失磁保护讲课资料.docx

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失磁保护讲课资料

低励、失磁保护

应掌握的知识点：

1、什么是失磁？

2、失磁后，发电机的运行状况如何变化？

或者说发电机开始失磁（在未超过静稳极限之前）的现象？

3、失磁保护有哪些判据？

（看说明书，先记住这些判据的名称，原理可以先不看）

4、发电机失磁对系统和发电机本身有什么影响？

5、发电机失磁后，机端测量阻抗大致如何变化？

（先了解）

一、定义

失磁保护，有时候也叫低励保护。

但从更加确切的定义上讲，低励：

表示发电机的励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流；（发电机要向外送这么多有功，必须要有相应的励磁电流来维持，励磁电流太低，连静稳极限都维持不了的时候，就叫低励。

而失磁：

表示发电机完全失去励磁。

发电机低励、失磁，是常见的故障形式，特别是大型发电机组，励磁系统的环节比较多。

增加了发生低励、失磁的机会。

二、失磁的过程

正常运行时，转子的旋转磁场，与定子绕组中电流产生的交变磁场，两者耦合到一起，同步旋转，转子磁场起推动力的作用，定子绕组中电流产生的交变磁场起制动力的作用，两者大小相等，同步旋转，把原动机的能量，通过磁场传到三相系统中去。

而低励、失磁时，转子中的磁场就减小，最后没有了，相当于转子用来推动定子交变磁场旋转的磁场减小、甚至没有了，相当于将“原动机的能量”转换成“三相交流系统中的电能”的媒介减小、甚至没有了，那么原动机的能量就只能转换成转子的机械能，所以转子的转速要加快。

以下为补充：

励磁与有功、机端电压的关系（纯属个人理解，仅供参考）

有功增加了 在机端电压不变的情况下 定子电流就会增加，定子电流增加的话 就会使机端电压下降， 为了保持机端电压的恒定就会增加励磁电流来稳定电压，励磁电流只调节无功，但无功和有功要满足功率圆。

可能会出现在无功一定的情况下有功无法调节。

就是说在有功增加的情况下励磁电流会变大的有功减小的话励磁电流也会相应的减小。

也就是说，增加励磁电流，可以增加发电机输出的无功Q，也会使发电机的输出电压升高；反之，则相反。

而励磁电流与有功P之间无必然的联系。

差不多吧，有功增加会使发电机产生去磁作用，这个时候发电机电压会降低，发电机会失磁，无功就要相应的增加。

理论上调整有功，无功会跟着变化，增加无功，有功不随着无功变化。

单台发电机对于无穷大系统而言，发电机输出的有功、无功的表达式为如下，式中，各参数的定义与上面补充部分的定义相同。

但下式成立的条件是xd=xq（此时xdΣ=xqΣ），即对于隐极发电机，才成立，对于凸极机，不成立。

式中，P为发电机的有功，E0为发电机的机端电压；Us为系统电压，XΣ为包括发电机在内的整个系统的电抗，δ为转子磁场与定子绕组的电枢磁场的夹角（也可理解为机端电压与无穷大系统电压之间的夹角）。

对于水轮发电机：

d轴：

直轴（横轴），磁极轴线，转子上是一个大齿；

q轴：

交轴（相轴、时轴），相邻两极之间的中心线，都是些小齿。

因此，Xd与Xq不可能完全相等，Xd＞Xq。

发电机的机端电压E0与励磁电流If是成线性关系的，失磁过程中，励磁电流减小，引起机端电压E0降低（无功功率降低），但是失磁后，由于转子转速加快，δ会变大（δ的改变比E0的改变慢），在一定范围内，sinδ变大，cosδ，所以：

“机端电压E0降低”与“sinδ变大”二者是相互补偿的作用，所以在失磁初始阶段，有功功率P先减小，后增加，来回波动，但有功P的平均值变化不大；而无功功率Q则持续下降，甚至向系统吸收无功（E0降低、cosδ降低）；由于机端电压E0降低（在超过静稳极限后，机端电压讲大幅下降），因此，机端电流I先降低，后面有功P增加后，I也会回升。

具体各电气参数如上图所示。

综上，发电机开始失磁（在未超过静稳极限之前）的现象如下：

①无功功率Q在连续下降，甚至从正值变成负值；

②机端电压E0在连续下降；

③机端电流I在上升（先下降、后上升）；

④有功功率P有波动（先下降、后上升），但平均值变化不大。

这个时候，发电机仍能向系统输送有功P，但由于无功Q降低，甚至吸收无功，机端电压要下降，因此需要本厂其他无故障的机组，或者其他厂无故障的机组多发一些无功功率，以维持系统电压。

当功角δ＞180°以后，发电机完全失步，有功P已变为负值，即发电机吸收有功，发电机在系统电压的作用下，作电动机运转，定子电枢磁场已不再是对转子磁场起制动作用，而是和转子上的原动力矩一起，共同驱使发电机加速旋转，很快使δ＞360°，开始一个新的旋转周期，发电机输出的有功功率、无功功率、定子电流、转子电流和电压均呈现不同程度的振荡，但定子机端电压手系统电压的牵制，因此波动比较平稳。

三、失磁后的发电机机端测量阻抗轨迹

以下内容针对汽轮发电机而言：

满负荷稳定运行时，发电机运行在A点，以失磁开始为0s，约5s后无功功率反向，机端测量阻抗轨迹开始进入-x的第四象限；10s以后，机端测量阻抗轨迹在C区摆动；若将有功负荷减到额定功率的60%，则机端测量阻抗轨迹在D区摆动；若将有功负荷减到额定功率的40%，则机端测量阻抗轨迹稳定在B点附近，失磁机组进入稳定异步运行。

1、失磁初始阶段（在失去静态稳定之前）的阻抗轨迹：

等有功阻抗圆

等有功的概念：

前面已经分析，在失磁初始阶段（在失去静态稳定之前），发电机有功功率P虽然在波动，但其平均值差不多是不变的，因此叫等有功。

现在就假定输出有功功率P（这里用Ps表示）基本不变，来分析机端测量阻抗Z的轨迹。

失磁初始阶段（在失去静态稳定之前）的阻抗轨迹就是等有功圆，静稳极限破坏之后，阻抗轨迹才偏离等有功圆进入第三、四象限。

图6-3-3给我们的启发：

①如果失磁发电机与无穷大系统的连接电抗Xs越大（即发电厂与系统联系很薄弱，远离系统中心），则等有功圆就要沿着jx轴往上偏移，因此失磁后的机端测量阻抗轨迹也整体往上偏移，即位于阻抗平面的上部区域，就不容易进入第三、第四象限，而失磁阻抗圆的动作区在第三、第四象限，所以此时失磁保护可能拒动。

②失磁以前，发电机带的有功Ps越大，则失磁后机端测量阻抗轨迹圆的圆心越靠近原点（从式6-6-3a可知），失磁后的机端测量阻抗轨迹（即等有功圆）越小，同理，就不容易进入第三、第四象限，而失磁阻抗圆的动作区在第三、第四象限，所以此时失磁保护可能拒动。

2、静稳极限阻抗圆

补充：

对于汽轮机的静稳极限（边界）阻抗圆，上面为Xs（系统联系电抗，或者叫发电机与无穷大系统的连接电抗），下面为-Xd，以它们为直径所作的圆。

机端测量阻抗轨迹进入该圆，表示这台发电机的静稳极限破坏了。

等有功圆与静稳极限（边界）阻抗圆是相交的，刚一开始失磁，机端测量阻抗轨迹就有可能沿着等有功圆进入静稳极限（边界）阻抗圆，因此，静稳极限（边界）阻抗圆的动作区域较大，比异步边界阻抗圆更灵敏，静稳极限刚刚被破坏，保护就动作了。

但是，对于汽轮机的静稳极限（边界）阻抗圆，其动作区域它包括了所有象限，第四象限是同步发电机失磁应该动作的区域，第三象限是同步电动机失磁应该动作的区域。

而在第一、二象限，除了失磁保护会动作外，短路故障也会动作，因此，为了防止短路时静稳极限（边界）阻抗圆误动，从第二象限到第四象限划一根直线，弄成一个方向阻抗继电器。

如P303，图6-4-5所示。

而在我国，为了防止短路时静稳极限（边界）阻抗圆误动，就把Xs移到零点，即机端，以零点和-Xd为弦，以静稳极限（边界）阻抗圆为基础，画一个苹果圆，让这个苹果圆尽可能的跟理论上的静稳极限（边界）阻抗圆靠拢。

我们把这个苹果园叫：

准静稳极限阻抗圆。

如P304所讲。

无论是静稳极限阻抗圆，还是异步边界阻抗圆，阻抗继电器不仅是在失磁的时候才动作，在系统振荡、PT断线以及发电机从机端到高压系统发生相间短路、接地短路（经过渡电阻短路，过渡电阻达到一定数值）时，这些阻抗圆可能会误动。

所以阻抗圆也要和“励磁低电压”等判据相配合使用，即进入阻抗圆之后，要“励磁电压低于整定值”之后，才动作。

若是系统短路，为了维持系统稳定，励磁系统会自动将励磁加大，此时进入阻抗圆之后，由于“励磁低电压”等判据不满足，失磁保护也不会动作。

详见金安桥的“静稳极限励磁电压U（P）fd主判据”

金安桥失磁保护的几个判据

1、静稳极限励磁电压U（P）fd主判据

若定子机端电势E0用定子的额定电压作为基准值，再计算它的标幺值；

而转子电压U1的基准值为发电机空载的额定励磁电压，则定子机端电势E0的标幺值，就等于转子电压U1的标幺值，那么从标幺值来说，E0就是转子电压，故有功P即为转子电压乘以无穷大母线电压，再比上同步电抗。

所以，发电机要发出某一数量的有功P，就必须要有一定数量的励磁电压E0（转子电压，它们的标幺值相等）来维持，换句话，发电机要送某一数量的有功功率P，且系统要维持静稳极限，那么必须要有的那个转子电压就能确定下来。

转子电压的标幺值，与有功P成一个线性关系。

故，用转子低电压作为判据时，转子低电压的定值是随着有功功率的变化而变化的。

不同的有功功率，维持静稳极限所需的转子电压就有不同的定值。

（但这是从稳态的状态下来说的，而在暂态过程中，这个线性关系不成立）

该判据的优点是：

凡是能导致失步的失磁初始阶段，由于Ufd快速降低，U（P）fd判据可快速动作；在通常工况下失磁，U（P）fd判据动作大约比静稳边界阻抗判据动作提前1秒钟以上，有预测失磁失步的功能，显著提高机组压出力或切换励磁的效果。

5.6.2定励磁低电压辅助判据

为了保证在机组空载运行及Pt

金安桥失磁保护跳闸清册：

静稳边界阻抗判据满足后，至少延时1~1.5s发失磁信号、压出力或跳闸，延时1~1.5s的原因是躲开系统振荡。

扇形与R轴的夹角10°~15°为了躲开发电机出口经过渡电阻的相间短路，以及躲开发电机正常进相运行。

5.6.4稳态异步边界阻抗判据

发电机发生凡是能导致失步的失磁后，总是先到达静稳边界，然后转入异步运行，进而稳态异步运行。

该判据的动作圆为下抛圆，它匹配发电机的稳态异步边界圆。

特性曲线见图5-6-4。

5.6.5主变高压侧三相同时低电压判据

发电机失磁后，可能引起主变高压侧（系统）电压降低，引发局部电网电压崩溃，因此，在失磁保护配置方案中，应有“三相同时低电压”判据。

为防止该判据误动，该判据应与其它辅助判据组成“与”门出口。

此判据主要判断失磁的发电机对系统电压（母线电压）的影响。

五、观音岩所用的南瑞PCS-985GW发电机保护中，失磁保护有哪些判据？

它们各有什么作用？

适用于哪些场合？

答：

①母线（机端）低电压判据：

该判据用于保护电力系统不被失磁故障的发电机拖垮，是一个保系统的判据；适用于系统无功储备不足时，远离负荷中心、与系统联系比较薄弱的发电厂建设初期，或枯水运行季节的时候。

②定子阻抗判据，包括静稳极限阻抗圆、异步边界阻抗圆：

该判据为失磁故障的主判据，用于判别发电机的低励失磁故障，延时动作于信号或出口；其中静稳极限阻抗圆适用于“远离负荷中心，与系统联系薄弱，系统等值阻抗大”的发电厂，而异步边界阻抗圆适用于“在负荷中心，与系统联系紧密，系统等值阻抗小”的发电厂。

③转子侧判据，包括转子低电压判据、发电机的变励磁电压判据（也叫静稳极限励磁电压判据）：

由于在能导致失步的失磁初始阶段，该判据能快速动作；在通常工况下比定子抗判据动作提前1s以上，因此有预测失磁失步的功能，显著提高机组减出力或切换励磁的效果；适用于在系统振荡、PT断线以及发电机从机端到高压系统发生相间短路、接地短路（经过渡电阻短路，过渡电阻达到一定数值）时，与定子阻抗判据配合使用，防止定子阻抗判据单独使用时误动作。

④无功反向判据：

该判据用于反映失磁过程中发电机向系统倒吸无功，导致系统电压下降，用于与其他失磁判据相配合，完善失磁保护的功能，增加失磁保护动作的可靠性。

六、发电机失磁对发电机、系统的影响

发电机失磁对系统和发电机本身有什么影响？

汽轮发电机允许失磁运行的条件是什么？

（高级技师）

答：

发电机失磁对系统的影响：

（1）发电机失磁后，不但不能向系统送出无功功率，而且还要从系统中吸收无功功率，将造成系统电压下降。

（2）为了供给失磁发电机无功功率，可能造成系统中其他发电机过电流。

发电机失磁对发电机自身的影响：

（1）发电机失磁后，转子和定子磁场之间出现了速度差，则在转子回路中感应出转差频率的电流，引起转子局部过热。

（2）发电机受交变的异步电磁力矩的冲击而发生振动，转差率愈大，振动也愈大。

汽轮发电机允许失磁运行的条件是：

（1）系统有足够供给发电机失磁运行的无功功率，以不至于造成系统电压严重下降为限。

（2）降低发电机有功功率的输出，使之能在很小的转差下，在允许的一段时间内异步运行。

即发电机应在较小的有功功率下失磁运行，使之不至于造成危害发电机转子的发热和振动。

七、几道技能鉴定的习题

大型发电机失磁保护，在什么情况下采用异步边界阻抗圆？

又在什么情况下采用静稳极限阻抗圆？

说明理由。

（技师）

答：

在负荷中心，系统等值阻抗小的宜选用异步边界阻抗圆；远离负荷中心，系统等值阻抗大的宜选用静稳极限阻抗圆。

理由是：

远离负荷中心的大型发电机失磁后，机端等有功阻抗圆可能不与异步边界阻抗圆相交，失磁保护动作慢，有可能对侧系统的后备保护因此失磁引起过流而先动作了，本侧失磁保护却还未动作，造成对侧保护先跳闸，从而扩大事故范围。

（即在失磁初始阶段，还未失步时，机端测量阻抗轨迹还在等有功圆上，且阻抗轨迹正在慢慢的由第一象限向第四象限移动的时候，由于端等有功阻抗圆可能不与异步边界阻抗圆相交，失磁保护就不能提前动作，而等阻抗轨迹进入异步边界阻抗圆时，机组已完全异步运行了，这时才动作跳闸，线路上的后备保护可能早就动作了，使故障扩大。

）

“励磁低电压”判据为什么不能单独用于失磁保护？

答：

这是因为当前电力系统的容量越来越大，在下半夜电力系统负荷较低的时候，超高压输电线路对地电容产生的无功，会使发电机机端电压升高（即容升效应，电容电流要给发电机励磁，即发电机吸收无功，处于进相运行状态），因此不得不把发电机本身的励磁电压、励磁电流减小，以使发电机机端电压还能维持在正常水平，不至于过高，在励磁电压降低后，容易使“励磁低电压”判据误动，所以，不能单独用于失磁保护，而要与其他判据配合使用。

（为了补偿高压输电线 路的电容和吸收其无功功率，防止电网轻负荷时因容性功率过多引起的电压升高。

在线路两端安装了并联电抗器）