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1、同步发电机励磁保护,林莉，牟道槐，陈刚，唐毅,1.同步发电机励磁系统的结构,图1 同步发电机励磁系统的结构,统计数据表明，同步发电机励磁系统故障约占发电机总故障的60%以上。 同步发电机励磁系统故障分为部分失磁与完全失磁，导致发电机失步，进入有励磁异步运行状态或无励磁异步运行状态。 如果保护与控制不当，将对发电机造成严重损害，并威胁电力系统的安全。,2.同步发电机励磁系统故障保护的重要性,现行发电机失磁保护的判据有两类三种： 1）静稳定边界判据 用等无功阻抗圆表达的静稳边界判据 用励磁电压与有功函数关系表达的静稳边界判据 2）异步边界阻抗圆判据,3.现行主流励磁保护在原理上存在的缺陷,3.1
2、系统母线处测量阻抗,图2 系统等值电路,1) R-X并联电路的等效串联阻抗图及其与功率的关系,A）Rsh=const下的恒有功阻抗圆电路,分子、分母 同乘以2P,恒有功电路的等效串联阻抗圆图,图4 当U=const时,恒有功电路的等效串联阻抗为一个以R轴对称的圆图,B）Xsh=const下的恒无功阻抗圆电路,分子、分母 同乘以-j2Q,恒无功电路的等效串联阻抗圆图,汽轮发电机的静稳定边界条件：,3.2 用等无功阻抗圆表达的(反应无功边界的） 汽轮发电机的静稳边界判据,因此可用等无功阻抗圆表达汽轮发电机的静稳边界：,（吸无功量增大）,（与有功无关）,用系统母线处等无功阻抗圆表达汽轮发电机的静稳边
3、界,用发电机出口处等无功阻抗圆表达汽轮发电机的静稳边界,用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据,用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据,图7 用出口处等无功阻抗圆 表达的汽轮发电机静稳边界,缺陷 以小干扰稳定性概念提出来的； 建立在静态功角特性的基础上： 功角特性为正弦曲线 稳定破坏角度为cr=/2,用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据,图8(a).失磁后由于励磁电流急剧减小,使发电机的同步功率与功角的关系（同步功角特性）不是正弦曲线.,图8(a) 完全失磁的同步功率动态过程,用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据,图8(b)。异步功率出现。,图8(b) 完全失磁的
4、异步功率动态过程,图8(c) 完全失磁的 总电磁功率动态过程,图8(C)。总功率非正弦变化,用等无功阻抗圆表达的汽轮发电机的静稳边界判据,3.用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据,1）水轮发电机的有功算式,反应功率峰值,电磁功率=励磁功率+反应功率,励磁功率,反应功率,凸极机临界点的（Eq，Pe.cr，cr）关系,2）失步功角与同步电势的关系,用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据,3）失步点同步电势、总功率、失步功角的关系式,用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据,（1） （2）,在系统电压和阻抗确定的条件下,由（1）（2）式，给出功率 可解
5、失步功角和同步电势,从而得出 的制约关系。,4）图10 临界状态下电磁功率与同步电势的对应关 系,用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据,令直线穿过两点,图11 线性化静稳边界,5）将同步电势转换为励磁电压并线性化,用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据,）系统电压与电抗变化时Pe.cr的相对误差算例,用(Uf.minPe) 表达的水轮发电机的静稳边界判据,原推导:凸极机中的功率关系,原推导:直接由Xt（不由Xd、Xq）算凸极机临界点功率、电势、功角关系,因此可直接由Pt（不由Xd、Xq）算凸极机临界点功率、电势、功角关系,（1） （2）,原算式,用Pt 代换,
6、原推导:凸极机临界点 功率、电势、功角关系,原推导: Ft为已知条件下先 由临界点总功率求临界功角,定义反应 功率系数,原推导:由总功率求出临界 点失步角度后再求同步电压,仍然与系统 电抗电压相关,与图5相似: 异步边界阻抗圆实质为等无功圆,图12 发电机无励磁异步运行等值电路,3. 异步边界阻抗圆判据,图14 略去X2的 异步边界阻抗圆图,图13 略去X2的 异步运行等值电路,与图7相似 对应于一定的电压U， 无功恒定，有功变化时， 轨迹为图14的等无功圆.,异步边界阻抗圆判据, s 0, s = ,图15 计及X2的等值电路,图16 计及X2的 异步边界阻抗圆图,异步边界阻抗圆判据,只证明
7、了完全失磁后的发电机测量阻抗会进入该阻抗圆，而未证明完全失磁之外的其它状态（包括不可能失步的状态）是否会进入该阻抗圆。 由于本质上是当前运行电压下的无功边界，因此，凡在该电压下吸无功量大于该阻抗圆界定的无功量时，均可使保护动作。 例:系统电压的短时下降或发电机突然甩掉部分负荷时，发电机加速，功角增大，进入吸无功，可能启动保护使之误动。,异步边界阻抗圆判据,同步状态下,当=(/2)时，发电机吸无功为：,图9 异步阻抗保护误动图,异步阻抗圆的无功边界值为,显然,发电机吸无功量已越过异步阻抗圆的无功边界,令同步运行发电机的等效电抗,由无功算式可得：X的绝对值小于Xd,随吸无功量增大而减小。,令有功由
8、0增大(取各种有功状态)作出此同步状态下的直径为X的等无功阻抗圆如图9所示。由于XXd，该圆必与异步阻抗圆相交。相交部分正好是靠近额定有功区段(靠近s=0的区域)，必然引起保护误动。,异步边界阻抗圆判据,隐极发电机部分失磁，残余同步功率将使机端测量阻抗反复进出于异步阻抗圆，保护间断起动。,图10 x-r曲线 （部分失磁）,异步边界阻抗圆判据,隐极发电机完全失磁、在励磁完全衰减之前，机端测量阻抗将反复进出于异步阻抗圆，保护间断起动，直至励磁完全衰减之后才能稳定于异步阻抗圆内，当励磁衰减时间常数较大时，会极大地延缓保护的动作速度。,图11 x-r曲线（完全失磁）,异步边界阻抗圆判据,凸极发电机完全
9、失磁后，反应功率将使机端测量阻抗反复进出于异步阻抗圆，保护间断起动。,凸极发电机发出的有功功率算式：,异步边界阻抗圆判据,4.励磁短时下降动作特性仿真,系统接线图,稳态运行初始值,励磁短时下降动作特性仿真,失磁阻抗 保护定值,圆心,半径,励磁短时下降动作特性仿真,SN发电机在额定电压下满载无励磁异步运行时的额定转差率； PN发电机的额定功率；P是稳定状态下发电机（即原动机）的运行功率； K可靠系数。,。,失磁阻抗 保护定值,励磁短时下降动作特性仿真,机组未失步，同步电势的回升与异步功率的上升使失磁机组稳定于第2摆,阻抗保护误动， 功角保护未动。,励磁短时下降动作特性仿真,励磁短时下降,失磁机组已进入有励磁异步运行状态,功角保护稳定动作。阻抗保护最终未能进入异步阻抗圆，前端误动 。,励磁短时下降动作特性仿真,