CN110601138A - 一种在线监测发电机失磁保护状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，包括转子低电压判据、机端低阻抗判据Z＜和系统低电压判据Um＜；所述转子低电压判据能够反应转子侧的电气量，具体为通过测量励磁电压Ufd是否小于动作值；所述机端低阻抗判据Z＜能够反应定子侧的电气量，具体为反应发电机机端感受阻抗，当感受阻抗落入阻抗圆内时，保护动作；所述系统低电压判据Um＜能够反应系统侧的电气量，具体为当汽轮发电机失磁后发电机高压侧母线电压低于允许值时，带时限动作于解列或程序跳闸。本发明提供的一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，监测准确、可靠，有效保证发电机运行的安全性。

Description

一种在线监测发电机失磁保护状态的方法

技术领域

本发明属于发电机保护监测技术领域，尤其涉及一种在线监测发电机失磁保护状态的方法。

背景技术

同步发电机在运行过程中，可能突然全部或部分地失去励磁。引起失磁的原因不外是由于励磁回路开路(如灭磁开关误跳闸等)、短路或励磁电源消失或转子绕组故障等。发电机发生失磁故障后，将从系统吸收大量无功，导致系统电压下降，甚至系统因电压崩溃而瓦解；引起发电机失步运行，并产生危及发电机安全的机械力矩；在转子回路中出现差频电流引起附加温升等危害。由此可见发电机失磁故障严重影响大型机组的安全运行。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，监测准确、可靠，有效保证发电机运行的安全性。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，包括转子低电压判据、机端低阻抗判据Z＜和系统低电压判据Um＜；

所述转子低电压判据能够反应转子侧的电气量，具体为通过测量励磁电压Ufd是否小于动作值；

所述机端低阻抗判据Z＜能够反应定子侧的电气量，具体为反应发电机机端感受阻抗，当感受阻抗落入阻抗圆内时，保护动作；

所述系统低电压判据Um＜能够反应系统侧的电气量，具体为当汽轮发电机失磁后发电机高压侧母线电压低于允许值时，带时限动作于解列或程序跳闸。

进一步地，在所述转子低电压判据中，当发电机转子励磁电压Ur突然下降到0或者幅值，励磁电压判据迅速动作，在发电机抵达静稳极限之前动作，该判据为：

U_r＜U_rlzd

进一步地，在所述机端低阻抗判据Z＜中，失磁保护的阻抗圆包括静稳边界阻抗圆、苹果阻抗圆和异步边界阻抗圆，当发电机向外输送有功和感性无功功率时，其机端测量阻抗位于第一象限，当发电机只输出有功功率时，其机端测量阻抗位于横坐标轴上，当发电机外送有功功率同时从电网吸收一部分感性无功功率，其机端测量阻抗位于第四象限，当吸收的感性无功越来越多时，其机端测量阻抗就会落入发电机保护异步边界阻抗圆中，保护动作跳闸发电机，发电机发生低励、失磁故障状态下，发电机首先通过静稳边界阻抗圆运行，然后转入异步边界阻抗圆运行；

依据机端低阻抗判据Z＜在线监测发电机失磁保护状态的具体步骤如下：

步骤一：在DCS实现在线监测发电机保护异步边界阻抗圆图：

根据异步边界阻抗定值画出发电机保护异步边界阻抗圆图，异步边界阻抗定值计算：

式中：X_d为直轴同步电抗，X′_d为直轴暂态电抗(不饱和值)，U_GN为发电机额定电压，S_GN为发电机额定容量，n_a为电流互感器变比，n_v为电压互感器变比；

将X_A、X_B折算至以继电器额定电压U_N、额定电流I_N为基准的标幺值：

式中：I_N＝R1*5＝3.85A；

发电机保护异步边界阻抗圆圆心在Y轴上，(0，X_A)和(0，X_B)分别是异步边界阻抗圆与Y轴的交点，从而得出异步边界阻抗圆；

步骤二：在DCS实现在线监测实时工况点阻抗值轨迹图；

工况点阻抗值轨迹根据发电机实时工况参数计算得出并描绘，当轨迹落入发电机保护异步边界阻抗圆内，发电机失磁保护动作；

实时负荷工况点阻抗值的计算：

实时阻抗

实时电阻

实时电抗

式中：U为发电机实时电压，P为发电机实时输出功率，Q为发电机实时输出无功功率，n_a为电流互感器变比，n_v为电压互感器变比；

通过发电机实时有功和无功，计算出对应负荷下发电机电阻和电抗，得出实时负荷工况点的位置；正常运行时或进相运行时，监视实时负荷工况点与发电机保护异步边界阻抗圆的位置，当负荷工况点靠近发电机保护异步边界阻抗圆时，人工增加发电机无功功率，避免发电机跳闸；

步骤三：在DCS实现在线监测等有功阻抗圆图：

等有功阻抗圆图是发电机在相同有功条件下，根据不同无功的阻抗值描绘而成；

发电机进行深度进项运行时，发电机在同一有功条件下进行；运行过程中改变发电机无功功率；根据实时阻抗Z、实时电阻R以及实时电抗X，将无功功率Q从-∞～+∞之间变化，分别计算发电机电阻R和电抗X，并绘制曲线，便得到等有功阻抗圆；等有功阻抗圆和发电机保护异步边界阻抗圆的交点为发电机当前有功功率时的进项极限，运行过程，只要保证发电机无功功率大于此极限值，发电机的失磁保护就不会动作，从而保证发电机安全运行；进相极限计算根据以下方程式：

其中P为有功，并利用EXCEL中规划求解可得出当前有功下在异步边界圆上对应的电阻R、电抗X，从而得出相对应的最小无功。

进一步地，在所述系统低电压判据Um＜中，失磁发生时对电压的影响首先表现在无功功率下降直至反向，向系统吸收大量的无功功率，而导致母线电压下降；发电机失磁后，由于转子励磁减小，造成发电机机端三相电压急剧下降；系统低电压判据Um＜为反映机端电压下降而设置；

系统低电压判据Um＜取母线三相电压或机端三相电压；TV断线时闭锁系统低电压判据；三相同时低压判据：

U_PP＜U_lezd

有益效果：本发明的一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，有益效果如下：

1)本发明通过转子低电压判据、机端低阻抗判据Z＜和系统低电压判据Um＜实现对发电机失磁保护的在线监测，监测准确、可靠，有效保证发电机运行的安全性；

2)本发明依据机端低阻抗判据Z＜的原理，实现在DCS实现在线监测发电机保护异步边界阻抗圆、在DCS实现在线监测实时工况点阻抗值轨迹以及在DCS实现在线监测等有功阻抗圆，以此判断并保证发电机运行稳定性与安全性，准确度高、安全性好。

附图说明

附图1为异步边界阻抗圆轨迹图；

附图2为发电机失磁保护异步边界阻抗及进相试验阻抗轨迹图一；

附图3为负荷工况点进相运行的示意图；

附图4为发电机失磁保护异步边界阻抗及进相试验阻抗轨迹图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，包括转子低电压判据、机端低阻抗判据Z＜和系统低电压判据Um＜；

所述转子低电压判据能够反应转子侧的电气量，具体为通过测量励磁电压Ufd是否小于动作值；

所述机端低阻抗判据Z＜能够反应定子侧的电气量，具体为反应发电机机端感受阻抗，当感受阻抗落入阻抗圆内时，保护动作；

所述系统低电压判据Um＜能够反应系统侧的电气量，具体为当汽轮发电机失磁后发电机高压侧母线电压低于允许值时，带时限动作于解列或程序跳闸。

在所述转子低电压判据中，当发电机转子励磁电压Ur突然下降到0或者幅值，励磁电压判据迅速动作，可在发电机抵达静稳极限之前动作，该判据为：

U_r＜U_rlzd

在所述机端低阻抗判据Z＜中，失磁保护的阻抗圆包括静稳边界阻抗圆、苹果阻抗圆和异步边界阻抗圆，当发电机向外输送有功和感性无功功率时，其机端测量阻抗位于第一象限，当发电机只输出有功功率时，其机端测量阻抗位于横坐标轴上，当发电机外送有功功率同时从电网吸收一部分感性无功功率，其机端测量阻抗位于第四象限，当吸收的感性无功越来越多时，其机端测量阻抗就会落入发电机保护异步边界阻抗圆中，保护动作跳闸发电机，发电机发生低励、失磁故障状态下，发电机首先通过静稳边界阻抗圆运行，然后转入异步边界阻抗圆运行；

依据机端低阻抗判据Z＜在线监测发电机失磁保护状态的具体步骤如下：

步骤一：在DCS实现在线监测发电机保护异步边界阻抗圆图：

根据异步边界阻抗定值画出发电机保护异步边界阻抗圆图，异步边界阻抗定值计算：

式中：X_d为直轴同步电抗，X’_d为直轴暂态电抗(不饱和值)，U_GN为发电机额定电压，S_GN为发电机额定容量，n_a为电流互感器变比，n_v为电压互感器变比；

将X_A、X_B折算至以继电器额定电压U_N、额定电流I_N为基准的标幺值：

式中：I_N＝R1*5＝3.85A；

发电机保护异步边界阻抗圆圆心在Y轴上，(0，X_A)和(0，X_B)分别是异步边界阻抗圆与Y轴的交点，从而得出异步边界阻抗圆；

步骤二：在DCS实现在线监测实时工况点阻抗值轨迹图；

工况点阻抗值轨迹根据发电机实时工况参数计算得出并描绘，当轨迹落入发电机保护异步边界阻抗圆内，发电机失磁保护动作；

实时负荷工况点阻抗值的计算：

实时阻抗

实时电阻

实时电抗

式中：U为发电机实时电压，P为发电机实时输出功率，Q为发电机实时输出无功功率，n_a为电流互感器变比，n_v为电压互感器变比；

通过发电机实时有功和无功，计算出对应负荷下发电机电阻和电抗，得出实时负荷工况点的位置；正常运行时或进相运行时，监视实时负荷工况点与发电机保护异步边界阻抗圆的位置，当负荷工况点靠近发电机保护异步边界阻抗圆时，人工增加发电机无功功率，避免发电机跳闸；

步骤三：在DCS实现在线监测等有功阻抗圆图：

等有功阻抗圆图是发电机在相同有功条件下，根据不同无功的阻抗值描绘而成，如附图4所示；

发电机进行深度进项运行时，发电机在同一有功条件下进行；运行过程中改变发电机无功功率；根据实时阻抗Z、实时电阻R以及实时电抗X，将无功功率Q从-∞～+∞之间变化，分别计算发电机电阻R和电抗X，并绘制曲线，便得到等有功阻抗圆；等有功阻抗圆和发电机保护异步边界阻抗圆的交点为发电机当前有功功率时的进项极限，运行过程，只要保证发电机无功功率大于此极限值，发电机的失磁保护就不会动作，从而保证发电机安全运行；进相极限计算根据以下方程式：

其中P为有功，并利用EXCEL中规划求解可得出当前有功下在异步边界圆上对应的电阻R、电抗X，从而得出相对应的最小无功，如下表所示：

如附图2所示，在发电机失磁保护异步边界阻抗及进相试验阻抗轨迹图中，标注了各个试验工况点的轨迹，可以看出在有功325MW，无功-240Var时最靠近发电机保护异步边界阻抗圆，如下表所示：

在附图2中，落入发电机保护异步边界阻抗圆内的所有负荷点均能触发保护动作，即发电机失磁保护动作跳闸；

如附图3所示，本发明的重点就在于通过监视实时负荷工况点来查看机组的安全欲度，进相运行后，无功为负值，所以电抗也会为负值，这时改点就会进入第四象限运行了。在附图3中，低励曲线为负荷工况点运行警戒线。

在所述系统低电压判据Um＜中，失磁发生时对电压的影响首先表现在无功功率下降直至反向，向系统吸收大量的无功功率，而导致母线电压下降；发电机失磁后，由于转子励磁减小，造成发电机机端三相电压急剧下降；系统低电压判据Um＜为反映机端电压下降而设置；

系统低电压判据Um＜取母线三相电压或机端三相电压；TV断线时闭锁系统低电压判据；三相同时低压判据：

U_PP＜U_lezd

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，其特征在于：包括转子低电压判据、机端低阻抗判据Z＜和系统低电压判据Um＜；

所述转子低电压判据能够反应转子侧的电气量，具体为通过测量励磁电压Ufd是否小于动作值；

所述机端低阻抗判据Z＜能够反应定子侧的电气量，具体为反应发电机机端感受阻抗，当感受阻抗落入阻抗圆内时，保护动作；

所述系统低电压判据Um＜能够反应系统侧的电气量，具体为当汽轮发电机失磁后发电机高压侧母线电压低于允许值时，带时限动作于解列或程序跳闸。

2.根据权利要求1所述的一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，其特征在于：在所述转子低电压判据中，当发电机转子励磁电压Ur突然下降到0或者幅值，励磁电压判据迅速动作，在发电机抵达静稳极限之前动作，该判据为：

U_r＜U_rlzd。

3.根据权利要求1所述的一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，其特征在于：在所述机端低阻抗判据Z＜中，失磁保护的阻抗圆包括静稳边界阻抗圆、苹果阻抗圆和异步边界阻抗圆，当发电机向外输送有功和感性无功功率时，其机端测量阻抗位于第一象限，当发电机只输出有功功率时，其机端测量阻抗位于横坐标轴上，当发电机外送有功功率同时从电网吸收一部分感性无功功率，其机端测量阻抗位于第四象限，当吸收的感性无功越来越多时，其机端测量阻抗就会落入发电机保护异步边界阻抗圆中，保护动作跳闸发电机，发电机发生低励、失磁故障状态下，发电机首先通过静稳边界阻抗圆运行，然后转入异步边界阻抗圆运行；

依据机端低阻抗判据Z＜在线监测发电机失磁保护状态的具体步骤如下：

步骤一：在DCS实现在线监测发电机保护异步边界阻抗圆图：

根据异步边界阻抗定值画出发电机保护异步边界阻抗圆图，异步边界阻抗定值计算：

式中：X_d为直轴同步电抗，X’_d为直轴暂态电抗(不饱和值)，U_GN为发电机额定电压，S_GN为发电机额定容量，n_a为电流互感器变比，n_v为电压互感器变比；

将X_A、X_B折算至以继电器额定电压U_N、额定电流I_N为基准的标幺值：

式中：I_N＝R1*5＝3.85A；

发电机保护异步边界阻抗圆圆心在Y轴上，(0，X_A)和(0，X_B)分别是异步边界阻抗圆与Y轴的交点，从而得出异步边界阻抗圆；

步骤二：在DCS实现在线监测实时工况点阻抗值轨迹图；

工况点阻抗值轨迹根据发电机实时工况参数计算得出并描绘，当轨迹落入发电机保护异步边界阻抗圆内，发电机失磁保护动作；

实时负荷工况点阻抗值的计算：

实时阻抗

实时电阻

实时电抗

式中：U为发电机实时电压，P为发电机实时输出功率，Q为发电机实时输出无功功率，n_a为电流互感器变比，n_v为电压互感器变比；

通过发电机实时有功和无功，计算出对应负荷下发电机电阻和电抗，得出实时负荷工况点的位置；正常运行时或进相运行时，监视实时负荷工况点与发电机保护异步边界阻抗圆的位置，当负荷工况点靠近发电机保护异步边界阻抗圆时，人工增加发电机无功功率，避免发电机跳闸；

步骤三：在DCS实现在线监测等有功阻抗圆图：

等有功阻抗圆图是发电机在相同有功条件下，根据不同无功的阻抗值描绘而成；

发电机进行深度进项运行时，发电机在同一有功条件下进行；运行过程中改变发电机无功功率；根据实时阻抗Z、实时电阻R以及实时电抗X，将无功功率Q从-∞～+∞之间变化，分别计算发电机电阻R和电抗X，并绘制曲线，便得到等有功阻抗圆；等有功阻抗圆和发电机保护异步边界阻抗圆的交点为发电机当前有功功率时的进项极限，运行过程，只要保证发电机无功功率大于此极限值，发电机的失磁保护就不会动作，从而保证发电机安全运行；进相极限计算根据以下方程式：

其中P为有功，并利用EXCEL中规划求解可得出当前有功下在异步边界圆上对应的电阻R、电抗X，从而得出相对应的最小无功。

4.根据权利要求1所述的一种在线监测发电机失磁保护状态的方法，其特征在于：在所述系统低电压判据Um＜中，失磁发生时对电压的影响首先表现在无功功率下降直至反向，向系统吸收大量的无功功率，而导致母线电压下降；发电机失磁后，由于转子励磁减小，造成发电机机端三相电压急剧下降；系统低电压判据Um＜为反映机端电压下降而设置；

系统低电压判据Um＜取母线三相电压或机端三相电压；TV断线时闭锁系统低电压判据；三相同时低压判据：

U_PP＜U_lezd。