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。

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图1 发电机与无限大系统并列运行

图中，Ed为发电机的同步电势，Uf为发电机机端相电压，Us为无穷大系统相电压，

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

有XXdXs ，为受端的功率因数角，为Ed与Us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WPjQ，则

PEdUssin （1） X2EUU（2） QdscossXX

功率因数角为

tan1Q （3） P在正常运行时，900。900为稳定运行极限，900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

ZfUfUsIjXsUsjXs IIIUˆPjQ，则 带入公式IsZfUsUUUPjQPjQjXssjXs(sjXs)sej2（4）

2PPjQ2P2PI

222UU式中，Us、P、Xs为常数，此方程表示一个以(sXs)为圆心，s为半径的圆，如

2P2P图2所示，此圆又称为等有功组抗圆。

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222

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发电机失磁以前，向系统送出无功功率，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，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900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

U（5） QsX

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

2Zf带入（5）式，则

UfUsUsjXs(1ej2Q)jXs

j2QII2ZfjXdXs2jXdXs2ej2

（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，XdXs2）为圆心，

XdXs2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。

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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X1为定子绕组漏抗，X2为转子绕组漏抗，R2为转子绕组电阻，Sfsf为转差率；fsR(1S)为反映发电机功率大小的等效电阻；Xad为定子绕组与转子绕组之间的互感电S抗。

图4 异步发电机的等效电路图

机端测量阻抗为

ZfR2jX2)S[jX1]（7） R2j(XadX2)S

jXad(R2，此时机端测量阻抗最大， S当发电机空载失磁时，S0，

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4

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ZfjX1jXadjXd

当f时，S，

R20，Zf的数值为最小， SX2XadjXd

X2XadZfjX1j其中，Xd、Xd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

R22jX(jX)ad2XadS jX1j(X1Xad)RR22j(XadX2)j(XadX2)SSZf1j2XadX2XadXad (XX)(X)jad11XadX22(XadX2)R2j(XadX2)22S其中，X1XadXd，X1XadX2Xd，带入上式

XadX22Zfj1(Xd2Xad2(XadX2)Xd)j1j

R22(XadX2)j(XadX2)SR2j(XX)ad2SXd)

R2j(XX)ad2Sj11(XdXd)j(Xd22 j11(XdXd)j(XdXd)e2 （8） 221式中， tanXadX2 R2s1(XdXd)2由式（8）可知，随着s的变化，发电机机端测量阻抗Zf为复平面内以j。

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1为圆心，(XdXd)为半径的圆。如图5所示，此圆称作异步阻抗圆。

2

图5 发电机异步阻抗圆

综上所述，当一台发电机失磁前在过励磁状态下运行时，其机端测量阻抗位于复平面的第一象限，失磁以后，测量阻抗沿着等有功阻抗圆向第四象限移动。当它与临界失步圆相交时，表明机组运行处于静稳定极限。越过此点后，发电机转入异步运行。其运行轨迹如图6中所示。

图6 发电机机端测量阻抗在失磁后的变化轨迹

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6

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2.2凸极式发电机

水轮发电机一般为凸极式，其XdXq,有功、无功的表达式如下：

EUU11Pqssins()sin2 （9）

Xd2XqXd

2EUU112QqscossUs()sin2 （10）

XdXdXqXd

功率因数角为

tan11. 失磁后到失步前

与汽轮机一样，在失磁后到失步前的阶段中，Eq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由正值转变为负值，发电机由发出有功功率转变为吸收有功功率。

此时发电机机端测量阻抗为：

2Q （11） PZfUfUsIjXsUsjXs IIIPjQ，则 带入公式IUˆsZfUsUUUPjQpjQ（12） jXssjXs(sjXs)sej2

2PpjQ2P2PI222由此方程看出，水轮机在正常运行到失步前的阶段中，其测量阻抗与汽轮机相同,如图2，

UU是以（s，Xs）为圆心，s为半径的圆。

2P2P2. 临界失步点

对水轮机而言，为求出静稳极限点，对（10）式进行求导，使

22EUdP112qscosUs()cos20 （13） dXdXqXd。

7

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此时，发电机机端测量阻抗为

ZfUfUsUsjXsjXs （14）

pjQII2式（9）（10）（13）（14）描述了一个发电机机端测量阻抗Zf随变量变化的方程，使用MATLAB软件在复平面内绘制Zf轨迹，可以得到一个如图7所示的滴状轨迹图，即为水轮发电机临界失步曲线，圆内为失步区。

图7 发电机机端测量阻抗在失磁后的变化轨迹

3. 失步后的异步运行状态

水轮机异步运行时机端测量阻抗变化如图5所示，也是复平面内以j1为圆心，(XdXd)为半径的圆。

21(XdXd)2当水轮发电机正常运行时，其机端测量阻抗位于复平面的第一象限，失磁以后，测量阻抗沿着等有功阻抗圆向第四象限移动。当它与静态边界曲线（图7滴状曲线）相交时，表明机组运行处于静稳定极限。越过此点后，发电机转入异步运行。

3 RCS985系列发变组失磁保护判据

RCS985系列发变组失磁保护由以下三个判据组成，三个条件同时满足，并且相应压板投入后，失磁保护才会动作。

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（1） 低电压判据 （2） 定子侧阻抗判据 （3） 转子侧判据

3.1低电压判据

发电机失磁后，由于转子励磁减小，造成发电机机端三相电压急剧下降。低电压判据为反映机端电压下降而设置。

低电压判据一般取母线三相电压，也可以选择机端三相电压。TV断线时闭锁本判据。三相同时低压判据：

UPPUlezd

3.2定子侧阻抗判据

RCS985系列水轮机保护定值描述了异步阻抗圆（图5）、滴状静稳阻抗图（图7）两个曲线，用以规定发电机定子侧阻抗轨迹变化范围。当定子侧阻抗进入任一个圆内，失磁保护定子阻抗元件就启动。

由于失磁后发电机由发出无功功率转变为吸收无功功率，而水轮机滴状静稳阻抗曲线（图7）包含了发电机发出无功的情形。因此需要辅助以无功反向判据：

QQzd

为防止机端短路时，机端电压太低或负序分量过多，造成阻抗继电器误动，可按需求增加以下辅助判据：

（1） 正序电压>=6V；

（2） 负序电压U2<=0.1Un（发电机额定电压）； （3） 发电机电流>=0.1Ie（发电机额定电流）。

3.3转子侧判据

转子侧判据包括转子低电压判据与发电机的变励磁电压判据。两个判据任一个满足，并且转子判据控制字投入，则转子侧判据启动。

（1） 转子低电压判据

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当发电机转子励磁电压Ur突然下降到0或者幅值，励磁电压判据迅速动作，可在发电机抵达静稳极限之前动作。该判据为：

UrUrlzd

（2） 发电机变励磁电压判据

当发电机低励或者发生失磁故障时，Ur逐渐下降到0或者减至某一值，变励磁低电压动作。该判据为：

UrKrel*Xd*(PPt)*Uf0

式中，XdXdXs，Xd为发电机同步电抗标幺值，Xs为系统联系电抗标幺值； P为发电机输出功率标幺值； Pt为发电机凸极功率幅值标幺值； Uf0为发电机励磁空载额定电压有名值； Krel为可靠系数。

Ur静稳极限励磁电压判据动作区0PtP

图8 发电机变励磁电压判据

对于汽轮机，当励磁电压Ur下降为零时，Ed也变为零，由式（1）知，此时P=0，因此变励磁电压判据为一条过原点的直线。对于水轮机，当励磁电压Ur下降为零时，由于水轮机交直轴电枢反应电抗的不同，仍然会有一部分凸极功率Pt存在，若Us取标幺值1，sin21，则由式（9）可知，凸极功率Pt0.5*(1Xq1Xd)。如图8

所示，水轮机变励磁电压判据为（Ur，P）平面内过（0，Pt）的一条直线。

发电机变励磁电压判据事实上可以表述为，当发电机提供的励磁电压跟不上发电机有功功率的变化时，就表现为失磁，此时（Ur，P）点落Ur-P平面内的动作区内。

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4 RCS985系列发变组失磁保护出口逻辑

RCS985系列发变组失磁保护出口逻辑由本文第三节所介绍的三个判据组成，共配置三段，可按需求整定为告警或者跳闸。

（1） 失磁保护I段

（2） 失磁保护II段

（3） 失磁保护III段

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参 考 文 献

[1] 天津大学贺家李、宋从矩.电力系统继电保护原理第三版.北京：中国电力出版社，1994.10.

[2] 李宁、李丰顺.同步电动机的失磁保护.煤矿机电.2010年第3期.

[3] RCS-985系列大型水轮发电机变压器成套保护装置技术说明书. ZL_YJBH2002.0803.南京南瑞继保电气有限公司.2008年02月.

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