浅谈水轮发电机失磁保护.doc

浅谈水轮发电机失磁保护卢明东摘要：本文介绍发电机失磁产生的原因，失磁对水轮发电机组的影响，以及一些通用的失磁保护判据，提出了以检测失磁水轮发电机组转子绕组感应过电压为保护判据的实现及整定方法。关键词：水轮发电机，失磁，励磁系统，保护，整定。Summarize the protection of loss excitation in hydropower generator Abstract：The paper introduces the reason of loss excitation, its effect to hydropower generators, and the general principle of loss excitation protection. It gives the ideal of loss excitation protection of hydropower units by inspecting over-voltage of rotors, then the paper gives an example of how to set parameters. Key words：hydropower generator, loss excitation, excitation system, protection, parameter setting.0 引言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，正常发电运行工况下，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激磁电流突然全部消失或者部分消失。水轮发电机一般不允许失磁运行，否则将危及机组和励磁系统的安全，因此失磁保护必须保证稳定可靠。本文论述了一般保护的工作原理，并提出在励磁系统中实现失磁失步检测的保护方案。1 发电机失磁及其产生原因引起失磁的原因大致有：发电机转子绕组故障、励磁系统故障、自动灭磁开关误跳闸、励磁系统误操作等。对正在并网运行的发电机组而言，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Ed 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，进入失磁失步运行状态。发电机失去励磁后将从并列运行的电力系统中吸取电感性的无功功率供给激磁电流，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(此处ff为对应发电机转速的频率，fs为系统的频率)的电流，此电流产生异步制动转距。另外必须引起注意的是新励磁系统的在投运试验时，由于接线错误，在投运过程中也容易引起失磁。主要原因是将发电机的出口电压互感器PT或电流互感器CT接错，这种情况在现场投运试验时有发生。励磁系统厂家一般都会规定PT和CT的二次电缆的接法，如规定PT为Y/Y-12接法，若将Y/Y-12接成Y/Y-6，则励磁系统调节器测量的有功P和无功Q将与实际功率反向，造成调差极性将改变；若将CT的极性接反，也会造成调差极性改变。发电机组为扩大单元接线时，将调差极性为负的的发电机并网运行，励磁调节器将误调造成机组运行不稳定，若向励磁系统发减磁命令，将造成发电机失磁。2 失磁对发电机的影响对于高转速的隐极式汽轮发电机，当异步转距与汽轮机提供的转距达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行工况。对于水轮发电机，由于一般采用凸极结构，异步转距与水轮机转距很难达到新的平衡，将引起发电机有功和无功的剧烈震荡，发电机转子绕组将产生很高的感应过电压，这种失步现象，若维持时间较长，将给机组造成伤害。 图1 异步发电机等效电路图图1 异步发电机的等效电路图当发电机失磁而后失步时，需要从电力系统吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场，所需的无功功率的大小主要取决于发电机的参数、发电机的功率、以及实际运行时的转差率。水轮发电机与汽轮发电机相比，前者的同步电抗Xd(Xd=X1+Xad)比较小，由异步发电机的等效电路图可知（X1-定子绕组漏抗，X2-转子绕组漏抗Xad-定子与转子绕组之间的互感电抗），失磁时水轮发电机需要比较大的激磁的Iad，所 需的无功功率比较大。而且发电机的转差率S增大时，R2（1-S）/S减小，I1 和I2增大，对应的无功功率也要增大。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。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的摆动，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失步将直接威胁到机组的安全，基本上是不允许发生这种情况的。而汽轮发电机失磁时吸收的无功功率相对同样容量的水轮发电机而言较小，纵轴与横轴也比较对称，当滑差比较小时，不少汽轮发电机允许异步运行。某水电站曾经发生机组失磁，保护没有及时动作，长时间失磁运行，造成发电机定子线棒被毁，转子的感应过电压将励磁系统的灭磁电阻烧黑的情况，电站花了很长的时间很大的代价才将机组修复，恢复发电，失磁给电站造成了巨大的经济损失。目前国内大多数的水轮发电机组励磁系统的灭磁及过电压保护均电阻采用氧化锌非线性电阻，在发电机失磁时，转子绕组中还将产生很高的过电压，若失步维持时间较长，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，将迫使机组及励磁系统停机检修。3 失磁对电力系统的影响发电机失磁会导致发电机失步，若发电机在此工况下运行时，将对电力系统产生以下影响：3.1 发电机失步时需要从电网吸收很大的无功功率。假设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。3.2 发电机失磁时必定限制了发电机的出力，或者将造成发电机停机，影响电厂向电网提供电能，对于容量大的系统中的重要机组而言，失磁将危及电网的安全供电。3.3 由于从电力系统中吸收无功功率将引起系统电压的降低，若系统的容量较小或无功功率储备不足，可能使失磁发电机的机端电压、线路的电压低于允许值，破坏电网的稳定，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。4 现行的发电机失磁保护实现的方式鉴于失磁的巨大危害，水轮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、发电机自同步并列（现在已经基本不用）以及发电机低励磁（同步）运行时不误动。通常失磁保护的实现，有下列一些方式：4.1 灭磁开关联跳保护利用自动灭磁开关常闭接点联跳发电机断路器。这种方式只能保护因灭磁开关误跳闸引起的失磁事故，不能保护其它原因引起的失磁事故。4.2 常规失磁保护装置发电机变压器组保护一般利用失磁后发电机定子参数变化的特点构成失磁保护。如反应于机端测量阻抗由第一象限进入第四象限，无功功率改变方向，机端电压下降，功角增大，励磁电流、电压变化等。目前发电机保护基本采用这种原理。各种判据简单说明如下：4.2.1 定子判据：1异步边界圆： 式中：Xd和Xd为发电机暂态电抗和同步电抗的标幺值，取不饱和值；Ugn和Sgn分别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：式中：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，圆内为失步区。3无功反向判据： 按照躲过发电机的允许进相运行无功整定。 一般可以将无功反向判据和边界圆判据相结合，而且阻抗圆的选取不限制于异步阻抗圆、静稳边界圆，可以选择两种阻抗特性之间的阻抗圆，以兼顾快速性和可靠性。4.2.2 三相同时低电压判据Krel为可靠系数，一般取0.850.9。此判据一般取发电机电压，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。4.2.3 转子电压（电流）判据4.2.3.1 励磁低电压判据：失磁以励磁电压低于额定空载励磁电压Ufd0的0.20.5倍整定。4.2.3.2 变励磁电压判据：原理：与系统并联运行的发电机，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（电流），动作判据为：上式中Kxs为转子电压判据定值，Krel（0.750.85）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，P为发电机当前的功率，Pt为发电机凸极反应功率。上述失磁保护判据，一般有适当的组合，以保证保护的可靠性。5 水轮发电机励磁系统的失磁保护方案由于上述原理及参数整定方法基本上是针对汽轮发电机的，而水轮发电机由于不具备失磁运行的能力，需要保护装置有相当快的反应，尽量减少失磁运行的时间，以保护发电机及励磁系统。另外，随着系统容量的扩大，以上述判据也面临新的问题，如低电压判据的参数整定，因为系统可能可以在单套发电机故障时提供足够的无功功率，机端特别是系统端的电压未必能降到失磁保护区。必须引起注意的是现在有的发变组保护装置厂家技术人员认为：水轮发电机和汽轮发电机的失磁保护没有任何差别，将水轮发电机的失磁保护参数按照汽轮发电机整定方法设置，忽视了水轮发电机不允许失步运行这一点。本人在水电站现场曾多次发现发电机保护装置的失磁保护I段动作时，不发保护停机信号，只发报警信号；保护II段才作用于事故停机，经常造成失磁保护的反应迟缓或拒动。在广东的某水电站，出现发电机失磁时，保护装置I段曾动作，但是II段保护由于有延时，发电机反复进入和退出保护的边界圆，II段保护没有及时动作，发电机失磁运行几分钟，最后导致发电机定子绕组线圈烧毁。 5.1 原理水轮发电机在失磁时而后失步时，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，据此可以实现水轮发电机的失磁保护。由于自并激可控硅静止励磁系统性价比高，在国内大中型水轮发电机组得到普遍采用，转子过电压保护是励磁系统的必备部分。目前，除了少数进口励磁系统采用SiC作为灭磁电阻，国产励磁系统基本都用氧化锌非线性电阻构成灭磁和过电压保护元件。在水轮发电机失磁失步时，励磁系统的转子过电压保护动作，将有电流通过非线性灭磁电阻。发电机并网运行时，通过检测灭磁电阻是否存在这种电流，可以实现对失步的检测。发电机失磁时，励磁回路的微分方程如下：式中：E2为发电机异步运行时的转子感应电势，L为转子回路电感，R0为转子回路电阻，i为回路的交流感应电流，对静止励磁系统而言，当可控硅截止时，的值相当大，转子线圈上将出现极其高的电压，必然导致励磁过电压保护动作。5.2 运用在机组并网运行时励磁系统转子过电压保护动作，可以直接由励磁系统输出事故停机信号，使发电机跳闸停机。过电压保护的整定值一般按照以下原则整定：1、 保护动作值的下限不小于可控硅换相过电压的峰值；2、 根据DL/T 583-1995标准的规定，动作电压的最高瞬时值应低于功率整流桥的最大允许电压，且最大不得超过出厂试验时励磁绕组对地耐压试验电压幅值的70%。某水电站发电机参数如下：容量245MVA，额定电压18KV，额定励磁电压302V，额定励磁电流1567A，该发电机励磁系统的转子过电压保护电压整定值为2000V。 一般说来，励磁系统的灭磁和过电压保护电阻在发电机并网运行时，由于容量限制，不允许长时间通电，否则会损坏灭磁电阻。因此，发电机励磁系统过压保护动作时，发出保护信号停机是合理的，也是必要的。某水电站采用进口励磁系统，在运行过程中曾出现因灭磁开关的常闭触头的间隙过小，转子电压过高时间隙放电，造成SiC回路导通，虽然未导致发电机失步，但最后导致SiC烧毁。6 结束语水轮发电机失磁是危及机组设备安全的严重事故，失磁或失步的快速反应是减少事故损失的必要措施。水轮发电机失磁保护除了采用常规的判据外，还可以采用检测失步时转子过电压的办法。该功能可以由励磁系统来完成，只需对励磁系统调节器程序做小的修改就可以实现，此功能现在已经用于我公司部分水电站励磁系统。解决失磁的问题关键还在于