摘要：对发电机失磁运行的危害进行了讨论，并给出对发电机失磁的要求。针对西门子失磁保护的原理及实现方式进行了分析。对比了国产失磁保护的实现方式。提出了西门子导纳特性便于结合发电机P-Q曲线、发电机静稳极限进行整定的优点，并给出实现方式。
关键词：西门子；失磁保护；导纳特性；P-Q曲线；静稳极限
1、概述
发电机组在运行过程中，部分或全部失去励磁电流的现象称为失磁。完全失磁是指发电机组励磁电流下降为零，励磁绕组开路、灭磁开关误跳闸、自动调节励磁系统故障、运行人员误操作等都是导致完全失磁的原因。部分失磁即为机组转子电流减小到静态稳定极限对应的转子电流之下，但不为零。对于部分失磁故障，励磁调节系统有调节作用；对于完全失磁故障，则没有调节作用。
发生失磁故障后，机组对系统运行和自身的安全均会造成重大的损害。对系统而言，失磁故障带来危害主要有：机组由向系统发出感性无功变成从系统吸收感性无功，引起系统的电压下降；同时一台机组的电压下降又将引起其他机组增发无功功率，从而使某些发变组或线路保护可能因过电流而误动作，导致故障范围扩大；有功功率和无功功率的摆动将会诱发系统产生振荡，机组出力越大对系统造成的无功缺额也越大，系统总容量越小则补偿无功缺额的能力也越小，即机组出力与系统总容量的比值越大，失磁故障对系统的不利影响越严重。
运行实践表明，有限的短时异步运行可能使机组恢复励磁，从而避免机组紧急跳闸对设备造成的冲击；若不能及时恢复励磁，短时的异步运行也能够使机组负荷在解列之前以合适速度减少，使其能够转到其他机组。失磁后的机组无论是立即从系统中解列还是允许快速切负荷后短时异步运行，都会对电网造成一定的冲击，不利影响较大。机组失磁瞬间可以从输出无功的状态立即阶跃为吸收无功，对电网造成非常不利的大幅无功变化，因此应严格限制失磁异步运行条件。
2、国产失磁保护基本原理
发电机的励磁系统发生故障出现低励失磁时，发电机测量阻抗、励磁电压、发电机与系统的无功交换等都会与正常运行时有所不同，失磁保护根据这些变化分别构成定子判据、转子判据和逆无功判据。另辅以机端低电压切换厂用和母线低电压加速跳闸判据。各功能模块判据可根据实际工程的需要，通过定值整定实现灵活投退。
定子判据的阻抗特性可选择为静稳边界圆特性或异步阻抗圆特性。为了防止在其它非失磁情况下的测量阻抗进入动作特性内造成失磁保护误动，设有相应的TV断线闭锁措施；为躲过系统振荡的影响，设有延时元件。当发电机须进相运行时，如按静稳边界阻抗圆整定不能满足要求时，一般可采取无功进相判据躲开进相运行区，逆无功定值可整定；或按异步阻抗圆特性整定。
可根据需要选择等励磁电压判据或变励磁电压判据，作为转子判据。逆无功判据，利用发电机正常运行时向系统发送无功功率，失磁时会出现无功反向，从系统吸收无功的物理特性实现。为了避免由发电机失磁导致系统电压崩溃或威胁厂用电系统的安全，失磁保护应有低电压判据。电压取用主变高压母线TV或机端TV。失磁保护还具有检测励磁电压回路异常的功能，及时给出告警信号，通知运行人员处理。若不投入转子判据，即等励磁电压和变励磁电压元件都退出时，则失磁保护以负序电压元件闭锁。
3西门子失磁保护基本原理
西门子保护与阻抗圆特性不同。通过测量同步电机机端的三相电流和三相电压，计算电流和电压的正序分量，从而计算出机端导纳，再以静稳、动稳导纳特性为边界，从而在导纳平面上进行保护动作判断。用正序分量计算导纳判据，能保证不对称运行情况下保护也能反应发电机是否失磁。由于发电机P-Q曲线经过简单变换可以转换成导纳平面，所以导纳平面的优点是可以更好的结合P-Q曲线进行整定。
失磁保护导纳平面与P-Q曲线
发电机P-Q曲线当同步发电机过励磁运行时受原动机输入功率和转子励磁绕组温升的限制；当发电机欠励磁运行时受原动机输入功率和定子绕组端部温升以及静稳极限的限制。
发电机机端导纳Y表达式(
为发电机机端电压
共轭相量):
由上式可知失磁保护导纳平面与P-Q曲线的关系。
2）失磁保护与发电机静稳极限。
发电机输出无功功率Q表达式：
当处于静稳极限时
，由于隐极同步发电机
，所以静稳极限时无功功率为
◆┫IZ
对应静稳极限时的机端导纳
此B值即约为失磁保护静稳边界与B轴交点值。由上式可见，采用导纳特性作为同步发电机静稳极限动作判据还具有和机端电压大小无关的优点。图1中标示出了静态稳定极限与无功轴在点1/xd处相交
图1中加粗折线为发电机在导纳平面上静稳导纳边界。静态导纳边界左侧为导纳动作区，右侧为导纳制动区。其中
为发电机额定电流，
为发电机额定功率因数角，
为发电机额定工况时励磁电流，
为发电机额定工况时的功角。第一象限为发电机过励磁运行时的导纳轨迹，第二象限为发电机欠励磁运行时的导纳轨迹。
图1 发电机导纳特性框图
3）失磁保护与发电机动稳极限
同步发电机动稳极限。如果系统负荷突然大幅度变化、运行方式突然变化、系统突然故障，发电机出现暂态量及相应的暂态反应，这就涉及发电机动稳问题。对隐极同步发电机动稳极限功角
。基点
（
为发电机次暂态电抗）。如果发电机运行时机端导纳进入动稳特性曲线左侧判发电机已失去动稳，发电机将无法稳定运行，应立即跳闸。
4 西门子失磁保护实现方式
失磁保护采用了三段导纳特性。特性1为报警段，特性2和特性3为跳闸段。当励磁开关合闸时特性2和特性3分别经过较长延时出口；当励磁开关分闸时特性2和特性3经过短延时出口。
特性1、特性2为具有相同延时的两条特性曲线组合来模拟同步电机的静态稳定极限。设置延时可以确保电压调节装置有足够的时间来提高励磁电压。
特性3接近发电机的动稳极限曲线，当导纳测量值越过本曲线时，发电机将失去稳定，因此要求立即出口。
为防止保护误动设置PT断线闭锁。
导纳计算要求设定最低测量电压。当出现严重的电压下降（短路）或者定子绕组电压消失时，保护装置内部集成的交流电压监视功能将闭锁失磁保护。
参考文献：
[1]《SIPROTEC 多功能电机保护 7UM62》操作手册 西门子公司
[2]《大型发电机组继电保护整定计算与运行技术》 第二版 高春如 中国电力出版社
[3]《电力系统继电保护》第二版 张保会 尹项根 中国电力出版社
作者简介：刘世杰（1991-11-26），男，汉族，籍贯：辽宁鞍山，当前职务：NA，当前职称：继电保护助理工程师，学历：本科，研究方向：继电保护
论文作者:刘世杰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
标签：导纳论文; 发电机论文; 判据论文; 特性论文; 电压论文; 励磁论文; 机组论文; 《电力设备》2019年第7期论文;