同步发电机的失磁保护.ppt
同步发电机励磁保护 林莉，牟道槐，陈刚陈刚 ，唐毅 1.同步发电机励磁系统的结构 图1 同步发电机励磁系统的结构 统计数据表明，同步发电机励磁系统故 障约占发电机总故障的60%以上。 同步发电机励磁系统故障分为部分失磁 与完全失磁，导致发电机失步，进入有励 磁异步运行状态或无励磁异步运行状态。 如果保护与控制不当，将对发电机造成 严重损害，并威胁电力系统的安全。 2.同步发电机励磁系统故障保护的重要性 现行发电机失磁保护的判据有两类三种： 1）静稳定边界判据 用等无功阻抗圆表达的静稳边界判据 用励磁电压与有功函数关系表达的静稳边界 判据 2）异步边界阻抗圆判据 3.现行主流励磁保护在原理上存在的缺陷 3.1 系统母线处测量阻抗 图2 系统等值电路 1) R-X并联电路的等效串联阻抗图及其与功率的关系 I& jXsh U& P+jQ sh I& jXse U& P+jQ se 阻抗与功 率的关系 A）Rsh=const下的恒有功阻抗圆电路 分子、分母 同乘以2P I& jXsh U& P+jQ sh I& jXse U& P+jQ se eseses jXRZ += 恒有功电路的等效串联阻抗圆图 图4 当U=const时,恒有功电路的等 效串联阻抗为一个以R轴对称的圆图 eseses jXRZ += B）Xsh=const下的恒无功阻抗圆电路 分子、分母 同乘以-j2Q eseses jXRZ+= 恒无功电路的等效串联阻抗圆图 图6 当U=const时, 恒无功电路的 等效串联阻抗 为一个以X轴 对称的圆图。 esesesjXRZ+= 0 jXse Rse Zse S j Q U j 2 2 Q U j 2 2 - 2 S j 0 0 P Q 0 0 P Q 0 0 P Q 汽轮发电机的静稳定边界条件： 3.2 用等无功阻抗圆表达的(反应无功边界的） 汽轮发电机的静稳边界判据 因此可用等无功阻抗圆表达汽轮发电机的静稳边界： （吸无功量增大） （与有功无关） 用系统母线处等无功阻抗圆表达汽轮发电机的静稳边界 用发电机出口处等无功阻抗圆表达汽轮发电机的静稳边界 用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据 用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据 图7 用出口处等无功阻抗圆 表达的汽轮发电机静稳边界 圆圆心 半径 缺陷 以小干扰稳定性概念提出来的； 建立在静态功角特性的基础上： 功角特性为正弦曲线 稳定破坏角度为cr=/2 用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据 1.098874 0.676806 图8(a).失磁后由 于励磁电流急剧减 小,使发电机的同步 功率与功角的关系 （同步功角特性） 不是正弦曲线. 图8(a) 完全失磁的同步功率动态过程 用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据 图8(b)。异步功率出现 。 1.09887 4 0.16522 8 1.09887 4 0.84203 6 图8(b) 完全失磁的 异步功率动态过程 图8(c) 完全失磁的 总电磁功率动态过程 图8(C)。总功率非正弦变化 用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据 3.用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据 1）水轮发电机的有功算式 反应功率峰值 电磁功率=励磁功率+反应功率 励磁功率 反应功率 图9(a) UG =1, Eq =1 图9(b) UG =1, Eq =0.1 凸极机临临界点的（Eq，Pe.cr，cr）关系 UG/p.uPt/p.uEq/p.uPe.cr/p.ucr/rad 1.00.0806651.01.0768531.425001 1.00.0806650.10.1630820.974991 2）失步功角与同步电势的关系 用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据 3）失步点同步电势、总功率、失步功角的关系式 用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据 （1） （2） 在系统电压和阻抗确定的条件下,由（1）（2）式，给出功率 可解失步功角和同步电势,从而得出 的制约关系。 4）图10 临界状态下电磁功率与同步电势的对应关 系 用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据 令直线穿过两点 图11 线性化静稳边界 5）将同步电势转换为励磁电压并线性化 用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据 ）系统电压与电抗变化时Pe.cr的相对误差算例 励磁电压 0.250.50.751.0 系统电压 与阻抗变 化时的临 界有功值 US=1.1 Xt=0.14 0.3588750.5908240.8266021.069113 US=1.0 Xt=0.28 0.2617290.4534450.6472690.845486 临界有功误差百分值37.1230.3327.7126.45 用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据 励磁功率 总功率 反应功率 原推导:凸极机中的功率关系 原推导:直接由Xt（不由Xd、Xq）算 凸极机临界点功率、电势、功角关系 因此可直接由Pt（不由Xd、Xq）算凸 极机临界点功率、电势、功角关系 （1） （2） 原算式 用Pt 代换 原推导:凸极机临界点 功率、电势、功角关系 原推导: Ft为已知条件下先 由临界点总功率求临界功角 定义反应 功率系数 失步角度 与反应功率 系数的关系 原推导:由总功率求出临界 点失步角度后再求同步电压 仍然与系统统 电电抗电压电压 相关 与图5相似: 异步边界阻抗圆实质为等无功圆 图12 发电机无励磁异步运行等值电路 3. 异步边界阻抗圆判据 图14 略去X2的 异步边界阻抗圆图 图13 略去X2的 异步运行等值电路 与图7相似 对应于一定的电压U， 无功恒定，有功变化时， 轨迹为图14的等无功圆. 异步边界阻抗圆判据 s 0 s = 图15 计及X2的等值电路 图16 计及X2的 异步边界阻抗圆图 异步边界阻抗圆判据 只证明了完全失磁后的发电机测量阻抗会进入该 阻抗圆，而未证明完全失磁之外的其它状态（包括 不可能失步的状态）是否会进入该阻抗圆。 由于本质上是当前运行电压下的无功边界，因此 ，凡在该电压下吸无功量大于该阻抗圆界定的无功 量时，均可使保护动作。 例:系统电压的短时下降或发电机突然甩掉部分负 荷时，发电机加速，功角增大，进入吸无功，可能 启动保护使之误动。 异步边界阻抗圆判据 同步状态下,当=(/2)时，发电 机吸无功为： 图9 异步阻抗保护误动图 异步阻抗圆的无功边界值为 显然,发电机吸无功量已越过异步阻抗 圆的无功边界 令同步运行发电机的等效电抗 由无功算式可得：X的绝对值小于Xd,随吸无功量增大而减小。 令有功由0增大(取各种有功状态)作出此同步状态下的直径为X的等无功阻抗 圆如图9所示。由于XXd，该圆必与异步阻抗圆相交。相交部分正好是靠近额 定有功区段(靠近s=0的区域)，必然引起保护误动。 异步边界阻抗圆判据 隐极发电机部分失磁，残余同步功率将使机端测量阻抗反复进 出于异步阻抗圆，保护间断起动。 图图10 x-r曲线曲线 （部分失磁）（部分失磁） 异步边界阻抗圆判据 隐极发电机完全失磁、在励磁完全衰减之前，机端测量阻抗将 反复进出于异步阻抗圆，保护间断起动，直至励磁完全衰减之 后才能稳定于异步阻抗圆内，当励磁衰减时间常数较大时，会 极大地延缓保护的动作速度。 图11 x-r曲线（完全失磁） 异步边界阻抗圆判据 凸极发电机完全失磁后，反应功率将使机端测量阻 抗反复进出于异步阻抗圆，保护间断起动。 凸极发电机发出的有功功率算式： 异步边界阻抗圆判据 4.励磁短时下降动作特性仿真 系统接线图 电压U1U2U3Eq1Eq2 幅值1.0561391.0582161.0148832.7466132.745081 相角0.1916620.1924590.0799910.9710750.972788 支路0-31-32-3G1-1G2-2 有功 - 1.419153 0.8548122.5645310.9000002.700000 无功0.5372070.2657930.7913370.4174751.247864 稳态运行初始值 励磁短时下降动作特性仿真 失磁阻抗 保护定值 圆心 半径 励磁短时下降动作特性仿真 SN发电机在额定电压下满载无励磁异步运行时的 额定转差率； PN发电机的额定功率；P是稳定状态下发电机（ 即原动机）的运行功率； K可靠系数。 。 失磁阻抗 保护定值 励磁短时下降动作特性仿真 机组未失步，同 步电势的回升与 异步功率的上升 使失磁机组稳定 于第2摆 阻抗保护误动， 功角保护未动。 励磁短时下降动作特性仿真 励磁短时下 降,失磁机组 已进入有励 磁异步运行 状态 功角保护稳 定动作。阻 抗保护最终 未能进入异 步阻抗圆， 前端误动 。 励磁短时下降动作特性仿真
