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摘要：为了确保电力系统及发电机的稳定运行，本文介绍一种新型数字式发电机失磁保护装置的构成及基本原理。
关键词：低励 异步运行 静稳边界 凸极功率
0 导言
发电机发生失磁故障后，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。由此可见发电机失磁故障严重影响大型机组的安全运行。
ARAS2741B数字式发电机失磁保护装置（以下简称装置）主要是用于同步发电机的失磁保护。
1 电气原理分析
本装置由励磁电压检测元件、励磁电压-有功功率元件、阻抗元件、系统电压检测元件、负序电流、负序电压、过电流等元件组成。装置的保护功能方框图如图1所示。 （图片）
图1 装置的保护功能方框图 当励磁电压Ufd降低或励磁电压－有功功率判据Ufd（P）有一个满足时，即发出失磁信号，使得系统管理人员能在发电机失去稳定之前及早采取措施，以免事故扩大。延时tfd和t2的作用是防止外部振荡等情况引起误动作。
当励磁电压降低或励磁电压－有功功率判据与系统低电压（Uhl）判据均满足时，表明失磁已经危及到电力系统的安全，则迅速发出跳闸命令。延时t1是为了防止异步运行时系统电压短时降低而造成误动作。若励磁低电压判据或励磁电压－有功功率判据及阻抗判据得到满足，说明失磁故障已造成失去静稳，故发出失稳信号。
为了防止励磁低电压判据和励磁电压－有功功率判据在转子绕组内部断线时拒绝动作，阻抗元件可经延时单独发出失稳信号，延时t3用于防止系统振荡时测量阻抗进入动作区误发失稳信号。
失稳信号发出后，对于水轮发电机不允许异步运行，故经短延时（tTZ整定为短时间）发出跳闸；对于汽轮发电机，允许失磁后异步运行一段时间，同时监视定子电流，若定子电流大于1.05倍额定电流（该定值可整定），表明平均异步功率超过0.5倍额定功率，发出压出力命令，为发电机继续运行创造条件。稳定异步运行一般允许2～15min（即tTZ＝2～15min），过后再发跳闸命令以保证发电机本身安全。一般取t4=10s。
如果失稳信号发出后，系统低电压元件动作，也将迅速发跳闸命令，以保证系统安全。为了防止在PT断线，系统短路故障，强减励磁，自同期并列及长线充电等异常工况下保护误动作，装置中采取了相应的闭锁措施。
1.1励磁电压检测元件 (等励磁电压判据)
励磁电压检测元件是一个低电压检测元件，当励磁电压满足下式时动作：
Ufd≤(0.2～0.8)Ufd0
Ufd0为空载励磁电压
大多数情况下失磁故障时，Ufd将下降为零或负值，而很多外部短路系统振荡等情况下Ufd有较高的数值。
1.2励磁电压－有功功率元件 (变励磁电压判据Ufd(P))
励磁电压－有功功率元件Ufd（P）检测发电机机端输出的有功功率P和励磁绕组两端的励磁电压Ufd。其整定值Ufd.set自动随P变化。
设发电机失磁初始的有功功率为P，失磁后到静稳边界之间为等有功过程，故达到静稳边界时的有功功率也为P。
汽轮发电机的稳态输出有功功率为：（图片） 水轮发电机的稳态输出有功功率为：（图片） 式中Ux－系统电压
Ed－发电机电势
Xs－系统电抗
XdΣ＝Xd＋Xt＋Xs
XqΣ＝Xq＋Xt＋Xs
Xt－变压器电抗
式(2)中的（图片）为水轮机凸极功率，则式（2）可写为：（图片） 当发电机失磁达到静稳极限边界时，功角δ＝90°由此可得出如下边界方程：
对于汽轮发电机（图片）
对于水轮发电机（图片）
式中：Edj－发电机静稳极限电势
当不计磁路饱和时，发电机的同步电势与励磁电流成正比，而励磁电流与励磁电压成正比，所以同步电势与励磁电压成正比。
设Edj＝K1·Ufdj（Ufdj为极限励磁电压），代入（4）和（5）式中，分别得到下面两个方程：
对于汽轮发电机（图片） 对于水轮发电机（图片） 式中k1可以从发电机空载特性曲线的直线部分得到，不同的机组k1值不同；（图片）相对于不同机组作为定值输入。
由以上分析可知：静稳极限时，励磁电压与输出有功功率之间是线性关系，斜率为K。汽轮发电机的励磁电压－有功功率特性是通过原点的一条直线。水轮发电机机端输出功率中含有凸极功率PT一项，因此水轮机励磁电压－有功功率特性是通过PT的一条直线，如图2所示。直线下方为发电机失步区，也即为保护动作区。励磁电压－有功功率元件的整定值Ufdset就是极限励磁电压Ufdj。它自动按图2中的直线关系随有功功率P变化，因此可得出下列动作判据：
汽轮发电机Ufd≤K·P (8)
水轮发电机Ufd≤K·(P－PT) (9)（图片） （图片）
a) 汽轮发电机 b) 水轮发电机
图2励磁电压-有功功率特性 1.3阻抗元件
阻抗元件作为失磁保护的定子判据是同步发电机中常用的判据，即利用定子回路的参数变化来鉴别发电机的失磁故障。当发电机正常运行时，机端测量阻抗为负载阻抗，当发电机失磁后，随着无功功率输出方向的改变，机端测量阻抗的轨迹由第一象限逐步进入第四象限。进入静稳边界，此时发电机的机械功率与电磁功率失去平衡。一旦进入静稳边界后，发电机将不可避免地进入异步运行状态。在其它条件相同时，失磁前有功功率越大，到达失步所需的时间越短。
当发电机失磁后，功角δ逐渐增大，当δ＝90°时，处于临界失步状态。发电机的机端测量阻抗为：（图片） 由功角特性可知（图片） 在临界失步（即δ＝90°）时，发电机送至系统的无功功率为：（图片） 将式(11)代入式(10)得：（图片） 式(12)是一圆的方程，圆心为（图片）。除发电机电抗外，不同的系统阻抗Xs，变压器电抗Xt决定了阻抗圆的位置和大小。阻抗圆特性如图3所示。
苹果圆形阻抗特性是由两个圆心坐分别为[R0,-jX0]和[-R0,-jX0]两个圆构成，如图4所示。（图片） （图片）
图3阻抗圆特性 图4苹果圆形阻抗特性 系统电压检测元件检测变压器高压侧电压，其动作判据为：U≤(0.5-1.0)Uhn式中Uhn为变压器高压侧额定电压。
发电机失磁以后，发电机从系统中吸收无功功率，引起系统中电压变化，尤其是大容量发电机经长输电线与小系统相联系，发电机的失磁导致系统电压严重下降，系统不能稳定运行，威胁系统安全，此时必须将发电机从系统中切除。
2异常工矿的处理
2.1系统故障
当系统发生不对称短路或系统短路或短路切除后引起振荡时，都伴随有负序分量的出现，而失磁过程中，没有负序分量，因此装置中设有负序分量检测元件和装于A相的电流检测元件用以判别系统的故障。当检测到同时有负序电流和负序电压时闭锁本装置保护出口。当A相的电流超过本装置的整定值时，也闭锁本装置保护出口。
2.2 系统振荡
防止系统振荡导致本装置误动，除了采用负序分量元件外，还采用延时来躲过震荡。振荡时只是周期性的进入阻抗动作区，而不长期停留在动作区内。考虑较长振荡持续时间情况，阻抗元件采用t3=1.5s延时。励磁电压－有功功率元件采用t2=0.35s延时。
2.3 强减励磁
如果测量到机端电压高于本装置的给定定值时，而励磁电压低于本装置的给定定值，则确认为是强减励磁工况。闭锁本装置保护出口。
2.4 长线充电
发电机对长线充电进行零起升压实验时，机端测量阻抗是容性阻抗，线路越长，阻抗的绝对值越小，越易误动，实验表明，线路电压等级越高，机组容量越小时，误动的可能性越大，装置采用开入量的方法闭锁保护。
2.5 自同期
自同期并列，是把转差|S|<0.1，未加励磁的发电机投入系统，当出口断路器合闸后，立即合灭磁开关，给上励磁，把发电机拉入同步，因而自同期过程是失磁的逆过程。当合上出口断路器之后，机端测量阻抗的端点位于异步阻抗圆内，使装置误动，因此本装置采用开入量的方法来闭锁保护。
当长线充电或自同期开入任一条件满足时，发同期充电数字信号。
2.6 PT、CT断线
PT断线时，阻抗变小，导致阻抗元件误动，励磁电压－有功功率元件中有功功率受到影响，功率减小，不会误动，因此，PT断线闭锁主要是对阻抗元件而言。机端PT断线判断采用负序分量的方法，计算机端电压，电流的负序分量，当负序电压大于本装置的给定值，而负序电流小于本装置的定值时，认为PT断线，发信号，并闭锁阻抗元件。
当负序电压小于给定值，而负序电流大于定值时，认为CT断线。
3结束语
1991年颁布的《继电保护和安全自动装置技术规程》明确指出“100MW以下，但失磁对电力系统有重大影响的发电机和100MW及以上发电机，应装设专用的失磁保护。对600MW的发电机可装设双重化的失磁保护”。由此可见，这种保护的重要性。
【参考资料】
[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.中国电力出版社,1996
[2]王广延.电力系统继电保护原理与运行分析.中国电力出版社
8/21/2005
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