國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院泰山校區(qū) 高 原

1.引言

近年來(lái)，隨著全國(guó)電力系統(tǒng)單機(jī)容量的不斷增大，大型發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。勵(lì)磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其能否正常運(yùn)行會(huì)對(duì)機(jī)組乃至整個(gè)電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。由于發(fā)電機(jī)失磁對(duì)電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身都會(huì)造成嚴(yán)重危害，特別是水輪發(fā)電機(jī)不允許失磁異步運(yùn)行。為保證電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的安全，必須裝設(shè)失磁保護(hù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)失磁故障并采取必要措施。因此，加強(qiáng)對(duì)失磁保護(hù)的研究是非常必要的。常規(guī)的失磁保護(hù)判據(jù)存在一定延時(shí)，保護(hù)速動(dòng)性差，且存在較大的誤動(dòng)可能，因此有必要對(duì)失磁保護(hù)進(jìn)行詳細(xì)分析進(jìn)而得出一種新的原理和判據(jù)。

2.發(fā)電機(jī)失磁概述

2.1 發(fā)電機(jī)失磁的原因

同步發(fā)電機(jī)在正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，一方面向系統(tǒng)輸出有功功率，另一方面根據(jù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性需要，還要在勵(lì)磁裝置作用下向系統(tǒng)輸出一定的感性無(wú)功功率，這是電力系統(tǒng)一項(xiàng)重要、優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)的無(wú)功電源[1]。但同步發(fā)電機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路一部分元件處于高速旋轉(zhuǎn)之中。對(duì)于常規(guī)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，由于勵(lì)磁機(jī)定子繞組斷線(xiàn)，整流子、滑環(huán)損壞，碳刷斷落，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路斷線(xiàn)，滅磁開(kāi)關(guān)誤動(dòng)等原因，特別是對(duì)于現(xiàn)在普遍推廣使用的半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)，由于勵(lì)磁功率回路發(fā)生整流變壓器故障、變壓器高、低壓側(cè)熔斷器熔斷、整流二極管燒毀以及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器個(gè)別元件故障，均可引起發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大幅度減小，甚至為零，稱(chēng)之為所謂的“失磁”。[2、3、4]

2.2 發(fā)電機(jī)失磁過(guò)程分析

在失磁初始階段，勵(lì)磁電壓突然減小，定子電動(dòng)勢(shì)相應(yīng)減小，定子端電壓和電流隨之逐漸減小，滑差和功角則由于機(jī)械慣性變化很小，必然使發(fā)電機(jī)輸出有功功率和無(wú)功功率降低。失磁后，勵(lì)磁電流將逐漸衰減至零，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)隨著勵(lì)磁電流的減小而減小，電磁轉(zhuǎn)矩將小于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子加速使發(fā)電機(jī)的功角增大。當(dāng)功角超過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定極限角時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機(jī)失磁后將從系統(tǒng)中吸取感性無(wú)功供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)，定子電流增大，定子電壓降低，有功功率降低，無(wú)功功率反向并且逐漸增大，在轉(zhuǎn)子回路出現(xiàn)差頻電流，使電力系統(tǒng)電壓下降及某些電源支路過(guò)電流，發(fā)電機(jī)的各電氣量不斷擺動(dòng)，進(jìn)而威脅發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。[5]

圖1 失磁保護(hù)的原理圖

2.3 發(fā)電機(jī)失磁的危害

(1)發(fā)電機(jī)失磁后處于異步運(yùn)行狀態(tài)，其吸收系統(tǒng)無(wú)功向系統(tǒng)輸送一定的有功，相當(dāng)于進(jìn)相運(yùn)行。發(fā)電機(jī)端電壓及系統(tǒng)電壓降低，甚至可能引起系統(tǒng)電壓崩潰。

(2)發(fā)電機(jī)定子電流增大，這對(duì)定子繞組發(fā)熱將有不良影響。另外，失磁時(shí)的異步運(yùn)行與欠勵(lì)磁時(shí)的進(jìn)相運(yùn)行類(lèi)似，還會(huì)引起端部漏磁增大，使定子端部鐵心迭片和結(jié)構(gòu)部件過(guò)熱，不利于機(jī)組的絕緣和安全。

(3)失磁后在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，為了維持穩(wěn)定的異步運(yùn)行，勵(lì)磁功率及轉(zhuǎn)子損耗將會(huì)增大，造成轉(zhuǎn)子局部過(guò)熱。

(4)對(duì)于直接冷卻高利用的大型汽輪發(fā)電機(jī)，在重負(fù)荷下失磁后，其轉(zhuǎn)矩、有功功率要發(fā)生劇烈的周期性擺動(dòng)，將有很大甚至超過(guò)額定值的電磁轉(zhuǎn)矩周期性作用到發(fā)電機(jī)軸系上，并通過(guò)定子傳遞到機(jī)座上。此時(shí)，轉(zhuǎn)差也將作周期性變化，發(fā)電機(jī)周期性嚴(yán)重超速，這些情況都威脅著機(jī)組的安全。

3.發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的構(gòu)成

3.1 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的判據(jù)

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)應(yīng)該能夠反映發(fā)電機(jī)的失磁故障，而在發(fā)電機(jī)外部故障、電力系統(tǒng)振蕩、發(fā)電機(jī)自同期并列以及發(fā)電機(jī)低勵(lì)磁(同步)運(yùn)行時(shí)不應(yīng)誤動(dòng)。目前，國(guó)內(nèi)比較普遍的失磁保護(hù)的判據(jù)有無(wú)功功率方向改變判據(jù)(逆無(wú)功)、靜穩(wěn)邊界阻抗圓判據(jù)以及異步邊界阻抗圓判據(jù)三種[5]。但是在振蕩、短路、長(zhǎng)線(xiàn)充電、電壓回路斷線(xiàn)、自同步運(yùn)行等異常情況時(shí)都存在誤動(dòng)的可能，需要借助其他特征量作為輔助判據(jù)，以便保證動(dòng)作的選擇性。其他特征量主要包括勵(lì)磁電壓下降、沒(méi)負(fù)序分量、無(wú)功功率方向改變等?，F(xiàn)實(shí)中一般采用兩種或兩種以上的閉鎖方式作為失磁保護(hù)的輔助判據(jù)。目前主要采用延時(shí)的方式來(lái)躲過(guò)系統(tǒng)振蕩對(duì)保護(hù)的影響，但這種方式使保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間變長(zhǎng)了，犧牲了保護(hù)的速動(dòng)性。為此考慮研究失磁和振蕩的差別，從本質(zhì)上區(qū)別兩者的不同，來(lái)防止保護(hù)誤動(dòng)。通過(guò)參考文獻(xiàn)[6]應(yīng)用Matalab軟件對(duì)失磁故障的仿真，為實(shí)現(xiàn)可靠的失磁保護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。

發(fā)電機(jī)失磁后參數(shù)的變化隨失磁方式的不同而不同。分析比較各種失磁仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)開(kāi)路失磁時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流最先下降到接近零值，機(jī)組最先進(jìn)相運(yùn)行，轉(zhuǎn)子的過(guò)渡過(guò)程最短，最先進(jìn)入穩(wěn)態(tài)失磁異步運(yùn)行狀態(tài)，以后依次為部分短路失磁、經(jīng)滅磁電阻短路失磁和直接短路失磁情況。

(2)在各種失磁故障中，直接短路失磁故障的暫態(tài)過(guò)程最慢，但機(jī)端定子電壓、電流幅值，無(wú)功、有功功率和轉(zhuǎn)差等量的波動(dòng)范圍最大；開(kāi)路失磁導(dǎo)致的定子電流上升及電壓下降的幅度最小，轉(zhuǎn)差變化也比較平穩(wěn)。因此經(jīng)滅磁電阻閉合短路失磁是危害最小的，最適合發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的情況。

(3)分析各種故障頻率變化特性發(fā)現(xiàn)：對(duì)于發(fā)電機(jī)直接短路失磁和經(jīng)滅磁電阻閉合短路失磁故障，定子電流、電壓及其無(wú)功、有功功率波形脈動(dòng)頻率相同，且是勵(lì)磁電流波動(dòng)頻率的兩倍；部分失磁故障時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流中除了交流分量外，還有直流分量，其頻率特性要復(fù)雜些。

以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組直接短路為例，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組短路失磁時(shí)，勵(lì)磁電壓立即降為零，并保持不變；系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓周期性擺動(dòng)。從中得出新的判據(jù)為：以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓為零時(shí)起觀察一最大振蕩周期時(shí)間T，若在此時(shí)間內(nèi)勵(lì)磁電壓始終為負(fù)或零，則判斷為失磁故障。采用負(fù)序電壓閉鎖元件可躲過(guò)系統(tǒng)故障及故障切除后系統(tǒng)振蕩對(duì)保護(hù)的影響。采用TV斷線(xiàn)檢測(cè)元件可防止TV斷線(xiàn)導(dǎo)致的失磁保護(hù)誤動(dòng)的發(fā)生。主要判據(jù)采用異步邊界阻抗圓判據(jù)，該判據(jù)不會(huì)出現(xiàn)外部短路故障而導(dǎo)致失磁保護(hù)誤動(dòng)作，不需加入機(jī)端電壓輔助判據(jù)及轉(zhuǎn)子電壓閉鎖元件，保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性高。

3.2 失磁保護(hù)原理框架圖

由以上分析可知，本文的配置方案采用一個(gè)異步邊界阻抗圓判據(jù)為主判據(jù)，加上新的電壓判據(jù)和負(fù)序電壓閉鎖判據(jù)以及電壓互感器斷線(xiàn)閉鎖為輔助判據(jù)。本失磁保護(hù)原理圖如圖1所示。

為保證失磁故障時(shí)保護(hù)能快速動(dòng)作且在振蕩、短路情況下不誤動(dòng)，框架圖中采用勵(lì)磁電壓，異步邊界阻抗元件之間“與”的關(guān)系，而負(fù)序元件和TV短線(xiàn)檢測(cè)元件能可靠地防止保護(hù)誤動(dòng)，只有條件全滿(mǎn)足情況下，失磁保護(hù)才會(huì)動(dòng)作。

4.結(jié)論

本文在理論上構(gòu)造了一個(gè)新的失磁保護(hù)框架，在失磁保護(hù)阻抗元件動(dòng)作前判斷振蕩，避免了因延時(shí)給失磁保護(hù)帶的不利影響，使發(fā)電機(jī)在發(fā)生失磁故障時(shí)保護(hù)能夠快速動(dòng)作，減少了失磁故障對(duì)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)本身的危害。本文是在參考文獻(xiàn)仿真分析基礎(chǔ)上建立的，本文并沒(méi)有進(jìn)行動(dòng)模實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，保護(hù)判據(jù)結(jié)果可行性，還有待于進(jìn)一步的考證。

[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,1996.

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