電廠發(fā)電機失磁保護對策研究

馬文英

（國家能源河北龍山發(fā)電有限責任公司，河北 邯鄲 056400）

失磁保護是電廠發(fā)電機運行過程中的常見故障類型。尤其大規(guī)?；鹆Πl(fā)電廠發(fā)電機機組勵磁系統(tǒng)比較復(fù)雜，發(fā)生低勵或失磁的可能性更高。而隨著火力發(fā)電機組容量的不斷增加，其勵磁系統(tǒng)功能同樣在持續(xù)完善，加之集成智能控制技術(shù)的使用，使得火力發(fā)電機組的自動化水平顯著提升。高度自動化的勵磁系統(tǒng)顯著提升了火力發(fā)電機組自動化控制水平，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜客觀上加大了火力發(fā)電機組低勵或失磁故障的發(fā)生概率。據(jù)統(tǒng)計，因失磁造成的發(fā)電機故障占據(jù)全部故障的60%以上。針對600MW 發(fā)電機組應(yīng)該設(shè)置專門的失磁保護。發(fā)電機失磁保護的相關(guān)判據(jù)、閉鎖方式、出口方式較多，相應(yīng)的失磁保護配置方案種類最多，最為復(fù)雜。繁雜的失磁保護配置方案影響到發(fā)電機機組的運行安全，帶來較大的安全隱患?；诖?，文中探討了更加規(guī)范的失磁保護配置方案，以供同行參考。

1 失磁保護的主要判據(jù)

現(xiàn)階段最常用的失磁保護主判據(jù)包括轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)Ufd，機端低阻抗判據(jù)Z＜、系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜三種。轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)Ufd反映了發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的電氣量；機端低阻抗判據(jù)Z＜反映了發(fā)電機定子側(cè)的電氣量；系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜反映的是發(fā)電機系統(tǒng)測的電氣量。

1.1 轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)Ufd

早期集成電路型、整流型保護選用定勵磁電壓判據(jù)，其表達式為：Ufd＜K°Ufd0

而當前的微機保護通常選用變勵磁電壓判據(jù)Ufd(P)，當發(fā)電機在有功P 的運行狀態(tài)下，依照靜穩(wěn)極限需要的勵磁電壓最小值判斷是否失磁。在正常運行狀態(tài)下，勵磁電壓值不會小于空載狀態(tài)下的勵磁電壓值。變勵磁電壓判據(jù)Ufd(P)的靈敏度很高，可以及時準確地反映低勵情況，然而相關(guān)整定計算復(fù)雜度較高，Ufd反映的是發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的電氣量，通常為直流量，功率P 反映的是發(fā)電機定子側(cè)的電氣量，通常為交流量，二者用同一個判據(jù)做比較。假如整定計算不合理就可能引發(fā)誤動作。如Ufd(P)判據(jù)整定值過大會引發(fā)誤動作，整定值K 偏大的原因主要是在進行整定計算時采用的空載勵磁電壓Ufd0、同步電抗Xd均為設(shè)計值，但是設(shè)計值往往與實際測量值的差別較大。如某電廠1 號機的空載勵磁電壓Ufd0、同步電抗Xd設(shè)計值分別為160V、1.997，但是實際測量得到的空載勵磁電壓Ufd0、同步電抗Xd分別為140V、1.68。設(shè)計值與實際值之間的誤差將導致無功功率較小或進相運行時發(fā)電機在Ufd(P)判據(jù)落入動作區(qū)而發(fā)生誤動作。這類問題在我國火力發(fā)電廠時有發(fā)生，導致技術(shù)人員對該判據(jù)的應(yīng)用非常謹慎。但可以明確的是，Ufd(P)判據(jù)具有很高的靈敏度，且動作非常迅速。只要合理控制和使用其整定計算，在計算過程中考慮空載勵磁電壓Ufd0、同步電抗Xd等關(guān)鍵參數(shù)的影響，在發(fā)電機試運行階段進行調(diào)整就可以有效避免誤動作，并及時準確地判別失磁保護，有效避免失磁故障的擴大，尤其適合用于勵磁調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性不足的情況。

1.2 低阻抗判據(jù)Z＜

低阻抗判據(jù)Z＜反映的是發(fā)電機機端的感受阻抗，如果感受阻抗在阻抗圓范圍內(nèi)，作出保護動作。失磁保護阻抗圓通常包括異步圓、靜穩(wěn)邊界圓以及介于它們之間的蘋果圓。發(fā)電機一旦出現(xiàn)低勵、失磁故障，往往首先經(jīng)過靜穩(wěn)邊界，再進入異步邊界。因此，前者比后者更加靈敏。而靜穩(wěn)邊界圓包含第一、二象限動作區(qū)，如果在進相運行時進相比較深就有一定幾率發(fā)生誤動。靜穩(wěn)邊界圓和縱軸存在A、B兩各焦點，其中點A 為系統(tǒng)阻抗Xs,點B 為同步阻抗Xd。在進行整定計算時系統(tǒng)阻抗Xs會隨機采用最大運行方式、最小運行方式下對應(yīng)的阻抗值，同步阻抗Xd的取值可能為確?？梢赃M行可靠動作而乘以系數(shù)K。如果發(fā)電機組不以進相運行作為正常運行狀態(tài)，那么使用上述整定計算方法保護均不會發(fā)生誤動作。反之，則需要考慮進相運行的影響，以有效避免誤動作。

1.3 系統(tǒng)低電壓判據(jù)

系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜反映了電廠高壓側(cè)母線三相同時低電壓，主要作用是防止失磁故障導致無功儲備短缺，進而造成系統(tǒng)電壓崩潰。系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜在電廠高壓側(cè)母線容量相對較小，與電廠聯(lián)系較弱或系統(tǒng)無功儲備不足的情況下可以可靠動作。而這類情況通常發(fā)生于坑口火電廠建設(shè)初期。高壓側(cè)母線的三相電壓下降太多會嚴重威脅到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，因此，必須做到迅速跳閘。當火電成建設(shè)完畢后通常會以發(fā)電機組的方式運行，在此情況下其中一臺發(fā)電機失磁一般不會使高壓側(cè)母線電壓Um降低到整定值以下，系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜通常不會動作?；诖?，在設(shè)計失磁保護邏輯回路時，應(yīng)該設(shè)計為在滿足其他判據(jù)的情況下，如果不滿足系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜，則需要經(jīng)過一段時間后跳閘；如果也滿足系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜，則迅速跳閘。

2 發(fā)電機失磁保護配置方案研究

2.1 失磁保護邏輯回路

本次研究的發(fā)電機失磁保護配置方案選用上文所述的三種失磁保護主判據(jù)，并采用PT 斷線閉鎖作為輔助判據(jù)，構(gòu)建更加完善的低勵失磁保護方案。失磁保護邏輯回路圖如圖1 所示。

圖1

2.2 失磁保護配置方案的特點

變勵磁電壓判據(jù)Ufd(P)反映的是勵磁電壓，直觀地反映全部的低勵、失磁故障；該判據(jù)靈敏度最高，動作也最迅速，是本文所述的幾個判據(jù)中唯一能夠精準可靠地反映發(fā)電機低勵故障的判據(jù)。因此，本文研究的失磁保護配置方案采用變勵磁電壓判據(jù)Ufd(P)，通過發(fā)信、減出力或切換勵磁的方式使勵磁恢復(fù)正常，它同時也是跳閘的必要條件。發(fā)電機失磁保護的三個主判據(jù)的靈敏度排列順序按照降序排列為轉(zhuǎn)子低電壓Ufd(P)、阻抗圓Z＜、系統(tǒng)低電壓Um＜?？紤]到系統(tǒng)低電壓Um＜在很多工況下無法可靠地作出動作，因此不應(yīng)該將其作為跳閘出口必要條件，只將其作為加速跳閘因素。本文研究的失磁保護配置方案將轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)“與”阻抗圓Z＜判據(jù)，經(jīng)過一定的延時t3 出口跳閘；如果同時滿足系統(tǒng)低電壓判據(jù)Um＜，則反映出無功儲備不足，在此情況下，不經(jīng)過延時t3，而經(jīng)過較短延時t2 出口跳閘。該方案比較復(fù)雜主要用于大型機組以及系統(tǒng)中的關(guān)鍵機組。在實踐中，應(yīng)該盡量簡化失磁保護配置方案，如對于和系統(tǒng)聯(lián)系密切的電廠可以去掉系統(tǒng)低電壓Um＜判據(jù)，對于系統(tǒng)影響不大的機組可以只采用阻抗圓Z＜判據(jù)。

2.3 與其他失磁保護配置方案的對比分析

現(xiàn)階段的失磁保護配置方案較多，不少于20 種，但這些方案的主判據(jù)基本上都采用上文所述的幾種判據(jù)，它們的區(qū)別主要在于失磁保護邏輯組合與閉鎖方式。除了本文研究的失磁保護配置方案之外，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于大型火電發(fā)電機組的失磁保護配置方案還有靜穩(wěn)邊界圓發(fā)信、異步圓跳閘、低勵失磁保護等。低勵失磁保護方案主要考慮到轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)靈敏度太高，容易產(chǎn)生誤動。靜穩(wěn)圓與異步圓的方案原理基本一致，反映的都是機端感受阻抗，只不過靜穩(wěn)邊界圓相對異步圓的靈敏度更高，其動作速度也更快。假如采用靜穩(wěn)邊界圓發(fā)信再到減出力或采取措施就很難讓勵磁恢復(fù)正常，停機事故難以避免。此外，靜穩(wěn)圓、異步圓均采用定子側(cè)判據(jù)，可靠性不足。而轉(zhuǎn)子側(cè)判據(jù)是最直接的，任何低勵失磁故障均先來自轉(zhuǎn)子側(cè)再影響定子側(cè)最后波及系統(tǒng)側(cè)。

3 結(jié)語

綜上所述，失磁保護的相關(guān)整定計算要求高，整定計算不當就可能引發(fā)誤動作，特別是轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，失磁保護構(gòu)成及出口不規(guī)范將影響發(fā)電機機組安全運行。因此，本方案適用于大型機組、系統(tǒng)中的核心機組，而且在實踐中并不是所有判據(jù)都必須采用。