而使某些发电机 变压器或线路 过电流 其后备保护可能因过流而误动 使事故波及范围扩大 3 一台发电机失磁后 由于该发电机有功功率的摇摆 以及系统电压的下降 将可能导致相邻的正常运行发电机与系统之间 或电力系统各部分之间失步 使系 统发生振荡 4 发电机的额定容量越大 在低励磁和失磁时 引起无功功率缺额越大 电力系 统的容量越小 则补偿这一无功功率缺额的能力越小 因此 发电机的单机容量与 电力系统总容量之比越大时 对电力系统的不利影响就越严重 1 由于发动机失磁后出现转差 在发电机转子回路中出现差频电流 差频电 流在转子回路中产生损耗 如果超出允许值 将使转子过热 特别是直接冷却的高 力率大型机组 其热容量裕度相对降低 转子更容易过热 而转子表层的差频电流 还 可能使转子本体槽楔 护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤 2 失磁发电机进入异步运行之后 发电机的等效电抗降低 从电力系统中吸 收无功功率 失磁前带的有功功率越大 转差就越大 等效电抗就越小 所吸收的无 功功率就越大 在重负荷下失磁后 由于过电流 将使发电机定子过热 3 对于直接冷却高力率的大型汽轮发电机 其平均异步转矩的最大值较小 惯性常数也相对降低 转子在纵轴和横轴方面 也呈较明显的不对称 由于这些原 因 在重负荷下失磁后 这种发电机转矩 有功功率要发生剧烈的周期性摆动 对于水轮发电机 由于平均异步转矩最大值小 以及转子在纵轴和横轴方面不对称 在 重负荷下失磁运行时 也将出现类似情况 这种情况下 将有很大甚至超过额定值 的电机转矩周期性地作用到发电机的轴系上 并通过定子传递到机座上 此时 转 差也作周期性变化 其最大值可能达到 4 5 发电机周期性地严重超速 这些 情况 都直接威胁着机组的安全 4 失磁运行时 定子端部漏磁增强 将使端部的部件和边段铁芯过热 河南机电高等专科学校毕业设计 8 2 1 4 发电机运行中失磁对发电机本身的影响发电机运行中失磁对发电机本身的影响 发电机失磁后 经过同步振荡进入异步运行状态 发电机在异步运行状态下 以低滑差 s 与电网并列运行 从系统吸取无功功率建立磁场 向系统输送一定的 有功功率 是一种特殊的运行方式 发电机失磁运行有如下现象 1 中央音响信号动作 发电机失磁 光字牌亮 2 转子电流表的指示等于零或接近于零 转子电流表的指示与励磁回路的 通断情况及失磁原因有关 若励磁回路开路 转子电流表指示为零 若励磁绕组 经灭磁电阻或励磁机电枢绕组闭路 或 AVR 励磁机 硅整流装置故障 转子电 流表有指示 但由于励磁绕组回路流过的是交流 失磁后 转子绕组感应出转差 频率的交流 故直流电流表有很小的指示值 3 转子电压表指示异常 在发电机失磁瞬间 转子绕组两端可能产生过电 压 励磁回路高电感而致 若励磁回路开路 则转子电压降至零 若转子绕组两 点接地短路 则转子电压指示降低 转子绕组开路 转子电压指示升高 4 定子电流表指示升高并摆动 升高的原因是由于发电机失磁运行时 既 向系统送出一定的有功功率 又要从系统吸收无功功率以建立机内磁场 且吸收 的无功功率比原来送出的无功功率要大 使定子电流加大 摆动的原因是因为力 矩的交变引起的 发电机失磁后异步运行时 转子上感应出差频交流电流 该电 流产生的单相脉动磁场可以分解为转速相同 方向相反的正向和反向旋转磁场 其中 反向旋转磁场以相对于转子 sn1 的转速逆转子转向旋转 与定子磁场相对 静止 它与定子磁场作用 对转子产生制动作用的异步力矩 另一个正向旋转磁 场 以相对于转子 s 的转速顺转子转向旋转 与定子磁场的相对速度为 2sn1 与定子磁场作用 产生交变的异步力矩 由于电流与力矩成正比 所以力矩的变 化引起电流的脉动 5 定子电压降低且摆动 发电机失磁时 系统向发电机送无功功率 因定 子电流比失磁前增大 故沿回路的电压降增大 导致机端电压下降 电压摆动是 由于定子电流摆动引起的 6 有功功率表指示隆低且摆动 有功功率输出与电磁转矩直接相关 发电 机失磁时由于原动机的转矩大于电磁转矩 转速升高 汽轮机调整器自动关小汽 门 这样 驱动转矩减小 输出的有功功率也减小 直到原动机的驱动转矩与发 电机的异步转矩平衡时 调速器停止动作 发电机的有功输出稳定在小于正常值 的某一数值下运行 摆动的原因也是由于存在交变异步功率造成的 小容量发电机组失磁保护的研究 9 7 无功功率表指示为负值 功率因数表指示进相 发电机失磁进入异步运 行后 相当于一个滑差为 s 的异步发电机 一方面向系统送出有功功率 另一方 面自系统吸收大量的无功功率用于励磁 所以发电机的无功功率表指示负值 功 率因数表指示进相 发电机失磁运行的影响及应用条件 失磁对发电机和电力系统都有不良影 响 在确定发电机能否允许失磁运行时 应考虑这些影响 发电机失磁运行的影 响如下 1 严重的无功功率缺额造成系统电压下降 发电机失磁后 不但不能向系 统输送无功功率 反而从系统吸收无功功率 造成系统无功功率严重缺额 若系 统无功电源不能提供这部分额外的无功功率 则系统电压会显著下降 电压的下 降 不仅影响失磁机组厂用电的安全运行 还可能引起其他发电机的过电流 更 严重的是电压下降 降低了其他机组的功率极限 可能破坏系统的稳定 还可能 因电压崩溃造成系统瓦解 2 对失磁机组的影响 发电机失磁时 使定子电流增大 引起定子绕组温 度升高 失磁运行是发电机进相运行的极端情况 而进相运行将使机端漏磁增加 故会使端部铁芯 构件因损耗增加而发热 温度升高 由于失磁运行 在转子本 体中感应出差频交流电流 差频电流产生损耗而发热 在某些部位 如槽楔与齿 壁之间 护环与本体的搭接处 损耗可能引起转子的局部过热 由于转子的电磁 不对称产生的脉动转矩将引起机组和基础的振动 根据上述不良影响 允许发电机失磁运行的条件是 1 系统有足够的无功电源储备 通过计算 应能确认发电机失磁后能保证 电压不低于额定值的 90 这样才能保证系统的稳定 2 定子电流不超过发电机运行规程所规定的数值 一般不超过额定值的 1 1 倍 3 定子端部各构件的温度不超过允许值 4 转子损耗 对外冷式发电机不超过额定励磁损耗 内冷式发电机不超过 0 5 倍额定励磁损耗 这是因为内冷式转子在正常运行时 励磁绕组的发热量是 由导体内部直接传出 这种结构的转子表面散热面积相对较小 而在异步运行时 转子中的差频电流造成的热流分布不同于正常 转子的热量只有一部分被导体内 的冷却水带走 故转子损耗不能太大 河南机电高等专科学校毕业设计 10 2 2 发电机失磁危害分析发电机失磁危害分析 在电力系统运行中 励磁开关误跳闸 励磁绕组短路或开路 交流励磁电源 消失等等都会引起发电机失磁故障 发电机失磁后 将过渡到异步运行 转子出现转差 定子电流增大 定子电 压下降 有功功率下降 无功功率反向 原为过励运行时 并且增大 在转子回 路中出现差频电流 电力系统的电压下降及某些电源支路过电流 所有这些电气 量的变化 都伴有一定程度的摆动 对电力系统来说 发电机发生励磁或失磁后所产生的危险 主要表现在一下 几个方面 1 低励或失磁的发电机 从电力系统中吸收无功功率 引起地啊你系统的 电压下降 如果电力系统中无功功率储备不足 将使电力系统中临近的某些点的 电压低于允许值 破坏了负荷与各电源间的稳定运行 甚至使电力系统因电压崩 溃而瓦解 2 当一台发电机发生失磁后 由于电压下降 电力系统中的其他发电机 在自动调整励磁装置的作用下 将增加其无功功率输出 从而使某些发电机 变 压器或线路过电流 其后备保护可能因过电流而动作 使故障范围扩大 3 一台发电机低励或失磁后 由于该发电机有功功率的摆动 以及系统电 压的下降 可能导致相邻的正常运行发电机与系统之间或电力系统的各部分之间 失步 使系统产生振荡甩掉大量负荷 4 发电机的额定容量越大 在失磁时 引起的无功功率缺额越大 电力系 统的容量越小 则补偿这一无功功率缺额的能力越小 因此 发电机的单机容量 与电力系统总容量之比越大时 失磁故障对电力系统的不利影响就越严重 对发电机本身来说 低励或失磁产生的不利影响 主要表现在一下几个方面 1 由于出现转差 在发电机转子回路中出现差频电流 差频电流在转子回 路中产生的损耗 如果超出允许值 将使转子过热 2 失磁的发电机进入异步运行之后 发电机的等效电抗降低 从电力系统 中吸收的无功功率增加 低励或失磁前带的有功功率越大 转差就越大 等效电 抗就越小 所吸收的无功功率就越大 在重负荷下失磁后 由于过电流 将使发 电机定子过热 3 低励或失磁运行时 定子端部漏磁增强 将使端部的部件和边段铁芯过 热 小容量发电机组失磁保护的研究 11 2 3 失磁过程分析失磁过程分析 失磁过程中的机端阻抗特性 发电机在失磁过程中 其机端电压和电流将会发生一连串的变化 导致其机 端测量阻抗从 R X 坐标平面的第一象限进入到第四象限 概括来说 发电机的 失磁过程具有以下特点 a 发电机正常运行时向系统送出无功功率 失磁后将从系统吸收大 量无功功率 使机端电压下降 当系统严重缺少无功功率时 可 能使电压低到不允许的数值 以致破坏系统稳定 b 发电机电流增大 失磁前送出的有功功率越多 失磁后电流增大 越多 c 发电机有功功率方向不变 继续向系统送出有功功率 d 发电机极端测量阻抗 失磁前在阻抗平面 R X 坐标第一象限 失 磁后测量阻抗的轨迹沿着等有功阻抗圆进入第四象限 随着失磁 的发展 机端测量阻抗的端点落在静稳极限阻抗圆内 转入异步 运行状态 根据上述特点 可以把发电机的失磁过程划分为 3 个阶段 失磁后到临界失 步前 临界失步状态 失步后到稳定异步运行 1 失磁瞬间 励磁电压减小 定子电动势变小 定子端电压和端电流逐渐 下降 导致电磁转矩下降 而原动机的输出转矩不能立即改变 转轴上存在剩余 转矩 使得转子转速超过同步速 产生滑差 s 失磁后 滑差 s 和功角 o 逐渐增 大 但变化很小 由发电机向系统输出的有功功率和无功功率来看 2 1 到达静稳极限前 发电机输出的无功功率迅速下降并反向 有功功率在初始 阶段有所下降 但由于 s 的存在 失磁发电机将产生滑差电动势 部分补偿了励 磁电压的降低 而且由于 o 的不断增大 使得输出有功功率 P 回升 定子电流也 因 P 增加 U 减小而有所回升 但原动机输出功率 Pm 不能很快改变 P 的增加 河南机电高等专科学校毕业设计 12 使得 Pm P 减小 发电机转子加速变慢 P 和 I 又随之减少 这样 P 和 I 都出现一 定波动 而输出功率 P 只是在原有水平上的很小规模波动 2 到达静稳极限 处于临界失步状态 阻抗轨迹接近静稳边界圆 3 功角o不断变大 超越静稳极限后 发电机将失步进入异步运行阶段 此时从机端观测到的发电机等值阻抗称为异步阻抗 该阻抗是转差 s 的函数 通 常将通过 jXd 2 和 jXd 两点的圆 称为异步边界阻抗圆 失磁过程中的励磁电压变化特性 发电机失磁故障发生在转子回路中 早期的失磁保护判据就是以励磁电压的 极度下降为特性 随着电力系统的发展 出现了许多超高压远距离输电线 他们 具有很大的二相电容 当负荷处于低谷期时 由于输电线的电容电流 使系统电 压过高 发电机被迫减小励磁电压 有时进相运行 此时发电机称为吸收感性无 功的设备 起着调相机的作用 虽然励磁电压较低 但极端电压正常 绝非失磁 故障 因此失磁保护由简单的转子判据发展为定子判据 即根据机端三相电压和 三相电流 用机端阻抗的变化来检测失磁故障 这种利用机端阻抗判据的失磁保 护装置 在并非失磁故障的系统振荡 经过渡电阻发生外部短路等情况下 机端 阻抗有可能进入失磁保护阻抗动作范围内引起误动 为此又增设转子励磁电压最 为辅助判据 与机端阻抗主判据共同判别失磁故障与非失磁故障 小容量发电机组失磁保护的研究 13 第第 3 3 章章 失磁保护的方法失磁保护的方法 3 1 发电机励磁系统的特点发电机励磁系统的特点 发电机励磁系统在发电机稳态或暂态过程中 都直接影响着发电机的特性 优良的励磁系统不仅可以保证高质量的电能 发电机运行的可靠性和稳定性 而 且可以有效地提高发电机及其相关的电力系统的技术经济指标 励磁系统控制系统的数学模型 励磁控制系统构成框图如下图 3 1 所示 由励磁机 发电机 电压测量比较 单元 综合放大单元 功率放大单元等组成 图 3 1 励磁控制系统框图 1 励磁机的传递函数为 3 1 式 3 1 中 Te 为励磁机时间常数 Se 为饱和函数 Ke 由励磁回路电阻和气隙 特性的斜率构成 2 同步发电机的传递函数为 3 2 河南机电高等专科学校毕业设计 14 式 3 2 中 Tg Td 即为发电机空载转子时间常数 Kg 为发电机放大倍数 3 励磁调节器各单元的传递函数 电压测量比较单元传递函数为 3 3 式 3 3 中 Tr 为时间常数 Kr 为放大倍数 综合放大单元传递函数为 3 4 式 3 4 中 Ta 为放大单元的时间常数 Ka 为放大倍数 功率放大单元传递函数为 3 5 式 3 5 中 Tz 1 m f 为最大可能滞后时间常数 m 为整流相数 f 为整流电路 放大倍数 发电机失磁故障类型 发电机的失磁故障分为两种情况 完全失磁和部分失磁 完全失磁指发电机 完全失去励磁电流 部分失磁指发电机的励磁电流异常下降并且降低到静稳极限 所对应的励磁电流一下 导致发电机运行状况受到破坏 励磁故障种类很多 造成励磁异常下降即部分失磁的原因通常是副励磁机回 路的断线或接触器断开 半导体励磁系统部分元件损坏造成自动调节系统或自动 调压器不正常动作 此类故障较普遍 其特点是励磁电流不为零 励磁电压下降 很多 引起完全失磁的原因主要有励磁机或励磁回路断线 滑环故障 主励磁机 回路接触器断开 其特点为 励磁电流为零 失磁瞬间励磁绕组两端感应的转子 小容量发电机组失磁保护的研究 15 反向电压很高 励磁调节系统仅对发生部分失磁故障有调节作用 对于完全短路 和开路的失磁故障 励磁系统则没有调节作用 3 2 阻抗原理的发电机失磁保护阻抗原理的发电机失磁保护 在国内由低阻抗元件及转子低电压元件构成的失磁保护应用较多 该原理采 用阻抗圆为主判据 辅之以其它判据能区分短路 系统振荡 PT 断线等情况并监 视失磁故障对机组和系统的影响 阻抗原理失磁保护的逻辑如图 3 2 图 3 2 阻抗原理失磁保护的逻辑框图 当发电机失磁导致机端阻抗有第一象限进入第四象限时 保护延时 T4 T1 T4 延时主要是防止系统振荡时阻抗元件的误动作 发出信号并出口 如 切换励磁或切换厂用电源等 当发电机失磁导致机端电流超过整定值时 为保 护发电机则延时 T3 发出信号并出口 如降出力 当发电机失磁并导致系统低 电压时 经延时 T2 发出信号并跳闸切机 当发电机阻抗条件和转子低电压条件 同时满足 这种情况的阻抗元件动作可以排除是系统振荡引起的 故取消 T4 延 时 保护则延时 T1 发出信号并出口 如解列灭磁 当 PT 断线时失磁保护被锁 河南机电高等专科学校毕业设计 16 闭 3 3 逆无功原理的发电机失磁保护逆无功原理的发电机失磁保护 3 3 1 构成原理构成原理 发电机失磁及励磁降低至不允许程度的主要标志是逆无功和定子过电流同时 出现 该原理保护的输出量有 发电机机端三相电压 三相电流及主变高压侧三相 电压 保护的判据 并网运行的发电机失磁之后无功很快进相 功角在 90 之前便进相 此时 若发电机维持的有功较大则定子过电流 该原理失磁保护直接反应发电机失磁后 机组从系统吸收无功的程度和定子过电流的情况 又增加了机端低电压 系统低 电压 机组有功功率的判据从而能监视失磁对机组本身和系统的影响 检测发电 机失磁运行的主要判据为逆无功和定子电流 失磁运行的危害判据有系统低电压 机端低电压和有功功率 系统低电压 机端低电压用于判断失磁对系统及厂用电 的影响 有功功率用于判断失磁运行对机组的危害程度 保护中采用判据的物理 概念清晰 容易整定且不受系统运行方式的影响 该保护原理取消了转子电压的 辅助判据 特别适合于无刷励磁的发电机 保护躲系统异常运行的方案 系统异常运行方式主要有系统振荡和系统故障 采用延时元件可躲过系统振 荡对保护的影响 采用负序电压锁闭元件可躲系统故障机故障切除后系统振荡对 保护的影响 3 3 2 逆无功原理失磁保护的原理图逆无功原理失磁保护的原理图 小容量发电机组失磁保护的研究 17 图 3 3 逆无功原理失磁保护逻辑框图 逆天功原理失磁保护的逻辑如图 3 3 发电机失磁后 无功倒流 定子电流 变大 此时逆无功元件 定子过负荷元件 定子过电流元件动作 逆无功元件及过负荷元件动作后 启动时间 T1 开始计时 此时若发电机的 有功功率较大 保护发出减有功指令自动减小发电机有功功率 在装置发出减有 功信号及出口的同时还由 或门 构成一个自保持环节 这是防止发电机失步后由 于电流幅度波动过大导致减有功元件不断返回影响减有功的速度及效果 若逆无功元件 过电流元件及机端低电压元件均动作则经延时T2 发出切换 厂用电及跳灭磁开关的命令 对励磁回路短路造成的失磁 跳灭磁开关可以减小 短路对设备的持续损害同时也利于采取措施将发电机恢复同步 发电机全失磁失 步运行的危害要比部分失磁失步运行的危害小 因此失磁保护动作后跳一次灭磁 开关是必要的 当发电机失磁运行危及电力系统的稳定性时 逆无功元件 定子过电流元件 及系统低电压元件同时动作经延时T3 后发出切机命令 当系统发生故障时会出现负序电压 负序电压元件动作后闭锁失磁保护 且 在故障切除后 失磁保护仍被闭锁T4 时间以确保故障切除后系统短时振荡时失 磁保护不会误动 因为发电机失磁故障是对称性故障所以负序电压闭锁环节对该 保护是有利的 河南机电高等专科学校毕业设计 18 3 4 逆无功原理失磁保护存在的问题逆无功原理失磁保护存在的问题 理论及运行实践表明阻抗原理失磁保护存在一些问题 3 4 1 阻抗元件判据的整定阻抗元件判据的整定 1 当阻抗元件按静稳边界的条件整定时 为防止误动必须由转子低电压元 件闭锁 但是转子低电压元件的动作电压也是按静稳边界确定的 因此当系统出 现问题时两个元件同时误动的可能性是存在的 2 当阻抗元件按异步边界的条件整定时 若失磁发电机维持的有功 与系统 的联系电抗都较大时则等有功阻抗圆距异步边界圆较远 两者可能无交点或相交 部分很小会造成失磁发电机失步前机端阻抗的测量轨迹不会进入异步阻抗圆内 发电机失步之后虽机端测量阻抗轨迹能进入圆内 但由于同步功率的存在 机端 测量阻抗在不断地变化 特别是发电机维持有功很大及部分失磁或剩磁很大时会 使机端测量阻抗变化的幅度很大而造成阻抗值在整定圆内外不停地摆动 由于失 磁保护动作有延时 故保护有拒动的可能性 3 阻抗判据的整定计算内容多又复杂 所需机组和系统的参数多 理论概 念抽象不易理解 3 4 2 失磁保护中采用转子电压判据存在的问题失磁保护中采用转子电压判据存在的问题 1 无刷励磁的发电机无法取得转子电压 2 现代的励磁系统采用可控硅整流 励磁电流中的高次谐波分量很大 特 别是大型发电机转子电压中的高次谐波分量很大 有的高达1 2 kV 这么高的电 压引到保护装置中不利于装置的安全运行 3 转子电压通过电缆引接到保护柜上 人为地增加了转子回路长度容易引 起故障 同时保护柜内的转子电压对人员的安全也不利 4 转子低电压还有二级判据的整定 目前被称作变励磁判据 该判据的动 作电压是按照并网运行发电机的功角等于90 即静稳极限 的条件下算出的 是 一个随有功功率的增大而增大的动态定值 整定计算内容多又复杂 所需机组和 系统参数多 理论概念抽象不易理解 5 保护装置中转子电压值的采集不像交流电量那样容易和精确 在工程上 一般是采用霍尔传感器来转换 因转子电压值变化范围大 其转换精度也不易做 到很高 小容量发电机组失磁保护的研究 19 3 5 微机失磁保护方案微机失磁保护方案 在对现有中小型发电机失磁保护方案不足之处进行分析的基础上 本文提出 了另一种中小型发电机失磁保护方案 在对此保护方案进行介绍之前首先对方案 中的失磁保护判据进行说明 图 3 4 为一种典型的发电机失磁保护方案的逻辑框图 这种保护方案虽然达 到了简化的目的 但存在着不合理之处 如系统低电压判据容易导致发电机失磁 保护的误动作 不采用过功率判据则会造成发电机没必要的停机 对于外部短路 和系统振荡等非低励失磁工况下失磁保护容易误动等 图3 4 典型简化的小型发电机失磁保护逻辑框图 另一种目前典型的中小型发电机失磁保护方案逻辑框图如图 3 5 所示 这种 失磁保护方案配置较合理 但也存在一些问题 例如 有些水轮发电机选择异步 阻抗判据 将造成水轮发电机异步运行 转子低电压判据采用等励磁电压判据 将造成发电机失磁保护容易误动 外部短路 系统振荡以及发电机进相运行等非 低励失磁工况下 机端测量阻抗有可能进入定子阻抗判据的动作区域而使失磁保 护误动等 河南机电高等专科学校毕业设计 20 图 3 5 典型小型发电机失磁保护逻辑框图 3 5 1 定子侧阻抗判据定子侧阻抗判据 定子侧阻抗判据可根据不同情况选择静稳边界阻抗判据还是异步边界阻抗判 据 如果选择静稳边界阻抗判据 可附加直线阻抗判据 直线阻抗判据可防止发 电机进相运行或外部短路时误动作 图 3 6 为定子侧阻抗判据动作特性图 其中 静稳边界阻抗判据与直线阻抗 判据组成的定子阻抗判据动作区为静稳圆内直线 1 和直线 2 下面的扇形区域 直 线 1 与直线 2 与横轴的夹角为 10 15 图 3 6 定子侧阻抗判据 小容量发电机组失磁保护的研究 21 定子阻抗判据的逻辑框图如图 3 7 所示 通过阻抗判据选择控制字选择静稳 边界阻抗判据或异步边界阻抗判据 然后与直线阻抗判据进行逻辑与组成定子侧阻 抗判据 图 3 7 定子阻抗判据逻辑框图 3 5 2 转子低电压判据转子低电压判据 变励磁电压判据根据发电机输出有功功率的变化而改变动作电压的大小 能够 克服等励磁电压判据误动的问题 变励磁电压动作判据为 Uf K P Pt 3 6 式 3 6 中 Uf 为发电机励磁电压 P 为发电机有功功率 Pt 为发电机凸极功 率 K 为变励磁电压判据系数 为使 P Pt 等轻载或空载情况下保护能可靠动作 附加等励磁电压判据 图 3 8 为转子低电压判据动作特性图 图 3 8 转子电压判据动作特性图 3 5 3 负序电流闭锁判据负序电流闭锁判据 当外部发生不对称短路时 机端阻抗曲线有可能进入定子侧阻抗判据的动作 区域 而且短路时 故障电流中的直流分量可在转子中感应出交流励磁电压 可 河南机电高等专科学校毕业设计 22 能使转子低电压保护误动 外部发生不对称故障时 机端电流会产生较大的负序分量 而失磁故障时 产生的负序分量较小 设置负序电流闭锁判据可防止外部发生不对称故障时失磁 保护误动作 负序电流闭锁判据为 I 2 I 2 set 3 8 式 3 8 中 I 2 为负序电流 I 2 set 为负序电流整定值 3 5 4 基于小容量发电机失磁保护方案基于小容量发电机失磁保护方案 依据以上改进后的失磁保护判据 本文提出了另一种中小型发电机失磁保护 方案 其逻辑框图见图 3 9 图 3 9 失磁保护综合判据逻辑框图 图 3 9 中 当定子侧阻抗判据满足且延时 t0 后或转子低电压判据和定子阻抗 小容量发电机组失磁保护的研究 23 判据均满足时 表明发电机已失磁 经延时 t1 发出报警信号 或经延时 t2 后故障 仍未切除 则机组解列 t2 t1 当发电机失磁且系统电压降低到不容许地步时 延时 t3 后解列 当发电机失磁且机端低压判据均满足时 经过延时 t4 切换励磁 当发