天荒坪抽水蓄能電站機(jī)組失磁保護(hù)配置淺談

摘 要：發(fā)電機(jī)失磁是指發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁突然全部消失或者部分消失。引起失磁的原因有轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁系統(tǒng)故障、自動(dòng)滅磁開(kāi)關(guān)誤跳閘、半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；失磁；保護(hù)裝置

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省湖州市安吉縣境內(nèi)，電站總裝機(jī)容量1800MW，裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量為300MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組。在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務(wù)。

一、發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行的后果

發(fā)電機(jī)完全失去勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流將逐漸衰減至零，由于發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著勵(lì)磁電流的減小而減小，因此，其電磁轉(zhuǎn)矩也將小于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因而引起轉(zhuǎn)子加速，使得發(fā)電機(jī)的功角增大，當(dāng)功角超過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定極限角時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機(jī)失磁后將從電力系統(tǒng)中吸取感性無(wú)功功率。在發(fā)電機(jī)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子回路中將感應(yīng)出頻率為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率差的電流，此電流產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩。當(dāng)異步轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡時(shí)，即進(jìn)入穩(wěn)定的異步運(yùn)行。

當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁進(jìn)入異步運(yùn)行時(shí)，將對(duì)電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生很大影響：

（1）需要從電力系統(tǒng)中吸收很大的無(wú)功功率以建立發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)。所需無(wú)功功率的大小，主要取決于發(fā)電機(jī)的參數(shù)以及實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率。失磁前帶的有功功率越大，失磁后轉(zhuǎn)差就越大，所吸收的無(wú)功功率也就越大，因此，在重負(fù)荷下失磁進(jìn)入異步運(yùn)行后，如不采取措施，發(fā)電機(jī)將因過(guò)電流使定子過(guò)熱。

（2）發(fā)電機(jī)從電力系統(tǒng)吸收無(wú)功，引起系統(tǒng)電壓下降。如果電力系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備不足，將使鄰近故障發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)某點(diǎn)電壓低于允許值，使電源與負(fù)荷間失去穩(wěn)定，甚至造成電力系統(tǒng)因電壓崩潰而瓦解。

（3）失磁后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，因此，在轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路之間產(chǎn)生差頻電流，差頻電流在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生的損耗，如果超出允許值，將使轉(zhuǎn)子過(guò)熱。大型機(jī)組，其熱容量的裕度相對(duì)較低，轉(zhuǎn)子更易過(guò)熱。

對(duì)水輪發(fā)電機(jī)而言，由于：①異步功率較小，必須在較大的轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行，才能發(fā)出較大的功率；②由于水輪機(jī)的調(diào)速器不夠靈敏，可能在功率尚未達(dá)到平衡以前就大大超速，從而使發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解裂；③同步電抗較小，如果異步運(yùn)行，則需要從電力系統(tǒng)吸收大量的無(wú)功功率；④其縱軸和橫軸很不對(duì)稱(chēng)，異步運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振動(dòng)較大等，因此水輪發(fā)電機(jī)一般不允許在失磁以后繼續(xù)運(yùn)行。

二、失磁保護(hù)轉(zhuǎn)子判據(jù)

發(fā)電機(jī)失磁后，其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電壓會(huì)出現(xiàn)降低，降低的幅值隨失磁的方式而不同。失磁保護(hù)的轉(zhuǎn)子判據(jù)，根據(jù)失磁后勵(lì)磁繞組電壓初期下降的特點(diǎn)來(lái)判別失磁故障。

三、失磁保護(hù)的構(gòu)成方式

大型發(fā)電機(jī)失磁后，當(dāng)電力系統(tǒng)或發(fā)電機(jī)本身安全運(yùn)行遭到威脅時(shí)，應(yīng)將故障的發(fā)電機(jī)切除，以防止故障擴(kuò)大。完整的失磁保護(hù)通常由發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗判據(jù)、轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)、變壓器高壓側(cè)低電壓判據(jù)、定子過(guò)電流判據(jù)構(gòu)成。

四、天荒坪電站失磁保護(hù)配置

天荒坪電站由于抽水蓄能電站的特性原因設(shè)置了發(fā)電方向和抽水方向兩套獨(dú)立的失磁保護(hù)。其中1～5號(hào)機(jī)采用ELIN公司的數(shù)字元件保護(hù)系統(tǒng)DRS和西門(mén)子7UM62發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，6號(hào)機(jī)采用安德里茨公司的DRS數(shù)字式保護(hù)系統(tǒng)。

天荒坪電站失磁保護(hù)的邏輯圖如下圖所示：

圖中的繼電器為轉(zhuǎn)角測(cè)量繼電器，T1，T2為時(shí)間繼電器，Ig，Ug為發(fā)電機(jī)電流，電壓，Ilc為勵(lì)磁電流。

采用安德里茨公司的DRS數(shù)字式保護(hù)系統(tǒng)的該保護(hù)，以異步阻抗圓元件和勵(lì)磁低電流作判據(jù)檢測(cè)發(fā)電機(jī)失磁。該保護(hù)分兩段動(dòng)作，一段動(dòng)作時(shí)間：過(guò)原點(diǎn)擴(kuò)大的靜穩(wěn)邊界阻抗圓判據(jù)，報(bào)警，二段動(dòng)作時(shí)間：過(guò)原點(diǎn)擴(kuò)大的靜穩(wěn)邊界阻抗圓+無(wú)勵(lì)磁電流判據(jù)，跳閘。

該保護(hù)的ELIN公司數(shù)字元件保護(hù)系統(tǒng)DRS分兩段動(dòng)作，通過(guò)轉(zhuǎn)角測(cè)量元件測(cè)量功角，當(dāng)功角過(guò)大超過(guò)整定值，長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作。當(dāng)功角過(guò)大超過(guò)整定值并且勵(lì)磁電流過(guò)小達(dá)到整定值時(shí)，短延時(shí)動(dòng)作?，F(xiàn)該裝置保護(hù)在信號(hào)狀態(tài)。西門(mén)子7UM62發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的該保護(hù)是通過(guò)計(jì)算發(fā)電機(jī)導(dǎo)納作為動(dòng)作判據(jù)，通過(guò)發(fā)電機(jī)組的導(dǎo)納值的變化與勵(lì)磁電壓低判據(jù)的配合實(shí)現(xiàn)報(bào)警、短延時(shí)跳閘、長(zhǎng)延時(shí)跳閘功能。安德里茨公司的DRS數(shù)字式保護(hù)系統(tǒng)的失磁保護(hù)以異步阻抗圓元件和勵(lì)磁低電流作為判據(jù)檢測(cè)發(fā)電機(jī)失磁。該保護(hù)分兩段動(dòng)作，一段：過(guò)原點(diǎn)擴(kuò)大的靜穩(wěn)邊界阻抗圓判據(jù)，動(dòng)作報(bào)警，二段：過(guò)原點(diǎn)擴(kuò)大的靜穩(wěn)邊界阻抗圓與無(wú)勵(lì)磁電流為判據(jù)，動(dòng)作于跳閘。

本文所提的失磁保護(hù)配置，經(jīng)歷了20年的實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)，可以說(shuō)明天荒坪電站的失磁保護(hù)配置合理，順利保護(hù)了發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，為電站實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、穩(wěn)定經(jīng)營(yíng)提供了有力保障，同時(shí)也可以為同類(lèi)電站的保護(hù)配置提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]王維儉.《電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用》.北京：中國(guó)電力出版社 1996.

[2]黃暉，陸繼明.《抽水蓄能機(jī)組微機(jī)勵(lì)磁控制器的研制》.大電機(jī)技術(shù)，2004.5.

作者簡(jiǎn)介：

許繼飛（1991-），男，本科，主要從事水電站運(yùn)行管理工作。

（作者單位：華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司）