小容量发电机组失磁保护的研究 09级.docx

小容量发电机组失磁保护的研究 09级.docx

《小容量发电机组失磁保护的研究 09级.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小容量发电机组失磁保护的研究 09级.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

小容量发电机组失磁保护的研究09级

编号

河南机电高等专科学校

毕业设计（论文）

小容量发电机组失磁保护的研究

系部:

xxxxxxxxx

专业:

xxxxxxxxxxxxx

班级:

xxxxxxxx

姓名:

xxxxxxx

学号:

xxxxxx

指导老师:

xxxxx

二零一二年五月

摘要

随着电力工业的发展，发电机在电力系统中的地位越来越重要，发电机能否安全可靠的运行已经成为电力系统的稳定的重要因素。

发电机组故障或突然切除，会给电力系统带来很大影响。

发电机励磁系统比较复杂，发生故障的频率相对较高。

发电机失磁故障对系统和发电机本身都具有很大的危害。

因此，发电机有必要设置失磁保护。

在发电机的各种保护中，发电机失磁保护是一个急待研究和完善的课题。

失磁故障给发电机组合电力系统造成的危害也越来越严重。

目前，很多小容量发电机组的失磁保护方案并不完善，本文在对这些失磁保护方案的缺陷进行分析的基础上，提出了三种发电机失磁保护方案。

关键词：

发电机；失磁保护；危害；保护方法

ABSTRACT

Alongwiththedevelopmentoftheelectricpowerindustry,generatorinpowersystemismoreandmoreimportantintheposition,theelectricgeneratorcanbesafeandreliableoperationofthepowersystemstabilityhasbecomeaveryimportantfactor.Generatorfaultorsuddenlyresection,willaffectgreatlythepowersystems

Thegeneratorexcitationsystemismorecomplex,thefailureoftherelativelyhighfrequency.Generatorfaultonmagnetismlosssystemandgeneratoritselfhasgreatharm.Therefore,generatorsetexcitation-lossprotectionisnecessary.Inallkindsofgeneratorsinprotection,generatorexcitation-lossprotectionisapressingresearchandimprovementofthesubject.Magnetismlosstogeneratorpowersystemfaultcombinationtheharmcausedbyalsomoreandmoreserious.Atpresent,manysmallcapacityofthegeneratorsetexcitation-lossprotectionplanisnotperfect,inthispaperthemagnetismlossprotectionschemeofthedefectsonthebasisofanalysis,thispaperputsforwardthreegeneratorexcitation-lossprotectionscheme

Keywords:

generator；themagnetismlossprotection；theharm；protectionmethod

目录

第1章绪论1

1.1发电机失磁现象1

1.2失磁保护的现状2

1.3研究发电机失磁保护的意义3

第2章发电机失磁的危害和过程分析5

2.1发电机失磁的危害及影响5

2.1.1发电机失磁对电力系统的危害5

2.1.2发电机失磁对发电机本身的危害6

2.1.3发电机失磁对系统的影响7

2.1.4发电机运行中失磁对发电机本身的影响8

2.2发电机失磁危害分析10

2.3失磁过程分析11

第3章失磁保护的方法13

3.1发电机励磁系统的特点13

3.2阻抗原理的发电机失磁保护15

3.3逆无功原理的发电机失磁保护16

3.3.1构成原理16

3.3.2逆无功原理失磁保护的原理图16

3.4逆无功原理失磁保护存在的问题18

3.4.1阻抗元件判据的整定18

3.4.2失磁保护中采用转子电压判据存在的问题18

3.5微机失磁保护方案19

3.5.1定子侧阻抗判据20

3.5.2转子低电压判据21

3.5.3负序电流闭锁判据21

3.5.4基于小容量发电机失磁保护方案22

第4章结论24

参考文献25

致谢26

第1章绪论

众所周知，我们国家在现今大力加快经济建设的过程中，伴随着新电厂机组的建设、老机组改造、系统电力容量的日益发展，对电力系统保护动作的及时性和可靠性也有了更高的要求。

显而易见，发电机是电力系统的源泉，没有发电机就等于“无米之炊”。

励磁系统是发电机的重要组成部分，对电力系统及发电机的稳定运行具有十分重要的影响。

由于系统的日趋庞大和复杂，系统出现故障的几率将会增多，继电保护技术作为电力系统安全措施中最为重要的一种，面对新的系统形势，应该探索性能更加完善，可靠性更高的保护原理。

发电机在电力系统中地位很重要，与线路保护相比，主设备处于相对滞后的状况，正确动作率普遍偏低。

一方面原因来自设计、制造、运行维护；另一方面主设备保护的故障分析工作仍处于探索阶段，不象线路保护对各种线路结构的一切故障形式都可做稳、暂态分析，这在一定程度上限制了保护原理的研究和校验。

在发电机的各种保护中，发电机失磁保护是一个急待研究和完善的课题。

发电机失磁是常见的一种电气形式，特别是对在对一些小容量发电机组而言，由于励磁系统复杂，环节较多，失磁概率相对较大一些，一旦当发电机失磁后造成极大的危害。

比如系统扰动、电压崩溃、定子过载、转子及铁芯发热、厂用辅机损坏等。

因此，对于发电机组应装设专门的失磁保护，但首先有必要对失磁保护的判据和动作出口方案进行合理性分析，使保护动作行为更为可靠。

现在新的方法和工具不断涌现，软硬件水平也突飞猛进，这给我们研究新保护原理提供了很好的条件。

随着旧的发电机组的陆续淘汰，新开发的机组保护装置必须具备起点高、技术含量足、配置灵活、功能强大等特点。

电力系统的发展对整个系统稳定运行提出了更高的要求，而发电机励磁系统对于维持机端电压、提高电力系统动态稳定性具有重要的意义，发电机保护中需要配备完善的失磁保护。

1.1发电机失磁现象

发电机失磁是指正常运行发电机的励磁电流突然全部消失或部分消失的现象。

发电机失磁后，引起发电机失步，将在转子的阻尼绕组、转子表面、转子绕组中产生差频电流，引起附加温升，可能引起转子局部高温，产生严重过热现象，危及转子安全，其次，同步发电机异步运动，在定子绕组中将出现脉动电流，产生交变的机械力矩，使机组发生振动，影响发电机的安全。

同时，定子电流增大，可能使定子绕组温度升高。

引起发电机失磁的原因有：

励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、转子绕组故障、回路发生故障以及误操作、半导体励磁系统中某些元件的损坏等等。

失磁是发电机常见故障形式之一，特别是小容量发电机组由于励磁电流将逐渐衰减至零，发电机的感应电势Ed随着励磁电流的减小而不断减小，电磁转矩将小于原动机的转矩，因而使转子加速，导致发电机功角增大。

当发电机功角超过静稳极限角时，发电机将会与电力系统失去同步。

发电机失磁后将从系统吸取一定的感性无功来给转子励磁电流，转子会出现转差，在定子绕组中感应电势，定子电流增大，定子电压下降，有功功率下降，而无功功率反向并不断增大，在转子回路会有差频电流产生，整个系统的电压会下降，某些电源支路也会产生过电流，发电机的各个电气量不断摆动，严重威胁发电机和整个电力系统的安全稳定运行。

发电机低励和失磁是常见的故障形式。

造成低励、失磁的原因，主要是励磁回路的部件发生故障、自动励磁调节装置发生故障以及操作不当或由于系统事故造成的。

对各种失磁故障综合起来看，有以下几种形式：

励磁绕组开路引起的失磁、励磁绕组短路引起的失磁、励磁绕组经失磁电阻（自同期电阻、异步电阻）引起的闭路失磁以及励磁绕组经电枢或整流器闭路失磁。

不论是哪种形式，失磁的发电机将会过渡到异步运行，使转子出现转差、定子电流增大、定子电压降低、有功输出将下降。

电气量的这些变化，在一定条件下，将破坏电力系统的稳定运行、威胁发电机的自身安全。

1.2失磁保护的现状

据统计资料，我国1995年100MW及以上容量的发电机共发生电气故障120次，其中失磁故障占26.7%（32次）。

1982~1985年对100MW及以上机组876台·年的故障统计，失磁的故障率为7.53次/（百台·年）。

在发电机个类型故障中，占69.5%，居于首位，1986~1989年的统计资料表明：

共发生失磁故障89次，占发电机全部故障（159次）的60%，由此可见发电机失磁故障严重影响大型机组的安全运行，失磁保护是发电机保护中很重要的一种。

1.3研究发电机失磁保护的意义

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对电力系统和发电机的稳定运行有十分重要的影响。

励磁系统的重要作用体现在：

（1）正常运行时为同步发电机提供励磁电流，并根据负荷情况进行相应的调整，维持机端电压恒定；

（2）合理分配并列运行发电机之间的无功功率；

（3）提高电力系统动态稳定性和输电线路的传输能力；

（4）发电机内部出现故障时进行灭磁，减小故障程度；

（5）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

失磁故障对发电机和电力系统能够造成的潜在危害有：

（1）发生故障的发电机从系统吸收无功功率，通常失磁前带的有功越多，失磁后吸收的无功越多，造成系统无功缺额，引起电压下降。

（2）由于电压下降，系统中其它发电机在自动调节励磁装置的作用下，将增加无功输出，引起某些发电机、变压器或线路过流，其后备保护可能会误动；

（3）失磁后，由于有功功率的摆动、系统电压的下降，可能导致相邻的正常运行发电机和系统间或电力系统各部分间失步，使系统发生振荡，甩掉负荷；

发电机失磁后系统特征量：

发电机失磁后不但不发出无功功率还要从系统吸收无功功率。

当系统无功功率储备不足时将导致发电厂母线电压、发电机机端电压下降。

发电机失磁后，由于发电机吸收无功量的增大及定子电压的降低，定子电流就会增大。

有功功率越大，定子电流就会越大。

发电机从失磁到功角增大到90°的过程中，发电机的电磁功率先减小，但原动机的机械功率来不及减小，造成转子加速使功角不断增大，当功角大于90°发电机失步运行时发电机的异步功率维持着输入、输出功率平衡。

发电机失磁后无功很快减小到零，然后向负变化到较大值。

失步后发电机的无功功率按照滑差周期有规律的摆动。

失磁发电机维持的有功功率越大及滑差越大，发电机从系统吸收的无功越大。

发电机从失磁开始到稳定异步运行其机端测量阻抗沿着等有功阻抗圆由第1象限向第4象限变化。

发电机失磁后的象征：

（1）发电机定子电流和有功功率在瞬间下降后又迅速上升，而且比值增大，并开始摆动。

（2）发电机失磁后还能发一定的有功功率，并保持送出的有功功率的方向不变，但功率表的指针周期性摆动。

（3）定子电流增大，其电流表指针也周期性摆动。

（4）从送出的无功功率变为吸收无功功率，其指针也周期性的摆动。

吸收的无功功率的数量与失磁前的无功功率的数量大约成正比。

（5）转子回路感应出滑差频率的交变电流和交变磁动势，故转子电压表指针也周期性的摆动。

（6）转子电流表指针也周期性的摆动，电流的数值较失磁前的小。

（7）当转子回路开路时，由转子本体表面感应出一定的涡流而构成旋转磁场，也产生一定的异步功率。

发电机失磁异步运行时，一般处理原则如下：

（1）对于不允许无励磁运行的发电机应立即从电网解列，以免损坏设备或造成系统事故；

（2）对于允许无励磁运行的发电机应按无励磁运行规定执行以下操作：

1）迅速降低有功功率到允许值，此时定子电流将在额定电流左右摆动；

2）手动断开灭磁开关，退出自动电压调节装置和发电机强行励磁装置；

3）注意其它正常运行的发电机定子电流和无功功率值是否超出规定，必要时按发电机允许过负荷规定执行；

4）对励磁系统进行迅速而细致的检查，如属工作励磁机的问题，应迅速启动备用励磁机恢复励磁；

5）注意厂用分支电压水平，必要时可倒至备用电源接带；

6）在规定无励磁运行的时间内，仍不能使机组恢复励磁，则应将发电机自系统解列。

第2章发电机失磁的危害和过程分析

2.1发电机失磁的危害及影响

失磁的危害主要表现在一下几个方面：

1、低励或失磁的发电机，从电力系统吸收无功功率，引起电力系统电压下降。

若电压下降幅度太大，将可能会导致电力系统电压崩溃而瓦解。

2、对于大型发电机组，在失磁后系统将要向其输送大量的无功电流，这将可能会引起电力系统的震荡。

3、失磁后，由于出现转差，在发电机转子回路中出现差频电流。

差频电流在转子回路中产生的损耗，如果超出允许值，将使转子过热。

特别是直接冷却高利用率的大型机组，其热容量的裕度相对降低，转子更易过热。

而流过转子表层的差频电流，还可能在转子本体与槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热。

4、低励或失磁的发电机进入异步运行之后，由机端观测的发电机等效电抗降低，从电力系统中吸收的无功功率增大。

低励或失磁前带的有功功率越大，转差就越大，等效电抗就越小，所吸收的无功功率就越大。

因此，在重负荷下失磁进入异步运行后，若不采取措施，发电机将因过电流使定子过热。

5、对于直接冷却、高利用率的大型汽轮发电机，其平均异步转矩的最大值较小、惯性常数也相对降低、转子在纵轴和横轴方面也呈现较明显的不对称。

由于这些原因，在重负荷下失磁后，这种发电机的转矩、有功功率要发生周期性摆动。

在这种情况下，将有很大的超过额定值的电磁转矩周期性变化，其最大值可能达到4％～5％，使发电机周期性地严重超速。

这些情况，都直接威胁着机组的安全。

6、低励或失磁运行时，定子端部漏磁增强，将使端部和边缘铁芯过热，实际上，这一情况通常是限制发电机失磁异步运行能力的主要条件。

2.1.1发电机失磁对电力系统的危害

1、发电机发生失磁时，低励或失磁的发电机将从系统中吸收无功功率，这将使得电力系统的电压下降，如果电力系统容量较小或者无功功率储备不足的话，那就会使发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压或其它邻近点的电压低于允许值，这样就会破坏负荷与电源间的稳定运行，甚至会使电力系统发生电压崩溃现象。

2当发电机发生低励或失磁时电压下降，系统中其它发电机在自动调整励磁装置作用下将会增加其无功功率输出，这样就会导致系统中的某些电气元件，如变压器或输出电线路产生过电流，使后备保护动作切除过载元件，扩大了故障范围。

3、发电机发生低励或失磁时，由于有功功率的摆动以及系统电压的下降，有可能导致相邻正常运行的发电机与系统之间或电力系统各部分之间失步，使系统振荡而大量的甩负荷。

2.1.2发电机失磁对发电机本身的危害

发电机失磁后，不但对电力系统会产生很大的危害，而且对发电机本身也会产生一定的危害：

1、由于发生失磁时出现转差，在发电机转子中也会出现差频电流。

而流过转子表层的差频电流还会使转子本体在与槽锲和护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤。

2、低励或失磁的发电机进入异步运行状态后发电机的等效电抗降低，从系统吸收的无功功率不断增加。

在重负荷失磁后，由于产生过电流将使发电机电子过热。

3、发电机低励或失磁运行时，由于定子端部的漏磁增强，将会使端部的部件和边段铁芯产生过热。

为保证发电机的可靠运行，须装设发电机失磁保护，以便发生失磁故障时能及时发现并采取可行的调控法案。

传统的失磁保护判据主要有:

:

（1）、发电机转子低电压判据。

包括等励磁电压判据和变励磁电压判据。

（2）、发电机机端定子阻抗判据。

包括一部边界阻抗圆特性和静稳边界阻抗圆特性。

（3）、二相同时低电压判据。

包括机端电压判据和主变高压侧低电压判据。

（4）、逆无功判据。

即通过逆无功和定子过电流来判断失磁故障。

不同失磁保护方案的区别主要在于保护出口条件、延时或判据间组合关系的不同。

发电机失磁保护的辅助判据:

在发电机的机端与主变高压侧发生各种短路故障时，以及系统发生振荡的情况下，失磁保护采用的各种主判据都有可能会发生误动，实际应用中发电机失磁保护一般都采用主判据与辅助判据相结合的运行方式。

2.1.3发电机失磁对系统的影响

发电机失磁对系统的影响主要有:

1、低励和失磁的发电机,从系统中吸收无功功率,引起电力系统的电压降低,如果电力系统中无功功率储备不足,将使电力系统中邻近的某些点的电压低于允许值,破坏了负荷与各电源间的稳定运行,甚至使电力系统电压崩溃而瓦解。

2、当一台发电机发生失磁后,由于电压下降,电力系统中的其它发电机,在自动调整励磁装置的作用下,将增加其无功输出,从而使某些发电机、变压器或线路过电流,其后备保护可能因过流而误动,使事故波及范围扩大。

3、一台发电机失磁后,由于该发电机有功功率的摇摆,以及系统电压的下降,将可能导致相邻的正常运行发电机与系统之间,或电力系统各部分之间失步,使系统发生振荡。

4、发电机的额定容量越大,在低励磁和失磁时,引起无功功率缺额越大,电力系统的容量越小,则补偿这一无功功率缺额的能力越小。

因此,发电机的单机容量与电力系统总容量之比越大时,对电力系统的不利影响就越严重。

1、由于发动机失磁后出现转差,在发电机转子回路中出现差频电流,差频电流在转子回路中产生损耗,如果超出允许值,将使转子过热。

特别是直接冷却的高力率大型机组,其热容量裕度相对降低,转子更容易过热。

而转子表层的差频电流,还可能使转子本体槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤。

2、失磁发电机进入异步运行之后,发电机的等效电抗降低,从电力系统中吸收无功功率,失磁前带的有功功率越大,转差就越大,等效电抗就越小,所吸收的无功功率就越大。

在重负荷下失磁后,由于过电流,将使发电机定子过热。

3、对于直接冷却高力率的大型汽轮发电机,其平均异步转矩的最大值较小,惯性常数也相对降低,转子在纵轴和横轴方面,也呈较明显的不对称。

由于这些原因,在重负荷下失磁后,这种发电机转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动。

对于水轮发电机,由于平均异步转矩最大值小,以及转子在纵轴和横轴方面不对称,在重负荷下失磁运行时,也将出现类似情况。

这种情况下,将有很大甚至超过额定值的电机转矩周期性地作用到发电机的轴系上,并通过定子传递到机座上。

此时,转差也作周期性变化,其最大值可能达到4%~5%,发电机周期性地严重超速。

这些情况,都直接威胁着机组的安全。

4、失磁运行时,定子端部漏磁增强,将使端部的部件和边段铁芯过热。

2.1.4发电机运行中失磁对发电机本身的影响

发电机失磁后，经过同步振荡进入异步运行状态，发电机在异步运行状态下，以低滑差s与电网并列运行，从系统吸取无功功率建立磁场，向系统输送一定的有功功率，是一种特殊的运行方式。

发电机失磁运行有如下现象：

（1）中央音响信号动作，“发电机失磁”光字牌亮。

（2）转子电流表的指示等于零或接近于零。

转子电流表的指示与励磁回路的通断情况及失磁原因有关，若励磁回路开路，转子电流表指示为零；若励磁绕组经灭磁电阻或励磁机电枢绕组闭路，或AVR、励磁机、硅整流装置故障，转子电流表有指示。

但由于励磁绕组回路流过的是交流（失磁后，转子绕组感应出转差频率的交流），故直流电流表有很小的指示值。

（3）转子电压表指示异常。

在发电机失磁瞬间，转子绕组两端可能产生过电压（励磁回路高电感而致）；若励磁回路开路，则转子电压降至零；若转子绕组两点接地短路，则转子电压指示降低；转子绕组开路，转子电压指示升高。

（4）定子电流表指示升高并摆动。

升高的原因是由于发电机失磁运行时，既向系统送出一定的有功功率，又要从系统吸收无功功率以建立机内磁场，且吸收的无功功率比原来送出的无功功率要大，使定子电流加大。

摆动的原因是因为力矩的交变引起的。

发电机失磁后异步运行时，转子上感应出差频交流电流，该电流产生的单相脉动磁场可以分解为转速相同、方向相反的正向和反向旋转磁场，其中，反向旋转磁场以相对于转子sn1的转速逆转子转向旋转，与定子磁场相对静止，它与定子磁场作用，对转子产生制动作用的异步力矩；另一个正向旋转磁场，以相对于转子s"。

的转速顺转子转向旋转，与定子磁场的相对速度为2sn1与定子磁场作用，产生交变的异步力矩。

由于电流与力矩成正比，所以力矩的变化引起电流的脉动。

（5）定子电压降低且摆动。

发电机失磁时，系统向发电机送无功功率，因定子电流比失磁前增大，故沿回路的电压降增大，导致机端电压下降。

电压摆动是由于定子电流摆动引起的。

（6）有功功率表指示隆低且摆动。

有功功率输出与电磁转矩直接相关。

发电机失磁时由于原动机的转矩大于电磁转矩，转速升高，汽轮机调整器自动关小汽门，这样，驱动转矩减小，输出的有功功率也减小，直到原动机的驱动转矩与发电机的异步转矩平衡时，调速器停止动作。

发电机的有功输出稳定在小于正常值的某一数值下运行。

摆动的原因也是由于存在交变异步功率造成的。

（7）无功功率表指示为负值．，功率因数表指示进相。

发电机失磁进入异步运行后，相当于一个滑差为s的异步发电机，一方面向系统送出有功功率，另一方面自系统吸收大量的无功功率用于励磁，所以发电机的无功功率表指示负值，功率因数表指示进相。

发电机失磁运行的影响及应用条件。

失磁对发电机和电力系统都有不良影响，在确定发电机能否允许失磁运行时，应考虑这些影响。

发电机失磁运行的影响如下：

（1）严重的无功功率缺额造成系统电压下降。

发电机失磁后，不但不能向系统输送无功功率，反而从系统吸收无功功率，造成系统无功功率严重缺额。

若系统无功电源不能提供这部分额外的无功功率，则系统电压会显著下降。

电压的下降，不仅影响失磁机组厂用电的安全运行，还可能引起其他发电机的过电流。

更严重的是电压下降，降低了其他机组的功率极限，可能破坏系统的稳定，还可能因电压崩溃造成系统瓦解。

（2）对失磁机组的影响。

发电机失磁时，使定子电流增大，引起定子绕组温度升高；失磁运行是发电机进相运行的极端情况，而进相运行将使机端漏磁增加，故会使端部铁芯、构件因损耗增加而发热，温度升高；由于失磁运行，在转子本体中感应出差频交流电流'差频电流产生损耗而发热，在某些部位，如槽楔与齿壁之间、护环与本体的搭接处，损耗可能引起转子的局部过热；由于转子的电磁不对称产生的脉动转矩将引起机组和基础的振动。

根据上述不良影响，允许发电机失磁运行的条件是：

（1）系统有足够的无功电源储备。

通过计算，应能确认发电机失磁后能保证电压不低于额定值的90％，这样才能保证系统的稳定。

（2）定子电流不超过发电机运行规程所规定的数值，一般不超过额定值的1.1倍。

（3）定子端部各构件的温度不超过允许值。

（4）转子损耗：

对外冷式发电机不超过额定励磁损耗；内冷式发电机不超过0.5倍额定励磁损耗。

这是因为内冷式转子在正常运行时，励磁绕组的发热量是由导