电厂发电机失磁保护对策研究

电厂发电机失磁保护对策研究

郑一凡

马鞍山当涂发电有限公司，安徽省马鞍山市， 243000

摘要：随着火力发电机组容量的不断增加，其励磁系统功能同样在持续完善，加之集成智能控制技术的使用，使得火力发电机组的自动化水平显著提升。高度自动化的励磁系统显著提升了火力发电机组自动化控制水平，但其结构非常复杂客观上加大了火力发电机组低励或失磁故障的发生概率。据统计，因失磁造成的发电机故障占据全部故障的60%以上。针对600MW发电机组应该设置专门的失磁保护。发电机失磁保护的相关判据、闭锁方式、出口方式较多，相应的失磁保护配置方案种类最多，最为复杂。繁杂的失磁保护配置方案影响到发电机机组的运行安全，带来较大的安全隐患。基于此，文中探讨了更加规范的失磁保护配置方案，以供同行参考。

关键词：电厂；发电机；失磁保护；配置方案

引言

发电机失磁故障是指发电机的励磁由于转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障及误操作等原因突然全部消失或者部分消失的情况。

1发电机失磁保护动作的分析

1.1低阻抗判据Z＜

低阻抗判据Z＜反映的是发电机机端的感受阻抗，如果感受阻抗在阻抗圆范围内，作出保护动作。失磁保护阻抗圆通常包括异步圆、静稳边界圆以及介于它们之间的苹果圆。发电机一旦出现低励、失磁故障，往往首先经过静稳边界，再进入异步边界。因此，前者比后者更加灵敏。而静稳边界圆包含第一、二象限动作区，如果在进相运行时进相比较深就有一定几率发生误动。静稳边界圆和纵轴存在A、B两各焦点，其中点A为系统阻抗Xs,点B为同步阻抗Xd。在进行整定计算时系统阻抗Xs会随机采用最大运行方式、最小运行方式下对应的阻抗值，同步阻抗Xd的取值可能为确保可以进行可靠动作而乘以系数K。如果发电机组不以进相运行作为正常运行状态，那么使用上述整定计算方法保护均不会发生误动作。反之，则需要考虑进相运行的影响，以有效避免误动作。

1.2系统低电压判据

系统低电压判据Um＜反映了电厂高压侧母线三相同时低电压，主要作用是防止失磁故障导致无功储备短缺，进而造成系统电压崩溃。系统低电压判据Um＜在电厂高压侧母线容量相对较小，与电厂联系较弱或系统无功储备不足的情况下可以可靠动作。而这类情况通常发生于坑口火电厂建设初期。高压侧母线的三相电压下降太多会严重威胁到系统运行的稳定性，因此，必须做到迅速跳闸。当火电成建设完毕后通常会以发电机组的方式运行，在此情况下其中一台发电机失磁一般不会使高压侧母线电压Um降低到整定值以下，系统低电压判据Um＜通常不会动作。基于此，在设计失磁保护逻辑回路时，应该设计为在满足其他判据的情况下，如果不满足系统低电压判据Um＜，则需要经过一段时间后跳闸；如果也满足系统低电压判据Um＜，则迅速跳闸。

2失磁动作原因的初步分析与排除

发电机失磁指发电机正常运行下，励磁系统调节异常或故障使励磁电压异常降低或消失，从而导致发电机与系统间失步。根据现场运行情况，可能出现失磁原因有以下4种。

（1）发电机转子清扫后，发电机振动增大引起碳刷打火，碳刷夹多处频繁断裂。

（2）定值变更后，定值计算错误。

（3）励磁调节系统已使用多年，存在一定故障的可能性。

（4）微机继电保护装置已使用多年，存在一定故障的可能性。

基于上述原因，通过改善发电机振动，减少碳刷打火、碳刷夹断裂情况，请设计院重新计算保护定值、励磁系统进行各项运行检查试验、微机继电保护装置进行试验后，失磁动作仍然未消除。重新梳理发生失磁动作时的系统运行情况，根据现场运行人员提供没有更换变压器以前偶尔也会失磁动作，只是比较少，每次重新开机又可以正常使用一段时间，再通过分析失磁动作时无功变化，发现其中规律，发电机高负荷运行时与系统内有大功率电动机启动时容易发生失磁。根据这种现象，初步判断为微机继电保护方面出现问题，但问题具体出在哪？进行了进一步的分析。

3发电机失磁保护配置方案研究

3.1失磁保护配置方案的特点

变励磁电压判据Ufd(P)反映的是励磁电压，直观地反映全部的低励、失磁故障；该判据灵敏度最高，动作也最迅速，是本文所述的几个判据中唯一能够精准可靠地反映发电机低励故障的判据。因此，本文研究的失磁保护配置方案采用变励磁电压判据Ufd(P)，通过发信、减出力或切换励磁的方式使励磁恢复正常，它同时也是跳闸的必要条件。发电机失磁保护的三个主判据的灵敏度排列顺序按照降序排列为转子低电压Ufd(P)、阻抗圆Z＜、系统低电压Um＜。考虑到系统低电压Um＜在很多工况下无法可靠地作出动作，因此不应该将其作为跳闸出口必要条件，只将其作为加速跳闸因素。本文研究的失磁保护配置方案将转子低电压判据“与”阻抗圆Z＜判据，经过一定的延时t3出口跳闸；如果同时满足系统低电压判据Um＜，则反映出无功储备不足，在此情况下，不经过延时t3，而经过较短延时t2出口跳闸。该方案比较复杂主要用于大型机组以及系统中的关键机组。在实践中，应该尽量简化失磁保护配置方案，如对于和系统联系密切的电厂可以去掉系统低电压Um＜判据，对于系统影响不大的机组可以只采用阻抗圆Z＜判据。

3.2与其他失磁保护配置方案的对比分析

现阶段的失磁保护配置方案较多，不少于20种，但这些方案的主判据基本上都采用上文所述的几种判据，它们的区别主要在于失磁保护逻辑组合与闭锁方式。除了本文研究的失磁保护配置方案之外，现阶段广泛应用于大型火电发电机组的失磁保护配置方案还有静稳边界圆发信、异步圆跳闸、低励失磁保护等。低励失磁保护方案主要考虑到转子低电压判据灵敏度太高，容易产生误动。静稳圆与异步圆的方案原理基本一致，反映的都是机端感受阻抗，只不过静稳边界圆相对异步圆的灵敏度更高，其动作速度也更快。假如采用静稳边界圆发信再到减出力或采取措施就很难让励磁恢复正常，停机事故难以避免。此外，静稳圆、异步圆均采用定子侧判据，可靠性不足。而转子侧判据是最直接的，任何低励失磁故障均先来自转子侧再影响定子侧最后波及系统侧。

结语

发电机正常运行时发生失磁现象，会对发电机本身、机组安全以及电网系统造成较大影响，有效避免运行机组发生失磁事件是专业技术人员必须面临和解决的技术问题。一方面从励磁装置的选型、一、二次回路备件的使用进行把关和审核；另一方面要对励磁系统改造后的进行全面检查和定期的性能试验，满足生产现场的设备性能要求。

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