反向无功做为发电机失磁保护判据的应用研究

窦君

摘要：电力系统是一个庞大而复杂的人工控制系统，随着机组容量和电网规模的扩大，电网风险也在不断加大。其中，发电机励磁系统对机组和电网的安全尤为重要。发电机失磁不仅会引起机组的振动和局部过热，还会出现反向无功造成电网的电压下降。失磁保护做为机组和电网安全的一道屏障，最大限度的发挥着继电保护的防线作用。因此，合理的配置失磁保护判据和进行整定计算使保护功能得到稳定和优化显得至关重要。

关键词：失磁保护；反向无功；整定计算

发电机在运行过程中失去励磁电流使转子磁场消失，叫做发电机失磁。发电机失磁引起的机组振动和局部过热不仅会损坏机组设备，还会因为出现反向无功而造成电网的电压下降。失磁保护做为机组和电网安全的一道屏障，最大限度的发挥着继电保护的防线作用。按照最新的电力生产反措要求，发变组保护装置应取消励磁电压这一模拟量开入。励磁电压判据是失磁保护中最可靠的一个逻辑判据条件，为保证机组和电网运行的稳定加强对失磁保护的研究，找到一个合理而可靠的失磁保护配置和整定计算方案是十分必要的。

1 失磁保护的典型配置

运行中的发电机失去励磁時，电网规定：经过试验证明允许无励磁运行且不会使系统失去稳定者，在系统电压允许的条件下，可不急于立即停机而应迅速恢复励磁。不符合上述要求的，失磁后应立即将发电机解列。发电机失磁后，相当于一台电动机从系统吸收无功供给定子和转子产生磁场用。当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]。

失磁保护，主要利用发电机失磁后的参数变化特点构成：（1）国内比较普遍采用的保护主判据有静稳阻抗圆和异步边界圆[2]。失磁的危害判据有系统低电压和机端低电压，用来判别发电机失磁对系统和厂用电的影响。（2）静稳极限圆和异步边界圆做为判据的失磁阻抗继电器能够鉴别正常运行与失磁故障。但在发电机外部短路故障、系统振荡、线路充电及电压回路断线等情况下失磁保护可能误动作，因此增设辅助判据才能保证保护的选择性。常用的辅助判据有励磁电压，负序分量。（3）系统振荡过程中，机端测量阻抗轨迹只可能短时穿过失磁继电器的动作区而不会长时间停留在动作区内，因此失磁保护带有延时可以躲过振荡的影响。

2 反向无功判据的应用

最新的电力生产反措要求，发变组保护装置应取消励磁电压的模拟量开入。由于国内装置的失磁保护普遍采用励磁电压做为判据条件，为保证机组和电网运行的稳定需要加强对失磁保护的研究，找到一个合理而可靠的失磁保护配置和整定计算方案。

针对失磁保护的配置现状，从发电机失磁后的参数变化特点提出采用反向无功做为失磁保护主判据的解决方案。该判据的失磁保护直接反应发电机失磁后的机组从系统吸收无功的程度和定子过电流的情况[3]。发电机失磁保护应用反向无功判据的配置方案（南瑞RCS-985A）如下：

（1）失磁I段：定子阻抗判据，延时0.5～1.0S，动作于报警信号。

（2）失磁Ⅱ段：定子阻抗判据+机端低电压+反向无功判据，延时0.5S停机。

（3）失磁Ⅲ段：定子阻抗判据+反向无功判据，延时1.0S，动作于停机。

发电机反向无功判据与异步边界阻抗圆配合，一般按额定有功功率的10%～20%整定。阻抗圆类型可通过控制字“阻抗特性”选择，反向无功判据与阻抗判据结合，通过控制字“无功反向判据投入”选择。阻抗圆的选取不局限于异步阻抗圆、静稳边界圆，工程实际使用可以选择两种阻抗特性之间的阻抗圆，兼顾可靠性和快速性，具体配合方式如图所示。

3 反向无功定值的整定计算

发电机参数：额定有功320MW，额定电压20kV，额定定子电流为10867.8A，CT变比15000/5A，PT变比20/0.1kV。发电机组励磁调节系统的低励限制定值和失磁保护定值，如下表所示：

通过计算，分析反向无功定值在不同有功负荷下与失磁阻抗圆的边界关系，并和励磁限制考虑配合性。由于励磁系统的低励限制采用多折线的形式，分别对不同有功负荷下的定值可靠性进行计算分析：

3.1 320MW有功负荷

根据反向无功定值可以计算出实际的无功功率为-64MVar，此时对应发电机阻抗角为：

验证分析：320MW有功负荷时，反向无功判据定值在低励限制和失磁保护的静稳圆之间，满足可靠性要求。

3.2 240MW有功负荷

验证分析：根据上述计算过程240MW有功负荷时，反向无功判据定值在失磁保护的静稳圆之外，由于低励限制值的绝对值小于无功判据值的绝对值，励磁限制会先于保护动作，满足可靠性。

3.3 160MW有功负荷

验证分析：根据上述计算过程160MW有功负荷时，反向无功判据定值在失磁保护的静稳圆之外，由于低励限制值的绝对值小于无功判据值的绝对值，励磁限制会先于保护动作，满足可靠性。

3.4 80MW有功负荷

（1） RCS-985A失磁保护的异步圆动作边界方程：

将P=80MW，Q=-80MVar对应的机端测量阻抗R和X代入边界方程中，结果大于245。虽然低励限制的绝对值大于反向无功判据的绝对值，但是不会满足低电压和阻抗判据条件。

（2）WFB-800失磁保护采用静稳圆，虽然低励限制和反向无功判据条件进入圆内，可选择只投入II段定值，既阻抗+低电压判据。

验证分析：根据上述计算过程80MW有功负荷时，反向无功判据定值，满足可靠性。

4 研究结论

本文重点探讨反向无功做为发电机失磁保护判据的合理性和可靠性，通过计算反向无功定值在不同有功负荷下与失磁阻抗圆的边界关系，来分析励磁限制考虑配合性。该配置方案已成功运用于320MW大型发电机组的失磁保护上，通过理论分析、试验调试和实际运行情况证明，反向无功做为失磁保护的判据条件对提高机组的稳定运行水平和降低保护的误动率具有非常重要的意义。

参考文献：

[1]孟凡超，吴龙.发电机励磁技术及事故分析.中国电力出版社，2008.

[2]姜晟.发电机失磁保护的主要判据[J].工程与技术，2006（05）.

[3]薛伊琴.发电机失磁保护原理的比较和分析[J].继电器，2005，33（20）.