发电机阻抗型失磁保护实例分析

发电机阻抗型失磁保护实例分析黄国兵（中海石油舟山石化有限公司，浙江舟山316015）摘要：介绍发电机阻抗型失磁保护原理和特点，通过对舟山石化15MW汽轮发电机几次失磁保护动作的分析，提出发电机失磁保护运行配置方面的一些建议，供同类机组参考。关键词：发电机励磁失磁保护阻抗1前言励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它关系到发电机及电力系统的安全稳定运行。然而，励磁系统的失磁故障在发电机的各类故障中是最高的，据有关资料统计，失磁故障占发电机各类故障的比例高达69.5%，所以，正确合理配置失磁保护，从而提高励磁系统运行稳定性，对各发电机乃至整个电力系统的安全运行十分重要。发电机失磁后，对电力系统的影响不再叙述。很明显，发电机的容量越大，失磁后对系统的影响越恶劣，相比之下，小容量机组的失磁保护没有引起足够的重视。在一些电力系统相对薄弱的地方或是发电机的稳定运行直接关系到企业的安全生产的时候，即使是小容量机组的失磁问题也是不容忽视的。目前国内应用的发电机失磁保护主流类型有两种：一种是阻抗原理型；另一种是逆无功原理型。阻抗型失磁保护原理：在发电机正常运行时，若用阻抗复平面表示机端测量阻抗，则测量阻抗的轨迹在第一象限（滞相运行）或第四象限（进相运行）内，发电机失磁后，机端测量阻抗的轨迹将沿着等有功阻抗圆进入异步边界圆内；对于逆无功型是发电机及励磁降低至不允许程度的主要标志，是逆无功和定子过电流同时出现。在此仅对阻抗型失磁保护进行叙述。2机组情况2.1发电机及相关辅助设备相关参数发电机：型号：QF-W15-2；功率：15000kW；电压：10500V；电流：1031A；功率因数：0.8；接法：Y；纵轴同步电抗：2.3115(标么值)；纵轴瞬变电抗：0.2521（标么值）厂家：杭州发电设备厂励磁机：无刷励磁机型号：TFL380/150-6（B）；额定容量：80kW；额定输出电压：265V；额定电流：300A；厂家：杭州长河发电设备有限公司励磁调节：无刷励磁装置型号：WL-56型；厂家：杭州三和电控设备有限公司发电机保护及测控部分：保护装置型号：DGT801E；测控装置型号：PSR661；厂家：国电南京自动化有限公司2.2保护定值设置情况保护装置DGT801E的阻抗型失磁保护的构成原理：由阻抗判据（Zg）、转子低电压判据（Vfd）、机端低电压判据（Ug）、系统低电压判据（Un）及过功率判剧（P）构成。舟山石化发电机实际采取的逻辑框图如图1。图1阻抗型失磁保护逻辑图从图1看出,现役发电机的失磁保护没有引入系统低电压判据及过功率判据,判据由机端测量阻抗、转子低电压和机端低电压几个参数组成。其中失磁保护t2的判据阻抗Zg的动作特性如图2：图2失磁保护阻抗圆特性图2表明，该装置可以视现实需要整定不同的阻抗圆圆心和半径，从而获得三种不同的保护类型，即静稳边界阻抗圆（图2中1号圆），过原点的下抛阻抗圆（图2中2号圆），异步边界阻抗圆（图2中3号圆）。实际当中舟山石化发电机失磁保护原始定值(其中Xc为圆心,Xr半径):Ugl=80V；Xc=-51Ω；Xr=51Ω；Rfd=0.92；Vfd=38V；t1=1S；t2=0.5S；t4=1S此定值最初委托地方电力公司核算，可以看出，最初的失磁保护是按照过原点下抛圆进行整定的。由于失磁保护t2频繁动作，每次检测处理硬件设备的同时，对保护定值也进行了多次核算和重新整定，2010年11月30日后,发电机失磁保护定值更改为:Ugl=80V；Xc=-20Ω；Xr=20Ω；Rfd=0.92；Vfd=38V；t1=1S；t2=0.5S；t4=1S2011年2月12日后,对保护定值再次修改为:Ugl=80V；Xc=-22.61Ω；Xr=18.16Ω；Rfd=0.92；Vfd=38V；t1=1S；t2=0.5S；t4=1S同时将励磁调节系统的低励限制由-20%Qn调整至-10%Qn,2.3保护动作情况2.3.1几次保护动作时相关参数几次保护动作时相关参数见表1。表1几次保护动作时相关参数第一次(2010.11.9)第二次(2010.11.30)第三次(2011.2.12)保护动作前发电机运行参数（一次值）P(KW)9200850012100Q(Kvar)580062007400COSφ0.90.870.86U(kv)10.4610.410.3I(A)620580760UL(V)191823.2IL(A)3.133.86保护动作时刻发电机保护装置记录参数（二次值）R(Ω)27.0625.43715.074X(Ω)9.08777.9862-8.081P(W)297301400Q(Var)-99-94-214Vfd(V)-1.526-9.766925.307I(A)1.90421.98882.9762Ugl(V)94.80591.73688.219(发电机PT：10000/100；CT：1500/5)表1中,第一次与第二次的Vfd为负,是因为此前一次发电机检修过程中,拆接转子电压线时接反,在第二次故障后进行了纠正,从图1看出,Vfd并不是一个保护动作决定性判据,只是当在阻抗条件满足启动失磁保护后,因Vfd的反向,致使保护动作出口的固有时间减少了1.5秒,提升了保护动作的灵敏性。2.3.2日常操作控制与保护动作经过由于要求发电机运行功率因数控制在0.8～0.95,所以当超出此范围时，就要求操作人员在后台遥调励磁进行控制,具体执行流程为:电气监控后台操作增/减指令——发电机测控接收命令脉冲输出——励磁调节屏接收指令后调节输出励磁电流,且励磁调节屏有屏上操作与外部操作两路执行励磁调节操作,外部操作进入屏内经过一光电隔离板后与屏上操作端子并联进入屏内的微机励磁调节器，另外屏上人机界面与微机励磁调节器通信也能操作调节。此前的励磁操作一直从电气后台进行遥调，励磁的增/减较频繁，机组在2008年5月投运，频繁出现失磁保护也就是从2010年11月开始，几次保护动作情况类似，都是在减励磁命令发出后一段时间，电气后台收到欠励报警，随即失磁t2保护动作跳机。3保护动作原因分析3.1机组运行工况方面机组(抽背式汽轮发电机)于2008年5月投运,由于工艺方面原因,发电机一直处于低负荷运行(经统计平均负荷为7MW～8MW),2010年5月大修后,工艺用汽量增加,发电负荷相应提升(平均负荷达10MW以上)。负荷的变化直接影响到发电机阻抗轨迹的变化，对比下面一组数据：失磁参数R(Ω)X(Ω)P(W)Q(Var)Ugl(V)Vfd(V)I(A)发电负荷10MW22.47414.2973422161041262.229MW23.915.63092041041181.98MW25.68819.188257207104.6699.51.86从以上数据看出,随着发电负荷的升高,发电机的阻抗轨迹从阻抗复平面的第一象限逐步趋近第四象限,也即负荷越高,运行轨迹越接近失磁保护阻抗圆动作区。这也是发电机为什么在投运两年后才出现失磁保护频繁动作的一个方面原因。3.2保护定值方面最初的保护定值中两个关键值整定为:Xc=-51Ω；Xr=51Ω,对照图2可以看出保护动作区域整定很大,当初电力公司从保护电网角度出发，对舟山石化的发电机失磁保护按此核算是可以理解的。第二次失磁保护动作之后,虽说对这一值进行了修改,但没有从实质上改变其阻抗圆类型,后来,我们结合几次保护动作时发电机及系统参数变化情况,(通过分析表1数据,保护动作时刻，最严重的第三次发电机由发出7.4Mvar的无功突变到吸收6.4Mvar的情形下，机端电压仍能维持在9.3kv)，说明发电机短时间一定程度的进相运行是允许的,为此,将发电机失磁保护按照异步边界阻抗圆进行整定（图2中的3号圆）。保护整定值计算：由发电机的参数计算阻抗基值:Xd基=NNIU3=10500÷(1.732×1031)=5.88Ω瞬变电抗、同步电抗的有名值：Xd’=Xd’*×Xd基=0.2521×5.88=1.48ΩXd=Xd*×Xd基=2.3115×5.88=13.59Ω以上结果为二次有名值,根据PT、CT的变比换算至一次值为：Xd’=4.44Ω；Xd=40.77Ω结合图2，按异步边界阻抗圆整定,得出Xc=-22.61Ω；Xr=18.16Ω。同时对励磁调节系统的低励限制曲线也进行了调整,把Q轴上的点(0,-20%Qn)提升至(0,-10%Qn),P轴上的点维持原值(Pn,0)不变。利用公式（1）：（1）将低励限制曲线由P—Q平面转换至失磁保护阻抗平面后，认为依据以上方法进行整定较为合理。3.3设备方面参照上面保护动作情况的描述,分析几次保护动作的后台记录,发现每次共同点都是当操作人员通过后台进行几次减励磁调节操作后，最后的一次减励磁命令发出约12～14s后，低励限制动作启动，之后1s，发电机失磁保护动作跳闸。针对励磁调节流程，对发电机测控装置、励磁调节的屏内的执行板件分别做了试验，结果表明，正常情况下励磁调节系统接受一个脉冲（试验测得脉冲宽度（110±1）ms）调节指令，增/减无功量为40～50kar，而从表1和发电机保护装置故障录波数据来看，几次保护启动时刻发电机都是正常状态下的从发出6～7MW无功，在时隔12秒后，变成吸收系统无功至低励限制动作的量（-20%Qn），由此表明，12秒的时间内，励磁执行环节执行的并非脉冲命令，而是一个连续的方波命令，导致了发电机的无功直线下跌以至欠励进相。4结论励磁调节系统经过一段时间的运行后，设备出现一些不稳定的缺陷（如互为冗余通道参数渐渐出现差异、内部板件上元器件明显发热变色、正常运行事件记录经常性误报等），导致执行遥调命令时出现偏离,加上失磁保护动作范围整定的不合理、灵敏度过高，是导致舟山石化发电机失磁保护频繁动作的根本原因。励磁系统硬件的定期维护、维修,软件的定期刷新与升级，是励磁系统可靠运行的有力保障，同时在最初配置选型的时候力求系统简单适用，可以大大减少故障率。其次，对于发电机的失磁保护整定，可结合发电机特性、所处系统以及试验结果合理选择保护类型和参数值。通过舟山石化发电机的运行实践得出：励磁系统完全能自动适应发电机运行工况的自调节功能，即使在电网出现小幅波动情况下，都无需人为干预励磁的调节,这样也避免了一些引发故障的诱因。参考文献[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.第二版.北京:中国电力出版社,2002[2]刘一丹，张小易，崔晓祥.火电厂发电机失磁保护阻抗判据的探讨.电力系统保护与控制,2010，38（20）：235～237