失磁保护的构成原理：功能与应用分析

下面以汽轮发电机失磁保护为例来进行说明。

（1）反映机端阻抗变化的测量元件

阻抗元件可采用临界失步阻抗圆或异步运行阻抗圆特性来作为动作边界以实现动作判据。

1）反映临界失步阻抗元件的动作方程

反映静稳边界的阻抗元件的动作方程应与发电机的静稳边界相符合。其动作方程：

幅值比较式：

相位比较式：

若取δg=90°，作为静稳极限，则

幅值比较式：

相位比较式：

或

图6.27　圆及苹果圆阻抗特性

δ=90°时的阻抗圆如图6.27所示的圆1，圆1不能避开外部短路以及进相运行振荡的影响，以δg=90°所作出的圆虽然能避开其影响，但动作区缩小了，实用中常采用苹果圆特性的阻抗元件，使其特性逼近静稳边界，且减去R轴以上的动作区，圆2实际上是将以δg=90°所作出的圆，并以原点为轴心分别顺时针和反时针旋转γ0角度位置，分别得到两圆，再将两圆的直径扩大至使两圆周在虚轴上相交于-jXd。取两圆内区域相并可得到新的动作区，该区为两圆相连的外周线，其形状似苹果，故称为苹果圆。根据苹果圆上任意一点与割线相对的圆周角，可直接写出苹果圆阻抗元件相位比较式动作方程：

或

2）反映失磁异步运行阻抗元件的动作方程

其动作特性如图6.22所示，但实用中考虑阻尼回路的影响，取圆的上半周过则圆的动作方程：

幅值比较式：(www.xing528.com)

相位比较式：

这种阻抗特性元件比反映静稳边界圆特性阻抗元件受振荡及外部短路的影响要小，但对失磁反应却要迟缓一些（圆相对较小），即保护在失步时不能动作，只有在失步后一段时间才能动作，不能在失步前及时进行处理。因此，这种方式仅适用于系统很大（XS小），失磁机组容量相对不大的场合。

（2）反映和随时间变化率的测量元件

根据前面的分析，在失磁后的等有功过程中，发电机电势随时间不断减少，而定子电流则在短暂下降后持续上升。这个规律是发电机失磁等有功过程中所特有的，利用这种原理来构成失磁保护的另一个测量元件。

由于在定子侧直接测量发电机电势有一定困难，需要找一个与有相同变化规律的模拟电势。考虑式（6.29），在失步前Xd保持不变，选择一个不变的模拟电抗Xm来取代Xd，就可保证新产生的电势与变化规律相同，故令

测量元件的动作判据为：

式中，C1、C2皆为常数门槛值。系统短路时，发电机可用暂态电抗和该电抗后的电势来表示，即并将此式代入式（6.51）得：

短路期间，基本保持不变，故只要取Xm＞X′d，就可保证Em与ΔIm与时间同时增大同时减少。这样，上面的判据在系统短路时就不会误动作。

（3）保护的工作原理

在图6.28中，符号K1为低电压元件，按临界电压阻抗圆整定；K2为阻抗元件，可按静稳边界整定，一般为苹果特性；K3为反映E和I随时间变化率的测量元件。对于发电机转子电压易于测量的场合，也可用转子低电压元件或基于与发电机输出功率相关的转子电压原理的测量元件代替。这个保护方案的特点只需用到发电机定子侧电量，因此，也可以用于无刷励磁的发电机。

图6.28　失磁保护构成方案

汽轮发电机的特点是失磁后转差小，平均异步转矩较大，异步运行时振动较轻。发生失磁故障后，测量阻抗进入动作边界，但只要未达到低电压元件的定值，则失磁保护只动作于减出力，通常减到额定功率的40%～50%，其平均滑差随之减少，这种情况一般可允许发电机短时运行2～15 min。若在失磁后母线电压低于允许值，则应迅速动作于跳闸。

定子阻抗判据作为失磁后的主要判据。在系统振荡时，阻抗轨迹可能进入保护动作区，但是断续的，持续时间一般在1 s以内，故设置t2为1～1.5 s的延时躲开振荡，当然，也可避开外部短路可能引起的误动作。

若阻抗元件动作特性通过原点，TV回路断线会导致误动作，在这设置TV回路断线闭锁。低电压元件动作后，需经t1=0.25 s延时再作用于跳闸。其原因是部分失磁且失步后，由于仍有同步功率，故有功功率周期性波动较大，引起Uh周期性波动，低于低电压元件整定值，但此时的电压并未真正降到崩溃电压，不应跳闸，增加t1后就可满足这种要求。阻抗元件还可经t3（2～15 min）长延时直接跳闸，其作用有两个：一是如果低电压元件拒动，阻抗元件经t3直接跳闸，以避免损坏发电机；二是阻抗元件动作后，经t2发出失磁稳信号，操作人员可采取必要措施，若措施无效，为保证发电机本身安全，在达到t3长延时后，切除发电机。

K3因其动作灵敏性较高，反应较快，能在测量阻抗进入静稳边界之前就检测到失磁故障，故在发电机失磁而未失去静稳之前直接作用于减出力。不过它不能反映失磁对系统或发电机安全的威胁程度，故仅用作辅助判据，而不直接作用于跳闸。