对发电机失磁保护的浅析
摘要：发电机的失磁保护和失步保护对于发电机而言非常重要，一般而言，两种保护的依据都是故障时的阻抗变化轨迹特性，因此两者在某些阻抗区域的动作会有重叠，从而造成失磁保护和失步保护的逻辑运算冲突。本文从发电机失磁保护和失步保护的分析出发，进而探讨了发电机失磁保护和失步保护的冲突，最后提出了两种保护的协调方案。
关键词：失磁保护；失步保护；冲突
目前，大部分的发电机在某种程度上都允许一定的进相运行，选择的是异步圆当作失磁保护的动作阻抗区域；而失步保护所使用的动作阻抗区域则为一种叶形区域。两者的保护依据主要取决于阻抗的变化，而在实际的运用中，对于失磁保护而言，除了受到了阻抗的影响也受到了其他因素的影响，比如转子电压，这个因素同时也是区分失磁故障与失步故障的一个依据。
1发电机失磁现象
发电机失磁[1，2]是指正常运行发电机的励磁电流全部的或部分的消失现象。引起发电机失磁原因有：励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、转子绕组故障、回路发生故障以及误操作、半导体励磁系统中某些元件的损坏等等。失磁是发电机常见故障形式之一，特别是大型发电机组，由于励磁系统环节较多，因而也加了发生失磁的机会。发电机发生失磁以后，励磁电流将逐渐衰减至零，发电机的感应电势Ed随着励磁电流的减小而不断减小，电磁转矩将小于原动机的转矩，因而使转子加速，导致发电机功角增大。当发电机功角超过静稳极限角时，发电机将会与电力系统失去同步。发电机失磁后将从系统中吸取一定的感性无功来供给转子励磁电流，转子会出现转差，在定子绕组中感应电势，定子电流增大，定子电压下降，有功
功率下降，而无功功率反向并不断增大，在转子回路会有差频电流产生，整个系统的电压会下降，某些电源支路也会产生过电流，发电机的各个电气量不断的摆动，严重威胁发电机和整个电力系统的安全稳定运行。
2发电机失磁危害
发电机失磁后，发电机转子和定子磁场间出现了速度差，则在转子回路中感应出差频电流，引起转子局部过热，甚至灼伤，同时发电机受交变异步电磁力矩冲击而发生振动，尤其在重负荷下失磁将发生剧烈振动，直接威胁机组安全运行。此外，发电机从系统吸收无功功率引起系统电压下降，如果系统无功储备不足则可能使系统电压低于允许值，甚至电压崩溃而瓦解系统。
3发电机失磁保护判据
3.1定子侧阻抗判据
定子阻抗判据有静稳边界阻抗判据和异步边界阻抗判据2 种。静稳边界阻抗判据是根据发电机失去静稳时机端阻抗的变化轨迹而设立的，异步边界阻抗判据是根据发电机失磁后转入稳定异步运行时机端阻抗的变化轨迹而设立的，动作时间比较晚。静稳边界阻抗判据和异步边界阻抗判据动作区域都为圆，如图1 所示。
3.2转子低电压判据
转子低电压判据也是根据发电机的静稳边界而设计的，包括等励磁电压判据和变励磁电压判据。等励磁电压判据动作电压值为定值，一般为额定空载励磁电压的80 %。变励磁电压判据的动作电压值随发电机输出的有功功率变化而改变
3.3三相同时低压判据与过功率判据
三相同时低压判据分为主变高压侧三相低压判据和机端三相低压判据。主变高压侧三相低压判据防止发电机失磁故障造成高压母线电压的严重下降，导致系统稳定性破坏，动作电压取
为母线额定电压的80 %～85 %。机端三相防止发电机失磁故障造成电厂辅机不能正常工作，动作电压一般取为发电机额定电压的80 %。过功率判据监视发电机输出的有功功率，若有功功率大于一定值，则降低发电机输出的有功功率。减小水轮发电机输出的有功功率可防止水轮发电机因失磁故障而失步，减小汽轮发电机输出的有功功率则有可能将异步运行的汽轮发电机拉入同步。
4.发电机失磁保护方式浅析
4.1阻抗原理发电机失磁保护
在发电机出现失磁故障后，利用阻抗原理进行发电机失磁保护，是比较常见的一种保护方式，在应用此种方式进行发电机失磁保护时，主要是以阻抗圆为主判断依据，对短路、系统震荡、PT断线等故障机组进行系统分析，从而有针对性地进行发电机失磁保护。在利用阻抗原理進行发电机失磁保护时，可以从以下几个方面做起。①阻抗保护Ⅰ段，阻抗Ⅰ段是缩小的异步边界阻抗圆。
在这个阻抗圆之中，具有很好的稳定震荡效果，只需0.1s就可以躲过由励磁短路原因引发的相关震荡，并且还有保护重负荷动作的作用，在电压互感器回路之中三相断线也不会出现动作上的延误，只需用负性电压互感器，就可以对回路进行非对称断线。②阻抗保护Ⅱ段，阻抗Ⅱ段是圆由静稳边界阻抗圆切除无用部分组成，动作特性如图2所示。
在阻抗Ⅱ段之中，更好地满足了发电机运行需要沿用的阻抗切线，这样当发电机还没有完全失磁后时，可以通过相应的运行调整，并进入圆区内，这样即使在系统出现震荡时，沿着相应的阻抗轨迹就可以快速的进入到阻抗Ⅱ段圆之中，且在独立加速元件运行，延时时间也会缩短到0.1s左右，并将闭锁电压排除在外，通过低电压闭锁电压互感器控制发动机之中回路三相中的错误动作。③低电压保护，在利用阻抗原理进行发电机失磁保护时，低电压保护可以理解为阻抗保护Ⅰ段与Ⅱ段的补充，如当系统之中阻抗较大时，发电机易出现失磁故障，
阻抗保护Ⅰ段与Ⅱ段由于动作比较迟缓，易出现拒动，但是低压元件由于动作更加快速，因此进行低电压保护可以实现更好的安全作用。此外在系统之中，还会出现大机组或者与系统联系较为薄弱的机组失磁，这会导致变压器高压侧电压急剧下降，从而对系统运行造成危害，但是低电压保护，除有防止震动作用效果外，还可以防止外部短路时误动。④低励磁电流保护，在发电机部分失磁，与励磁电流低有一定的关系，由于励磁电流低，导致转子环磁路不饱和，这样通过护环垂直进入定子端叠片的磁通量就会大幅度加赠，从而产生一个较大的磁漩涡，并引发电动机系统定子端局部发热。因此在阻抗原理进行发电机失磁保护时，就可以通过低励磁电流保护方式，将系统中的有功功率进行限制，从而对发电机进行失磁保护。
4.2逆无功原理发电机失磁保护
运用逆无功原理对发电机进行失磁保护，也是十分常见的一种方式，通过以往的实践证明可以发现，利用逆无功原理对发电机进行失磁保护作用效果十分理想。对此从保护依据、保护逻辑图两个方面，对逆无功原理发电机失磁保护进行分析。首先在构成原理方面，当发电机出现失磁故障后，会出现逆无功和定子过电流，利用运用逆无功原理对发电机进行失磁保护，可以直接的反应出发电机无功吸收程度和定子过电流产生情况，从而适当的增加机端低电压、调节系统电压，并通过机组功率，监视发电机失磁对机组及机组系统产生的影响。逆无功原理的发电机失磁保护
（1）保护的判据
并网运行的发电机失磁之后无功很快进相（功角在90b之前便进相），此时若发电机维持的有功较大则定子过电流。该原理失磁保护直接反映发电机失磁后机组从系统吸收无功的程度和定子过电流的情况，又增加了机端低电压、系统低电压、机组有功功率的判据从而能监视失磁对机组本身和系统的影响。检测发电机失磁运行的主判据为逆无功和定子电流。失磁运行的危害判据有系统低电压、机端低电压和有功功率。系统低电压、机端低电压用于判断
失磁对系统及厂用电的影响；有功功率用于判断失磁运行对机组的危害程度。保护中采用判据的物理概念清晰、容易整定且不受系统运行方式的影响。该保护原理取消了转子电压的辅助判据，特别适合于无刷励磁的发电机。
（2）保护躲系统异常运行的方案
系统异常运行方式主要有系统振荡和系统故障。采用延时元件可躲过系统振荡对保护的影响；采用负序电压闭锁元件可躲系统故障及故障切除后系统振荡对保护的影响。
5 结论
在电力设备运行过程中，发电机是不可或缺的动力元件，而在发电机运行过程中，很容易出现失磁故障，而利用阻抗原理和逆无功原理都可以对放电机失磁进行保护，从而为电力系统稳定提供保障。
参考文献
[1]於岳祥.失磁保护和失步保护源网协调配置技术研究[D].华北电力大学，2016.
[2]郭文宇.同步发电机的失磁过程分析与保护方法研究[D].重庆大学，2015.
（作者单位：中海油田服务股份有限公司钻井事业部）
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