失磁保护在发电机出现逆功率时的动作分析-中试控股

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失磁保护在发电机出现逆功率时的动作分析

时间：2021-06-15

在100MW以上机组一般都装设失磁保护，目前失磁保护的构成原理大致有两种，一种是UL-P原理失磁保护，另一种是阻抗圆原理失磁保护。发电机出现失磁时，将造成系统电压下降，也可能造成系统其它发电机过电流，同时发电机失磁后也可能造成发电机自身转子局部过热和剧烈振动。因此失磁保护在发电机各种运行工况下的正确动作对于发电机的安全运行以及系统的安全稳定都有重要意义。

1 UL-P原理失磁保护基本原理
UL-P元件是以发电机的静稳极限为动作边界。判定静稳边界由有功功率P与空载电势EL决定，虽然在派克标么值系统，励磁电压基值取空载励磁电压，有Ue=E0，但在发电机失磁或低励时，UL很可能迅速下降到对应静稳极限的整定值以下，然而E0的衰减比较慢，UL-P元件动作并不代表发电机已达到静稳极限，这种保护超前动作，这是UL-P元件的最大优点，但当系统振荡，有功功率及励磁电压都要发生波动，有可能进入动作区。
汽轮发电机UL-P元件动作特性如下图1所示，在UL-P坐标平面上的动作特性通过坐标原点，近似为一条直线。
UL-P元件的动作判据为：UL≤KP　　（1）
式（1）中UL为转子电压；P为发电机送出的有功功率；K为斜率。
α=arctgK=arctg（XdΣULO/SN）
式中 XdΣ—以发电机额定值为基准值的标么值，XdΣ=Xd+XS；XS为与发电机联系的系统电抗，标么值；ULO为发电机空载励磁电压，V；SN为发电机额定视在功率，MVA。

2 阻抗圆失磁保护基本原理
阻抗圆失磁保护一般由静稳阻抗圆和失步阻抗圆两种方式，下面仅从物理概念做出静稳阻抗圆，失步阻抗圆不论述。系统联系电抗为XS，发电机同步电抗为Xd，由于发电机尚处于静态稳定的边界，所以发电机还没有失去同步，由机端向发电机观测到的参数应是jXs、-jXd两点为直径作圆，如下图2。
系统外部经过电阻发生不对称短路、系统振荡以及TV电压回路断线时，阻抗圆失磁保护都有可能误动作。
3 失磁保护出口构成方案
由于UL-P原理失磁保护、阻抗圆失磁保护都有各自的缺陷，因此目前发电机失磁保护构成方案都是由以上两原理保护加以其它条件共同构成的。现以微机式发变组保护中的失磁保护普及应用的失磁保护方案为例，框图如下图3。
UL-P判据、静稳阻抗判据均检测静稳边界，可预测发电机是否因失磁而失去稳定。失磁信号由变励磁电压判据经延时t1产生。发生低励失磁故障，使UL-P判据，静稳阻抗判据同时满足，若此时系统电压低于定值经较短延时t2发出跳闸指令。对于多机系统单台机发低励失磁，不能使系统电压降低时，经较长时限t3 跳闸。
由上述论述可知，为了使失磁保护能够在各种工况下都能正确动作，UL-P判据，静稳阻抗判据都要应用到各种典型失磁保护构成方案的，因此UL-P判据、静稳阻抗圆判据失磁保护能否在发电机各种运行工况下都能正确动作，对整套失磁保护的正确动作都是至关重要的。

4 发电机逆功率下失磁保护动作情况分析
讨论这个问题，仍将失磁保护分阻抗圆、UL-P两种原理的保护来进行。对于阻抗圆原理的失磁保护，从前述已经可以看出，发电机处于电动机状态下失磁，发电机的阻抗参数可以进入动作区，不会影响失磁保护的动作。
下面重点论述UL-P原理的失磁保护在发电机处于电动机运行工况下的动作情况，前述UL-P判据原理失磁保护的动作特性如上图1，可以看出整个动作区是在第一象限，也就是说只有发电机处于发电状态下的失磁，失磁保护才能动作，同时UL-P判据原理的失磁保护的动作区整定也是以发电机处于发电状态下给出的。发电机运行工况除了发电机状态外，还有可能出现逆功率即电动机运行状态，发电机处于电动机运行状态，同时发电机又失磁了，上面论述的UL-P判据原理的失磁保护在这种发电机运行工况下将不能动作。而发电机出现这种特殊运行工况，失磁保护应该动作。首先，发电机在电动机状态下失磁，发电机相当于一个纯粹的的异步电动机（功率为5%左右发电机自身功率），虽然从系统吸收的有功、无功都不多，但对系统、对发电机本身已经没有任何好处，应尽快予以切除。其次，如果失磁保护不动作，对于事故分析、事故处理也不利，由于失磁保护不动作，在事故分析中很容易错过发电机励磁系统的缺陷，而着重对发电机逆功率原因进行分析，容易延误事故处理。因此UL-P判据原理的失磁保护应该在原理上进行改进，以适应发电机这种特殊工况下对失磁保护的要求。具体改进方法如下：UL-P判据原理失磁保护的整个动作区延伸到第一、二象限，如下图4所示。
对于失磁保护第一象限的整定原则如前所述相同，对于失磁保护第二象限的整定，考虑发电机在电动机状态下失磁，发电机相当于一个纯粹的功率为10%左右发电机自身功率的异步电动机，UL-P元件的动作判据为：UL≤K1P　　（3）
式（3）中UL为转子电压；P为发电机送出的有功功率； K1为斜率。
式（4）中 XdΣ为以发电机额定值为基准值的标么值，XdΣ=Xd+XS；XS为与发电机联系的系统电抗，标么值；ULO为发电机空载励磁电压，V；SN为发电机额定视在功率，MVA。
5 结论
通过上述讨论,可以得出以下结论,首先阻抗圆原理的失磁保护在发电机处于逆功率运行状态下失磁，可以正确动作；其次，传统UL-P原理的失磁保护在发电机处于逆功率运行状态下失磁，将拒动，通过原理改进，可以实现正确动作。