一起机组进相试验时失磁保护动作原因分析*

解兵，徐珂，周前，刘建坤，赵静波

（国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京211102）

0 引 言

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，由于发电机励磁系统构成较为复杂，机组失磁故障成为同步发电机较常见的故障形式。失磁后，发电机将过渡到异步运行，将会破坏电力系统的稳定运行，并威胁发电机本身的安全。此外，在机组进相试验中，需考验机组最大吸收无功的能力，极可能引起失磁保护误动作造成机组跳机。因此，失磁保护定值的整定尤为重要，一旦整定有误，将引起保护误动或拒动，不利于机组运行安全［1－4］。

介绍了一起机组进相试验时失磁保护发生动作的情况，从失磁保护整定计算过程、机组进相试验工况的确定及校核情况、试验过程中低励限制参数设置等方面详细分析本次失磁保护动作原因，并提出防范类似事故发生的技术措施。

1 失磁保护动作经过

某厂N号机组励磁调节器为国外某公司生产的UNITROL 5000型数字调节器，发变组保护是国外某公司生产的REG216型微机型保护。该机组完成扩容改造后，额定功率由600 MW提升至650 MW，按照进相试验导则要求，需重新开展进相运行试验。某日下午，开展进相试验时，顺利完成100%PN和75%PN有功工况试验后，开展50%PN有功工况试验，无功进相至－237 Mvar时，该机组发变组失磁保护动作，引起机组跳机。

2 失磁保护动作原因分析

2.1 失磁保护整定情况

通常发变组失磁保护判据有静稳边界阻抗圆和异步边界阻抗圆［5－6］，国外某公司的REG126发变组失磁保护判据为异步边界阻抗圆。根据国外某公司保护整定说明书，首先根据式（1）、式（2）计算异步边界阻抗圆上两个阻抗值。然后根据式（3）、式（4）计算保护装置的整定值。

式中UN、IN分别为电压互感器相电压额定值和电流互感器额定值。

该厂机组基本参数如表1所示。

表1 机组基本参数Tab.1 Basic unit parameter

根据式（1）～式（4），可计算机组的失磁保护整定值：XA＝－30.86Ω；XB＝－1.89Ω；XA-Setting＝－2.67 p.u.；XB-Setting＝－0.16 p.u.。

机组跳机后，从失磁保护装置调取了该公司失磁保护定值设置图，如图1所示。从图1可见，国外某公司失磁保护定值和说明书完全一致。

图1 机组失磁保护定值Fig.1 Parameters of the loss of excitation protection

2.2 试验前失磁保护校核情况

根据试验流程，在进相试验前，需要针对进相试验方案工况进行失磁保护校核工作，校核时，将所有试验工况映射到同一坐标平面［7－8］，确保在试验方案工况内，失磁保护不发生动作。

制定试验方案时，参考发电机功角计算数据和同类型机组试验时功角实测数据，再依据发电机P-Q图，确定最终的试验工况。发电机 P-Q图如图2所示。

图2 发电机P-Q图Fig.2 Generator P-Q diagram

最终确定的试验工况如表2所示，并将进相最深时试验工况点在图2中标出。可见表2中试验工况在图2加粗线以上，满足机组静稳限制。

进行失磁保护校核时，首先根据式（5）计算出表2中不同运行工况下阻抗值，之后在R-X平面把不同运行工况的阻抗值与失磁保护异步边界阻抗圆同时标出。若阻抗值进入异步阻抗圆内，则该运行工况将引起失磁保护动作，需要修改试验工况。

表2 计划进相试验工况Tab.2 Planned leading phase test condition

由于国外某公司失磁保护阻抗圆是标幺值形式，所有数值需转化成标幺值。根据该公司保护整定书说明，ZN的计算公式如式（6）所示。

假设机端电压U不变，保持额定。根据工况1数据，可计算出 R＝0.59Ω，X＝0.122Ω，再根据式（6）可算出ZN＝0.462Ω，最后算出R′＝1.278 p.u.，X′＝0.263 p.u.。同样算出剩下11个试验工况，并投影至R-X平面，如图3所示。从图3可看出，当无功大于0时，机组运行在第一象限，随着机组降低无功，机组逐渐运行至第四象限。所有试验工况均在阻抗圆外，在表2试验工况下，失磁保护不会动作。

图3 机端电压为额定时校核情况Fig.3 Check results when stator voltage is rated

由于实际机组进相运行时，机端电压不可能维持额定，随着机组进相，机端电压将不断降低。通过计算，随着机端电压降低，各工况的阻抗值将向阻抗圆逼近。由于进相试验对机端电压的限制条件为额定电压的90%，即如果机端电压降至额定的90%，即使未进相至计划工况，也需停止试验，并以此工况作为机组进相能力。因此，为确保进相试验中失磁保护不动作，在进行校核时，假设0.98功率因数下机端电压为额定，进相最深工况机端电压降至额定的90%，中间工况的机端电压根据无功进行插值计算。最后可算机端电压变化下R、X值及各自标幺值。如表3所示。将表3计算结果投影到R-X阻抗平面，如图4所示。

表3 试验工况校核结果Tab.3 Check results of test conditions

图4 机端电压变化时校核情况Fig.4 Check results when stator voltage is changed

从图4看出，随着机端电压下降，所有运行工况点的阻抗投影到R-X平面，均逐渐往阻抗圆方向逼近，但包括三个进相最深点，所有工况仍然在阻抗圆外，可见表2试验工况下失磁保护不会动作。

2.3 低励限制情况

文献［9-11］均要求低励限制应先于励磁自动切换和失磁保护动作，或低励限制和失磁保护配合合理。

该机组的励磁调节器为国外某公司UNITROL 5000型励磁调节器，低励限制定值由五组有功和无功组成［12］，所有定值采用百分比形式，以视在功率为基准。试验前，低励限制定值根据表2中第3、7、12工况整定。

由于试验工况有功与定值不一致，需要通过插值计算出定值。假设表2中三个工况的有功和无功分别为（P3，Q3）、（P7，Q7）和（P12，Q12），低励限制在视在功率的0、25%、50%、75%和100%时的定值分别为 Q0、Q25%、Q50%、Q75%、Q100%。首先根据试验工况3和工况7的连接线计算Q75%和Q100%，即：

同样根据工况7和工况12的连线计算Q25%和Q50%，如式（6）、式（7）所示。0时的定值设置成跟25%SN时定值一致，即：Q0＝Q25%。

根据表2试验工况整定的低励限制定值如表4所示。试验时，开展有功488 MW试验时，当无功进行至－160 Mvar，低励限制动作。考虑到国外某公司励磁调节器低励限制整定值和动作值存在一定的偏差，为确保进相试验不受低励限制影响，根据该公司励磁调节器动作特性，将低励限制动作值整定成与表2中3、7、12工况一致。整定后，低励限制定值见表4优化后定值。

表4 低励限制定值设置Tab.4 The parameters setting of low excitation limit

由于表2试验工况通过了失磁保护校核，而低励限制根据表2试验工况进行整定，这样确保了低励限制与失磁保护的配合合理。

2.4 失磁保护动作原因分析

通过失磁保护定值复核、试验工况校核以及低励限制整定，试验中失磁保护不应动作。试验过程中，失磁保护动作时，有功P＝328 MW，Q＝－237 Mvar，U＝18.6 kV，未超出表2工况范围。可见在失磁保护整定环节或试验工况校核环节出现了不正确的地方。

汽轮发电机失磁保护异步边界阻抗圆下端定值存在 －Xd与 －（1.1～1.25）Xd之争［13］，文献［14］认为：由于发电机失磁故障时有滑差（s），其平均异步阻抗 Xd（j s）≤Xd（s＝0），失磁保护中的阻抗元件下端定值为－Xd已有足够余度。而异步边界阻抗圆的上端定值取－X′d/2已成为共识，不但允许一定量的无功进相运行，而且当两侧电势相等、发生系统振荡时，振荡阻抗轨迹不进入失磁保护异步边界阻抗圆。

目前按照REG216型微机保护说明书整定后，下端定值为－2.67 p.u.，等于 －Xd×1.236，上端定值为 －0.16 p.u.，等于 －X′d/2×1.236，可见当前整定的失磁保护定值存在一个固定偏差。在与国外某公司保护厂家人员沟通后，国外某公司保护厂家确定失磁保护定值整定中，式（3）和式（4）中的IN中少乘了一个系数r。因为机端电流为额定时，电流互感器的额定二次电流要小于5 A。系数r应该为发电机的额定电流时对应的电流互感器二次电流除以5 A，计算可得 r＝0.808。IN乘以系数 r后，通过式（3）计算出下端定值为－2.16 p.u.，刚好等于－Xd，通过式（4）计算出上端定值为 －0.13 p.u.，刚好等于 －X′d/2，符合失磁保护通常整定方法。

同样在式（6）中计算ZN时，IN也需要乘上这个系数r。随着IN发生改变，阻抗标幺值计算发生改变，需要重新进行失磁保护校核。通过图3、图4可看出，每一个有功，无功从正降至负的过程中，投影到R-X平面的阻抗点逐渐往阻抗圆方向逼近，因此失磁保护校核只要表2中工况3、7、12满足要求，所有工况均能满足要求。失磁保护校核时，分别计算U＝UN和U＝90%UN下工况3、7、12的阻抗值，并投影到R-X平面，如图5所示。

图5 R-X平面上进相工况点及失磁动作点Fig.5 Leading phase test conditions points and the loss of excitation protection action point in the R-X reference frame

图5中，较小的圆是乘上系数r后正确失磁保护定值对应的异步阻抗圆，较大的圆是当前失磁保护定值对应的异步阻抗圆。从图5可见，如果失磁保护整定正确，即使机端电压降至90%额定电压，所有工况离异步阻抗圆均有一段距离。根据当前的失磁保护定值，机端电压为额定时，所有工况点离异步阻抗圆有一定距离，但机端电压降至90%额定电压时，工况12刚好在阻抗圆上。

另外，根据失磁保护动作时P、Q和U，计算出失磁保护动作时的阻抗标幺值。R＝1.211 p.u.，X＝－0.875 p.u.，投影到图5的R-X平面。可看出，失磁保护动作点在圆外，计算出该点到圆心 O（0，－j1.415）p.u.的距离为1.326 p.u.，是异步阻抗圆半径的1.057倍。可见，该失磁保护动作有5%左右的误差，失磁保护校核中，需留足够的裕度。在实际操作中，由于不能确定最终机端电压水平，工程上可以机端电压为90%UN进行失磁保护校核，并留有5%的裕度。

综上分析，本次进相试验中失磁保护动作原因主要有以下几点：

（1）由于国外某公司的REG126发变组保护说明书关于失磁保护的整定方法有误，导致实际采用的异步边界阻抗圆比正确的异步边界阻抗圆大，容易引起失磁保护误动；

（2）进行机组进相工况失磁保护校核时，采用说明书中错误的标幺值计算方法，导致IN偏大，ZN偏小，从而得出错误的结论；

（3）REG126失磁保护装置存在一定的偏差，使得实际工况对应的阻抗点离圆心距离达到半径的1.057倍，仍然发生失磁保护动作。

3 结束语

针对机组进相试验中发生的失磁保护动作事件展开分析，从失磁保护整定情况、进相试验工况确定及校核情况、低励限制整定情况以及一般失磁保护整定原则等逐步展开分析，得出本次失磁保护动作原因为：保护说明书中整定方法有误、校核过程中标幺值计算方法有误以及失磁保护装置本身有误差。文中开展的失磁保护整定方法、进相试验工况确定方法、低励限制整定方法、进相工况失磁保护校核方法对工程上应用有一定的借鉴意义。为避免出现类似问题，给出建议如下：

（1）所有采用国外某公司生产的REG126型保护装置的电厂，应开展失磁保护定值核查，确保失磁保护定值整定正确；

（2）针对进相试验工况进行失磁保护校核时，机端电压可设为额定电压的90%，并留有5%的裕度；

（3）进相试验时的低励限制整定可参照校核过的进相试验工况确定，使得低励限制动作值与试验工况接近，确保与失磁保护配合合理；

（4）对于不熟悉、不确定的失磁保护装置，可在进相试验中将失磁保护投信号，并做好机组失磁预案，试验期间由专人监视励磁等机组参数，一旦发生失磁事故，立刻拍停机组，确保设备安全。