发电机失磁保护与欠励保护配合分析.doc

独立电网发电机失磁与欠励限制整定配合探讨
山东魏桥铝电有限公司 李现宝 周继红
【摘要】针对某电厂发电机失磁保护及励磁调节器低励限制保护功能的配合问题，本文根据独立电网不同发展时期的不同情况在励磁低励限制特性及失磁保护定值两方面细致分析、精确调整，保证了电网电压稳定和机组安全运行。
【关键词】 发电机组 失磁异步运行 励磁系统 低励限制及保护
1. 前言
发电机保护中设有失磁保护，而励磁系统设有欠励限制及欠励保护，一般要求在动作过程上低励限制要先于失磁保护动作，两者之间存在整定配合问题。现将某电厂7#发电机失磁保护与欠励限制整定配合问题进行分析。某电厂7#发电机为南京汽轮机电机有限公司所生产，机组型号为QFW-60-2。额定参数Pn=60MW Qn=45Mvar，Un=10.5kV,同步电抗为Xd=2.17,电流互感器变比为5000/5A。励磁系统为无刷励磁配有DVR-2000A数字式励磁调节器且A、B双通道冗余配置。励磁调节器中配有直线型欠励限制保护。发电机保护为许继集团WFB-810微机型发变组保护装置，设有根据测量发电机机端阻抗轨迹变化作为判据的失磁保护。
2. 事件简要过程
2008年10月10日17:30分，#7机有功负荷为47MW，无功由25 Mvar突升至52Mvar，运行人员手动降无功至26 Mvar左右，#7机恢复正常。19：48分，监盘人员发现#7机无功突升至61 Mvar，电压由10.3kV升至10.9kV，立即降#7机无功，同时倒#7机厂用电至备用段运行，此时#7机无功在40 Mvar至60Mvar之间摆动，19:49分，#7机无功负荷由40Mvar突甩至-15Mvar，同时#7机A通道手动励磁指示灯闪亮后消失，接着#7机励磁屏A通道欠励指示灯亮，“#7机励磁系统CHA故障”光字牌亮，同时警铃响、喇叭叫，发电机出口开关绿灯闪光，“#7机失磁保护动作”光字牌亮，#7机失磁保护动作跳机，异常发生后派人去#7机励磁机就地检查无异常。
3. 原因分析
#7机从正常运行到失磁保护动作以及事故处理完毕恢复运行，励磁调节装置一直运行在A通道。
3.1. #7机在运行中出现无功增大现象，运行监盘人员发现后，做出手动降无功的处理思路是正确的，另外监控录像中记录的运行人员降无功的操作过程操作正确。
3.2. 从故障现象和发电机保护动作报告可以判断发电机失磁保护动作正确。
3.3. 失磁跳机后，检修人员对励磁机接线盒进行检查后即并网运行，运行中未发现异常； 10月14日，#7机停机后，对#7发电机励磁回路及相关设备接线进行了检查，未发现有异常现象，因此可以排除装置外部接线松动或回路故障引发的无功突增。
3.4. 从故障现象及光字牌可以发现，在励磁装置欠励动作后很短时间（几乎同时），发电机失磁保护就动作，说明励磁装置欠励限制未起作用，机组励磁电流仍继续减少。
3.5. 10月10日19时48分，#7机无功突增时，发现#7机励磁屏通道B的脉冲放大板上+A、+B、-A、-B指示灯闪烁，由于在事故前B通道显示屏花屏无法显示采样参数，运行人员在机组跳机后将B通道电源关断。为了查明通道B电源模块故障是否会影响无功的变化，10月14日早上7点30分，将通道B电源投上，在08点40分时，发现#7机无功由26Mvar突增至34Mvar，同时到#7机励磁屏处检查，发现B通道脉冲放大板上+A、+B、-A、-B指示灯闪烁。由此判明B通道电源模块故障引起了机组无功波动。
3.6. 在进行欠励限制试验时，在通道B电源模块故障情况下，发电机退出失磁保护后，发电机带有功负荷30MW进行手动降无功，当无功降至-10.8Mvar时,欠励动作,但无功没有反向增加；当把通道B电源模块更换后，在通道B工作正常后进行相同试验，发现在欠励动作后无功能够反向增加，此时欠励限制发挥作用。说明通道B电源模块故障时对通道A的运行有一定的影响。
3.7. 为检测#7机失磁保护与欠励限制的配合情况，将#7机有功负荷降至2MW，将#7机失磁保护投入，操作人员缓慢手动降#7机无功功率，在无功功率降至-21.4Mvar时#7机失磁保护动作跳机，而此时励磁机欠励保护未动作。在#3机上同样进行了低有功负荷情况下的进相运行试验，将有功功率降至5MW，人员缓慢降低无功功率，在无功功率降至-19.6Mvar时励磁机欠励限制保护动作，但几乎同时#3机失磁保护动作跳机。
综合以上现象及试验结果认为#7机励磁机B通道电源模块故障是造成发电机无功大幅波动进而引起跳机的主要原因。
另外双通道冗余的励磁调节器设计的最基本目的是当任一通道故障时不影响另一通道运行，但本次跳机事件却由于备用B通道电源模块的故障引起的。通过检查发现B通道的电源模块中的一个电容器故障，使CPU的工作电源电压波动从而引起装置多次重新启动，在启动过程中无法与A通道数据同步比较，根据不正常工作状态下采集到的数据进行调节输出从而对机组励磁系统的安全运行产生了致命的影响。在今后的生产运行中除了定期检测电源模块输出电压偏差在允许值之外还要坚决执行运行3-4年后更换电源模块的反事故措施，以保证装置运行可靠性。
由第3.7条试验现象可以初步判断失磁保护动作正确，但同时也发现欠励限制与失磁保护在低有功负荷段有公共的动作区。公司生产管理部门及一线人员经过讨论均认为失磁保护欠励限制无论在任何情况下都应配合，减少停机的次数并且建议机组失磁情况下仅发信号不跳闸。针对这一问题电网管理人员进行了详细的理论分析，由于机组本身未经过进相、失磁运行试验并且本厂的无刷励磁发电机组也无法直接测量发电机各部位尤其是定子端部的温度及转子各部位的参数，更不能确定失磁运行时发电机的运行状态是否良好，再者因为独立电网相比无穷大电网稳定性较差，若事故情况下出现机组失磁，有可能会引起局部系统的电压降落，容易扩大事故，甚至会引起电压崩溃或电气设备的损坏。经综合分析决定将失磁保护的异步阻抗仍投跳闸且在任何情况下均实现欠励限制先于失磁保护动作。
4. DVR-2000A数字式励磁调节器欠励功能简介
DVR-2000A数字式励磁调节器欠励限制按两段整定，如低励限制示意图见图1所示，第一条线为限制线，第二条线为保护线。在发电机无功功率未进入欠励限制线内，自动控制环起作用，此时无功环节跟踪，计算出的控制量不输出。当发电机无功功率进入低励限制区时，无功环计算出的控制量输出给可控硅，励磁调节器进入恒无功功率运行，控制无功功率在限制值附近，不会再继续减少，同时发报警信号。如果励磁调节器在某种工况下进入限制区，而没有被控制住，无功功率继续减少，当无功功率低于保护线时，励磁调节器发报警信号并且切手动方式运行。低励限制线和保护线为对应的限制线上无功功率的1.25倍。
图中Qa点为零有功时，允许进相的无功功率值。
Qb点允许发电机进相运行的最大有功功率。

图1:低励限制示意图
5. WFB-810微机型发变组保护装置失磁保护功能简介
发电机发生低励、失磁故障后，总是先通过静稳边界，然后转入异步运行，进而稳态异步运行。根据这一原理，失磁保护由两个阻抗圆构成，一个为静稳边界阻抗圆，另一个为稳态异步边界阻抗圆。失磁保护的阻抗继电器将位于阻抗平面的第三、第四象限，阻抗特性圆圆心在-χ轴上，两个圆相切于-χd。特性曲线见图1。静稳阻抗圆通过+χ轴的χst(联系电抗)和-χ轴的-χd，为防止非低励失磁工况下误动作，静稳阻抗圆只取图中实线内的区域，消除第一、第二象限的动作区。静稳阻抗园动作后，经较长时间动作于信号、压出力或切换励磁。严重失磁后，经延时发跳闸指令,失磁保护方案逻辑框图见图3。

图2 阻抗特性曲线 图3 失磁保护方案逻辑框图
6. 静稳极极功率圆阻抗与功率平面的结合
通常我们进行分析无论失磁保护或低励限制保护均是以静态稳定极限功率圆为基础确定。但失磁保护是在R-X平面上进行分析，低励限制是在P-Q平面上进行计算，为了验证两者之间参数配合，必须将两者归算到同一平面上。
发电机静态稳定功率极限圆其表达式为：

其中： P、Q—发电机有功、无功功率 U—发电机电压
Xe—发电机与系统连接阻抗 Xd—发电机纵轴同步电抗
此圆圆心在Q轴上，圆心的坐标为 半径为
励磁限制器欠励保护按此功率圆整定，而此失磁保护则是按R-X阻抗圆整定，将
将功率极限圆改为标准阻抗圆方程：

7. 失磁保护与欠励保护配合
7.1. 将原来的欠励保护限制原定值A点（0，-20）B点（66，0）修改为A点（0，-20）B点（85，0）,本次调整是根据机组静稳极限制性曲线中考虑10%静稳余量的情况下进行的,因为南汽DVR-2000中的低励特性为直线型,故对10%余量静稳曲线作切线,相交于A点（0，-20）B点（85，0）。发电机运行PQ图见图4

图4：发电机运行PQ图
7.2. 失磁保护的异步阻抗圆也稍作调整,因为考虑独立电网的特点，电网调度人员在整定失磁保护时针对于异步阻抗的最低点阻抗值乘了一个可靠系数（Kco=1.3）,故最低点的阻抗不再是Xd而是1.3Xd，调整异步圆最低点阻抗至Xd，即将许继WXH-810发电机保护中失磁保护定值中静稳动作阻抗、异步动作阻抗定值由原来的42.5Ω改为32.7Ω。调整前后的异步阻抗圆的示意图见图5

图5调整前后的异步阻抗圆示意图
8. 结论
针对地方独立电网且供电半径较小的电网,要根据电网的具体情况具体分析,比如文中电网的主力无功电源全部为发电机本身,正常情况下进相运行的可能性几乎为零。且本次出现的低励与失磁配合“不默契”的情况也仅是在有功功率极少而又严重进相运行的情况下出现的。再者针对独立电网机组带极少有功负荷严重吸收无功的异步运行工况下还不如尽快将机组解列，保护证电网电压提高电网的电压稳定水平。技术人员在不影响独立电网安全的前提下也要不断的纵横分析，做到在电网的不同发展时段去适应不同的管理理念。
总之独立电网中各级生产管理部门要根据电网不同的发展时期做出合理的决策，从技术管理和设备管理两方面双管齐下以保证独立电网的安全和稳定运行。
参考资料：
1. 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2002.
2. 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社,2001
3. 许继WFB-810微机发电机变压器组保护装置技术说明书
4. 南京汽轮电机集团DVR-2000A数字式励磁控制系统使用维护说明书
作者简介：
李现宝 山东魏桥铝电有限公司电气主任、继电保护技师,长期从事发电厂电气设备安装及电气设备检修维护工作。 地址：山东省邹平县经济开发区会仙4路 邮编：256200 电话：[phone] 邮箱：lxb923@
周继红 山东魏桥铝电有限公司 山东省邹平县经济开发区魏纺路12号 256200 0543-4684891
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