张方庆,李 敏，张成峰

(湖南潇湘水电站，湖南省永州市 425000)

0 前 言

湖南潇湘水电站地处永州市中心，共设计4台单机容量为13 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，发电机通过110 kV升压变与5.2 km外的中心枢纽变电站并联。发电机额定电压为6 300 V，额定电流为1 324 A，同步电抗为1.029，暂态电抗为0.43，额定励磁电压为213 V，额定励磁电流为686 A，采用可控硅自并励励磁方式。 为防止水轮发电机在失磁故障下运行，设计了一套失磁保护回路：利用异步边界阻抗作为主判据延时出口使发电机与系统解列，机组按电气事故停机程序停机。

发电机并网运行后，失磁保护在2周内连续5次动作导致事故停机，对机组产生了严重的机械冲击。事后对励磁系统装置进行全面检查，无任何不正常现象，保护装置进行校验动作可靠，排除了装置本身存在误动的可能，确认是失磁保护因系统波动而引起误动。在全面地分析了导致失磁保护误动原因的基础上，着重讨论了利用异步阻抗圆作为主判据、励磁电压作辅助判据来反映与系统连接紧密的水轮发电机失磁保护的可靠性和灵敏性，通过试运行后取得较好的效果[1-7]。

1 异步阻抗圆作为主判据

异步边界圆是目前使用较多的失磁保护主判据，它是根据发电机失磁后会最终进入异步运行，异步阻抗圆会落入阻抗平面的第三、四象限动作区而使阻抗继电器动作。而发电机的机端阻抗为：

(1)

式中：Us为发电机电压；Ps为发电机有功功率；Qs为发电机无功功率；Xs为系统阻抗；φ为发电功功率因数角。

2 励磁电压作为辅助判据

利用异步边界圆作为与系统连接紧密的水轮发电机失磁保护动作主判据时，为防止保护误动必须加以辅助判据。

发电机失磁后异步边界阻抗圆完全落在阻抗平面的第三、四象限内，有利于减少非失磁时的误动作，且在电源两则电动势相等的系统振荡时，失磁保护不会误动。但是与发电机连接紧密的系统中对空载长距离线路充电，线路对地电容的影响导致机端测量阻抗呈容性，落在阻抗平面的第四象限，失磁继电器很可能误动。在PT回路断线、系统出现相间、接地短路故障引起的振荡以及系统中的发电机并列与解列都可能使保护误动。特别是与系统连接阻抗X越小，阻抗动作区越大，误动的几率越大。潇湘水电站原设计的失磁保护无辅助动作判据，共出现了5次误动；其中2次因为系统倒闸操作(空投大型变压器、空投长线路)而误动；2次因为地网发电机组在晚上顶峰完后与系统解列时的误动；1次因为地网短路故障而误动。而失磁阻抗圆的整定计算为：

=3.94∠-90° (Ω)

(2)

=22.6∠-90° (Ω)

(3)

式中：Xd′为发电机暂态电抗；Uef为发电机额定电压；Ief为发电机额定电压；KLY为发电机PT变比(本式取6000/100 V)；KLH为发电机CT变比(本式取2000/5 A)；Xd为发电机同步电抗；Krel为可靠系数(本式取1.2)。

当时失磁保护阻抗整定值为ZA=4 Ω、ZB=23 Ω，其整定值计算从理论上讲是正确的，不存在整定值取小的可能性。所以为防止失磁保护的误动，必须加以辅助判据[10-14]。

3 方案选择

(1) 针对为防止失磁保护误动，我们讨论了负序分量闭锁、增加延时及减小动作区、倒闸操作闭锁、电压回路断线闭锁失磁保护的误动作。

以上各种方案都不能保证各种非失磁工况下均能可靠闭锁——负序分量闭锁只能闭锁外部短路引起的误动，而倒闸操作闭锁只能防止空投大型变压器、空投长线路引起的误动；断线闭锁只能防止PT回路断线时引起的误动；而无谓的延时保护出口时间或是减小保护动作区将使发电机失磁时，不能快速、准确地动作。如果要保证水轮发电机在各种非失磁工况下均能可靠闭锁，必须将以上各闭锁措施全部采用，这必将增加了保护的复杂性及增加相应的投资。

(2) 采用励磁电压的辅助(闭锁)判据能够保证与系统连接紧密的水轮发电机在各种非失磁工况下均能可靠闭锁，并能满足继电保护灵敏性、可靠性、快速性、选择性的要求。

根据电力系统对发电机励磁系统的要求，系统出现故障时，励磁电压、电流不但不减小反而要进行强行励磁使保护装置快速将故障从电力系统切除，而系统振荡时也将增加励磁来维持系统的稳定。在此基础上我们设计了失磁保护回路(如图1)。

图1 采用励磁电压辅助判据构成的失磁保护回路图

该保护回路是由异步边界特性圆的阻抗继电器构成失磁的定子主判据，由励磁电压构成失磁保护的转子辅助判据。当发电机失磁时，机端测量阻抗进入阻抗继电器整定的异步边界圆内，使继电器动作，而转子电压因失磁故障下降使转子低电压继电器返回，阻抗继电器出口延时后与低电压继电器组成与的逻辑关系，当两者满足要求时，失磁保护动作出口使故障发电机与系统解列，同时PLC执行事故停机程序。当系统出现波动时，即使阻抗继电器误动，也只是发中央信号，而不会使整套保护出口，因为此时的励磁电压不可能低于发电机的空载的励磁电压而使转子低电压继电器返回。

经过进一步讨论分析，此种失磁保护方案还存在以下几个凝问：

1) 系统波动时，发电机的励磁电压在某种情况下(如大量的容性负载)可能波动较严重，有可能使主判据和辅助判据同时满足要求而误动；

2) 发电机刚并入电网时，由于发电机带有功、无功需要过程，开始励磁电压很低，如果调速器、励磁调节器调节速率较慢或人为原因使有功、无功增加较慢时使发电机处于低励运行状态有可能使主判据和辅助判据同时满足要求而使失磁保护误动作；

3) 发电机励磁装置在灭磁开关跳闸时，是采用消弧栅和对常数电阻放电相结合的方式灭磁，在灭磁开关跳闸导致失磁时，转子绕组是一大电感线圈，灭磁过程中转子电压的暂态过程中会作周期不同的正负交变，或是可控硅交流侧电源故障时，在转子绕组中也会出现很大的暂态呈间断波形的过电压，加上转子绕组的时间常数较大，这些将造成发电机真正失磁时，辅助判据的转子低电压继电器出现来回抖动，使失磁保护拒动。

针对问题1),采取将定子主判据的失磁继电器动作经1.5 s延时(大于电力系统安全自动装置动作时间)后,再与转子辅助判据的低电压继电器组成“与”的逻辑关系使整组保护出口。在整定励磁低电压继电器时，应采取的方法是：只要保证发电机在空载运行时，低电压继电器不返回即可。而该电站发电机空载励磁电压为76 V，所以低电压继电器动作值整定为80%Uf=60 V,这样保证了失磁保护装置在系统波动时不误动造成事故停机。此外，为防止励磁电压因系统的无功波动而大幅度的波动，将调节器的调差系数由原来的第6档调小至第3档，减小励磁调节器的灵敏性，当系统出现无功波动时根据发电机的容量来调节无功的输出。

针对问题2)采取对机组的计算机监控系统程序进行修改的措施，机组采用PLC控制时，当发电机并网后立即带3 000 W的有功和1 000 Var的无功，保证发电机并网时不导致有功、无功的进相。

针对问题3)，一方面增加了利用灭磁开关常闭辅助触头延时出口使发电机解列、停机的回路，即并网后的发电机不管在什么情况下，只要灭磁开关跳闸不由定子主判据和转子辅助判据来启动保护回路，直接连跳发电机出口开关。这样完全甩开了因灭磁开关跳闸时正负变化的转子电压导致发电机失磁故障时失磁保护的拒动，能够保证保护正确、快速动作。另一方面在转子低电压继电器动作返回不延时的基础上，在其线圈中串接反相二极管 ，这样可以防止励磁系统交流故障或是可控硅故障出现失磁时，至少可以保证转子反相暂态电压使低电压继电器可靠返回，使失磁保护主、辅动作判据同时满足要求而出口。

为了确认更改后的失磁保护能够满足继电保护的要求，将并网的发电机进行了低励失磁、交流故障失磁试验，试验结果证明保护装置在失磁故障时能可靠动作。而通过1 a的运行实践证明在系统出现波动时失磁保护能可靠闭锁，保证了机组的安全、可靠运行。

4 结 语

(1) 与电力系统紧密的水轮发电机，采用异步阻抗圆的定子主判据和励磁电压的辅助判据相结合的方式，在设计合理的情况下，可以保证保护在因系统波动的非失磁故障情况下， 失磁保护不因误动作而事故停机；而在失磁故障时保护能够快速、可靠地反映故障并将失磁故障的发电机从电力系统中切除。该动作判据在整流型的保护装置上有着结构简单、原理清析、动作可靠的优点，能够满足继电保护“四性”的要求。

(2) 利用定子主判据、转子辅助判据构成的失磁保护方案时，要特别对转子励磁电压和电流在不同励磁方式和不同故障类型时暂态特性了解清楚，要防止发电机失磁故障时保护的拒动，正确把握准确性和可靠性。

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