2024年6月6日发(作者：衅嘉茂)
维普资讯
《宁夏电力）２００６年增刊
水轮发电机不同励磁方式下失磁
运行分析与保护整定原则
王文锋，张录成
（宁夏青铜峡水电站黄河电检公司宁电检修分公司，青铜峡市７５／６０１）
摘要：主要叙述发电机不同励磁方式下失磁的原因、危害和各电气量的变化。根据发电机机端阻抗变化、
机组电压变化、转子电压的变化构成失磁保护，结合电网和发电机具体情况，确定失磁保护整定，并对青铜峡
水电厂两种励磁方式下的失磁保护投运动作情况进行分析。
关键词：电机；失磁保护；整定原则
中图分类号：ＴＭ３１２ 文献标识码： Ｂ 文章编号：１６７２—３６４３（２００６）ｚｋ一０１９５－－０４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｌｏｓｓ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｅｔｔｉｎｇ ｐｒｉｎｄｐｌｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ
ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｗａｙｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｗｈｅｅｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ＷＡＮＧ Ｗｅｎ－ｆｅｎｇ，ＺＢＡＮＧ Ｌｕ－－ｃｈｅａｇ
（Ｑｉｎｇｔｏｎｇｘｉａ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｎｉｎｇｘｉａ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ ＲｅＰａｉｒ Ｆｉｌｉａｌｅ ｏｆ Ｈｕａｎｇｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｐａｉｒ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
．
Ｑｉｎｇｔｏｎｇｘｉａ ７５１６０１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ａｎｄ ｈａｒｍ ｏｆ ｌｏｓｓ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｒｉｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍｅ．ｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ
ｗａｙｓｏｆｗａｔｅｒｗｈｅｅｌｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｏｆｆｉｅｌｄｌｏｓｓｐｒｏｔｃｅｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；，ｉｆｅｌｄ ｌｏｓｓ ｐｒｏｔｃｅｔｉｏｎ；ｓｅｔｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
１前言
２发电机励磁方式筒述及特点分析
青铜峡水电厂１９５８年开始建设，１９６７年１２月首台机
２．１直流励磁机励磁方式
组发电，１９７８年８台机组相继投产。１９９３年为了充分利用 微机可控硅直流励磁机励磁方式如图ｌ所示。
河西灌溉的水力资源，开始建设唐渠电站 机组，１９９５年
７月建成投产。 １ 发电机为３．６万ｋＷ，惚发电机为２万
ｋＷ， 发电机为３万ｋＷ，总装机容量为３０．２万ｋＷ。发电机自
动电压调整装置均为国产设备，电站投产时配备复式励磁
ＳＦ３装置、相位复式励磁装置ＳＦＤ－３、ＫＧＴ一３可控硅装置，
由于调节特性差、动态品质差、设备元件老化、维修调试困
难，１９９０年至１９９７年相继更换为ｓＪ一８００微机励磁装置。
图Ｉ
ＳＪ一８００微机励磁装置调节特性好，动态品质优良，提高电
这种励磁方式，采用励磁设备较多，各个环节容易出现
站自动化水平。 及 机均采用可控硅直流机励磁方
故障。由于励磁机已运行二十多年，绝缘老化，加之水轮发
式。 、 机采用自并励可控硅励磁方式。
电机的受油器在励磁机上部，受油器底座的渗漏油浸到滑
环、绝缘架、汇流盘、主副磁极，造成发电机励磁机滑环短
收稿日期：２００６－０９—１８
作者简介：王文锋（１９７６一），男，助理工程师，从事继电保护工作。
・
１９５・
维普资讯
《宁夏电力）２００６年增刊
路，励磁机转子、定子绝缘破坏接地，多次引起发电机失磁
运行。
２．２ 机组自并励可控硅励磁方式
水轮发电机不同励磁方式下失磁运行分析与保护整定原则
和励磁回路的过热比较严重。因此，水轮发电机一般不允许
在失磁以后继续运行。
３．２发电机失磁后的机端测量阻抗、机端电压、转子电压
可控硅自并励励磁方式如图２所示。
的变化情况
静稳极限破坏前失磁阻抗机端阻抗轨迹，如图３所示。
ｊｘ
由于省去励磁机等设备，这种励磁方式，运行维护方
便，虽然励磁变及整流柜容量大，一次性投资大，但设备安
全可靠。
图３
首先看发电机庆磁后的机端测量阻抗变化，如图４所示。
３两种励磁方式，发电机失磁运行分析
３．１发电机失磁运行及其产生的影响
发电机带全额有功功率运行在第１象限的Ａ失磁后几
秒钟进入到第Ⅳ象限静稳边界圆内变化如图４圆２所示。
若立即将发电机有功功率分别减少到额定有功６０％左右，
４０％左右，则ｚ轨迹将在异步边界圆内变化，如图４圆３所
示附近，失磁机组将进入稳定异步运行。失磁无法控制时，
失磁机组ｚ轨迹进入等压边界圆内变化如图４圆４所示。
Ｊ
发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失。引
起失磁原因主要有：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁
开关误跳闸，可控硅励磁系统中某些元件损坏或回路发生
故障以及误操作。
当发电机失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。由于
发电机的感应电势Ｅｄ随着励磁电流的减少而减少，因此，
Ｉｘ
．
其磁转距也将小于原动机的转距，因而引起转子加速，使发
电机的功角８增大。当８超过静态稳定极限角时，发电机与
系统失去同步，发电机失磁将会从并列运行的电力系统中
吸取电感性无功功率供给转子励磁电流，在定子绕组中感
应电势。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频
／ ＼广
————
／ —、． １等有功ｍ
等压埘
／ — 异步边
率为￡ （‘为发电机的频率， 为系统的频率）的电流，此电
流产生异步制动转距，当异步转距与原动机转距达到新的
平衡时，即进入稳定的异步运行。
当发电机失磁后而异步运行时，将对电力系统和发电
机产生以下影响：
图４
机端测量阻抗：Ｚ＿（『／、／丁 ［ 、 ＵＩ＝Ｕ２／Ｐ－ｊＱ＝ｒ＋ｊｘ‘
ｒ＝戌／ ，Ｘ＝Ｑｔ／，￣，．ｓ＝、／３
本不变。
Ｚ＝Ｕｓ２／Ｐｓ－４Ｑｓ＋ｊＸｓ
＝
Ｑ
失磁发电机在失去静态稳定以前，输出有功功率Ｐ基
（１）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机
的磁场，所需无功功率的大小，主要取决于发电机的参数以
及实际运行时的转差率。这样对于小系统将会使系统电压
Ｕｓ￣Ｐｓ×
下降；
（２）由于从电网中吸收了大量的无功功率，因此，为了
防止定子绕组过电流，发电机所能发出的有功功率较同步
运行时有不同程度的降低，吸收的无功功率越大则有功功
率降低得越多；
（３）失磁后发电机的转速超过同步转速，因此在转子
＝
（Ｕｓ￣Ｐｓ＋ｊＸｓ）＋Ｕｓ２／２Ｐｓｘｅ￣
式中ｑ＋＝ａｒｃｔｓＱｓ／ｐｓ＝ａｒｃｔｇＱｓ￣
Ｕｓ．Ｐｓ、 均为已知常数，唯一变数为 。
ｚ表达式为圆方程式，其圆心ｚｃ和半径ｌ ｌ，各为
Ｚｃ＝Ｕｓ：，，２Ｐｓ＇＋ｊＸｓ，ＩＺｒｌ＝Ｕｓ２／２Ｐｓ。
虽然，等有功阻抗圆与纵轴相切于Ｘｓ点，当失磁发电
机与系统联系薄弱或远离系统中心时，）（ｓ很大，该圆就上
及励磁回路中将产生频率为ｆｔｆｘｔ的交流电流，因而形成附
加的损耗，使发电机转子和励磁回路过热，而且，转差率越
大，所引起的过热也越严重；
（４）水轮发电机的同步电抗较小，异步转距小及异步
移，失磁前有功功率不同，等有功阻抗圆大小就不同，如图
５所示。
发电机机端电压变化与发电机和系统联系电抗，发电
运行时所需的转差率较大，因而定子绕组的过电流及转子
・
机失磁吸收系统的无功功率和系统无功功率储备情况有
１９６・
维普资讯
《宁夏电Ｊ＇Ｊ）２００６年增刊 水轮发电机不同励磁方式下失磁运行分析与保护整定原则
般取ｔｌ＝Ｏｓ－ｌｓｏ
由手机端电压元件实现闭锁， 短路故障和电压回路断
Ｐ￣＜Ｐ
２＜
Ｐ３
线故障时，Ｙ１都输出逻辑０，因而不会误动作跳闸。
ｊＸｓ …
～
一
４．２两种励磁方式下失磁保护元件的整定原则
＼ ／ ／／
４．２．１ 直流机励磁方式和自并励励磁方式的失磁保护，阻
抗元件均按近似静稳定边界整定
采用阻抗角ｒ＝７０。，ＺＡ＝Ｏ，２Ｂ＝＿：『Ｊ／２ Ｊ
一
纵轴电抗； 一横轴电抗。
图５
４．２．２三相低电压元件（装在机端） 。
关。失磁情况下发电机机端电压会下降，大约为：
均按 ＝（０．６－－０．７）
一
（ｏ．７－ｏ．８）ｕ￣
一
发电机额定电压；
发电机转子电压变化与发电机的励磁方式、失磁类型
一
发电机机端 的变比。
有关。
４．２．３转子电压闭锁元件
３．３发电机采用可控硅直流励磁方式和可控硅自并励励磁
４．２．３．１在自并励方式下动作电压可按给定的有功功率在
方式
近似静稳定边界上所对应的励磁电压整定。（如 机）
失磁录波和失磁保护动作记录数值分析如表１所示。当
Ｐ×Ｘａｚ×
可控硅自并励励磁方式在可控硅整流桥全关断或励磁变三
Ｐ一给定有功功率取０．５，标幺值；
相短路，转子回路仍为闭合回路，转子电压ＯＶ－２０Ｖ变化。
）（ｄ Ｘ ｘｑ，标幺值；
当可控硅直流励磁机励磁方式，在可控硅整流桥全关
Ｕｓ一空载励磁电压，有名值。
断或励磁变三相短路，转子回路仍为闭合回路，由于励磁机
４．２．３．２在直流机励磁方式下。（如．４机）
剩磁作用，转子电压仍很高，高达空载转子电压的７０％。
可根据发电机容量和电网的容量以及发电机失磁后对系
综上所述，可根据发电机机端测量阻抗、机端电压、转
统的影响和对其本身的影响，结合发电机运行情况，根据运行
子电压的变化轨迹，构成发电机失磁保护。
经验得出，转子电压元件整定值不低于发电机空载时转子电压
的８０ｑ＇￣９０％，因每台机励磁空载电压不—致，其转子电压的整
４发电机失磁保护的构成与整定方案
定值也不—样。即 ：（８Ｄ％．９Ｄ％）ｕ 进行整定。
４．２．４时间元件
４．１失磁保护装置的构成方式
延时元件用来防止保护装置在系统振荡时的误动作。根
据宁夏电网调度中心提供，按躲过振荡周期的实际时间整定。
Ｈ
４．２．５失磁保护整定实例
．
如唐渠水电站（图７、图８所示）：
ｖｆｄ（ｖｆｄ０ｖｆｄ／Ｐ）１————
图６
如图６所示阻抗元件ｚ是判断失磁故障的主要判别元
件，按静稳边界（近似）整定。用母线低电压元件（ｕ＜）监视
系统
母线电压，以保证发生低励、失磁故障时电力系统的安全，
图７唐渠水电站一次系统
机端Ｔｖ电压断线元件作为闭锁元件，转子低电压元件为
失磁故障的辅助判别元件，（ｚ）通过与门Ｙ１，或门Ｈ及整
定时间ｔｌ出口跳闸，（ｚ）通过与门Ｙ１，Ｕｆｄ（ＵｆｄＯ，Ｕｆｄ／Ｐ）￣门
Ｙ２、或门Ｈ及整定时间ｔｌ出口跳闸。
图８唐渠水电站系统电抗联系‘
发电机失磁后，励磁低电压元件（ｕｆｄ＜）动作，阻抗元件
已知：
（Ｚ）动作。此时机端Ｔｖ无断线，与门Ｙ１、Ｙ２输出，经延时
发电机：Ｕ，＝ｌＯ．５ｋＶ，Ｐ＝３５．５ＭＷ，Ｘａ－－０．８５１４，Ｘｑ＝０．５７５７，
ｔｌ动作于跳闸。ｔｌ用于躲过振荡过程中短时的电压降低，一
Ｕｆａ￣＝９５Ｖ；
变压器：ＪＪ ０． ，Ｐ－－－ｄＯＭＷ，Ｘｂ＝
一■
米于Ｆｆｌ
Ｄ．１００７；
———
可控壁皇
——————————————————————
塞
———一一
塑壁旦堑 里
一
堕茎
失
ＦＭＫ跳闸 转子短路可控硅关断’ＦＭＫ跳闸 转子短路可控硅关断
系统： －－－０．１２４６；
辑子电压ｕ （ｖ）０ ２０－７０ ２０～７０ ０ 兰
基准容量：５：Ｊ０ＤＩＩｆ ；
・
１９７・
维普资讯
《宁夏电力￣ｚｏｏ６年增刊
ｎ：＝３０００／５；ｎ，＝ｌＯ０￣ｌＯ０
水轮发电机不同励磁方式下失磁运行分析与保护整定厚则
（１）高压侧低电压Ｕ雌（按长期运行可能的低电压计
算，取１１３ｋＶ）
￡ × 饥＝０．９５ｘ１１３＝１０７（ ）
＝１０５００２／×咯一面１
＝１０５００２／ ｆ＿ １ ・ 历１
＝
６９７７５７４（ ）
（２）阳抗圆心一ｘｃ
ｎ壬＝３∞ ｓ＝６∞
ｌｏｘｌ ｌ０ｏ＝ｌｏ０
Ｐｔ２＝ＰｔＪ ＝６９７７５７４＂－６００＋１００＝．－１１６．３（Ｗ）
发电机ｄ轴电抗（标幺额定容量）．Ｘｄ＇－－０．８５１４
发电机ｑ轴电抗（标幺额定容ｔ）：Ｘｑ＇＝０．５７５７
变压器电抗（标幺额定容量）： ．－以ＪＤＤ７ ＿
系统电抗（标幺基准容量）：Ｘｘｔ＂＝０．１２４６
阻抗折算到１０．５ｋＶ侧：
变压器： ＪＤＤ７ｘ Ｄ 伽９
ｘ ＝ｏ．１２４６ｘ３５．３／１００－－－－０．０４４
ｘＡ‘＝ｘｂ’＋ｘ ＝ｏ．ｏ８８９＋ｏ．０４４＝０．１３２９
Ｘ ＝｜Ｘ ＝０．８５ ｌ４
—
５发电机两种励磁方式下失磁动作情况分
析总结
现青铜峡水电厂直流励磁机励磁方式下的失磁保护
由于阻抗元件有问题未装设，失磁保护只通过励磁开关
联跳油开关来实现，是一种机械式励磁消失保护，失磁
保护处在退出状态，这对于电力系统的稳定和发电机本
身各部件的安全是不利的，如： 机在１９９６年１２月４
日出现的 机直流选接地的同时厂用交流电源失去，造
成调节器交、直流电源同时失去，调节器无输出而失磁，
因无失磁保护致使发电机过电流后备保护、横差保护动
作停机。
机自并励励磁方式下的失磁保护设置了微机型失磁保
护目投入使用正常。在１９９５年８月１６日因厂房渗漏雨，调节
．－一 ．＿ ．ｊ／２＝一 ８５１４－０．１３２９）／２＝－０．３５９３
Ｘｊ＝ＵＺ／Ｓ＝ｌＯ．５２／３５．３＝３．１２３
－
Ｘｃ＝－Ｘｃ＊ｘＸｊｘｎ： ＝－－０．３５９３ｘ３．１２３ｘ６００／１００＝－－６．７３１２－
（３）阻抗圆半径
Ｘ ＝。【Ａ’＋ｘ ），２：（ｏ．１３２９＋０．８５１４ｙ２＝０．４９２１
Ｘｒ＝Ｘｒ＇ｘＸｊｘｎｔ／＇ ＝０．４９２１ｘ３．Ｊ刀×６Ｄ ＤＤ＝ ２加
器移相脉冲消失，失磁保护动作；在１９９８年５月２６日调节器
一
、
＝单元故障，调节器无输出时失磁保护均正确动作。
（４）转子低电压‰
Ｕ／，ｒ＝９５Ｖ
６结束语
通过对发电机两种励磁方式下失磁运行分析以及失磁
￡５ ４×￡５‘触 ×９ ８
（ ）转子低电压判据系数
Ｘ ＝ｘ ＋Ｘｂ‘＋Ｘ
后各电气量的变化，分析了失磁保护的设置及整定原则。结
合青铜峡水电厂失磁保护的投运和动作情况， 机自并励
励磁方式下的微机型失磁保护因整定正确，投运正常，在几
次发电机失磁后均正确动作，防止了发电机因失磁而过电
流，造成对电机线圈及各部件的损坏，保护了设备和系统的
稳定。而不投入失磁保护或设置整定不完整，当真正发生发
电机失磁，将对发电机及系统产生很大影响。因此，应投入
失磁保护并更换为微机型失磁保护。
参考文献：
Ｋｆ＝－Ｋｋ／Ｘ￣ｚ＇＝Ｉ．１／（０．８５１４＋０．０８８９＋０．４４）０＝１／１１７６
修正：
ｐ［ＯＪ－＝Ｐｌｎｒ／ｎ：－－３０００００００／１００１６００－－５００ｗ
转子空载电压：Ｖｆｄ［ＯＪ－＝９５Ｖ
ｌ２诵６ 艘国 Ｋｆ＝ｌ２ ６ Ｏ０９５ ．１２ ８５
（６）反应功率
Ｐｔ＝ ×ｆ－ 一丽１
Ｘｄ－－，ｒｄ＇ｘＶｇ，Ｃ（Ｖ￣Ｉｇｎ）＝Ｏ．８５１４ｘ１０５００／（１．７３２ｘ１９４１）
＝２．６５９（ ）
＝
［１］王维俭．发电机变压器继电保护应用．中国电力出版社，１９９８＿３
［２］电力工业部南京电力自动化设备总厂．ＷＦＢＺ－ＯＩ型微机发电
机变压器组保护装置技术说明书．
［３］王维俭庖气主设备继电保护原理与应用．北京中国电力出版
社。１９９６．
Ｘｑ＇￣Ｖｏｅ（Ｖ￣ｔｇｎ）＝０．ｓ７５７￣１ｏｓｔｒｇ（１．７３２ｘ１９４１）
＝Ｊ．７９８（１２）
与 ＂ｘＵｇｎ２／Ｓ－－Ｏ．１ＯＯ７ｘｌＯ５ＯＯ２／（４ＯｘｌＯ０００００）
＝Ｄ．２７７ （ ）
Ｘｓｔ－．Ｘｓｔ＂ｘＵｇｎ２／Ｓ＝Ｏ．１２４６ｘｌＯ５００２／（１ＯＯｘｌＯ０００００）
＝ｎＪ１亨７（ ）
［４］陈学庸．机端励磁变压器保护方式的讨论．电气设计技术．
１９９７年第１期．
［５］李基成编著．现代同步发电机励磁系统设计及应用．北京中国
电力出版社，２００２．
Ｘｄｚ－－Ｘｄ＋Ｘｂ＋Ｘｓｔ＝Ｚ６５９＋０．２７７５＋０．１３７＝３．０７３５（１＂２）
Ｘｑｚ＝Ｘｑ＋Ｘｂ＋Ｘｓｔ－＝Ｉ．７９８＋０．２７７５＋０．１３７＝２．２１２５（１＂２）
ＰｔＦ Ｕｓ２２／ｘ（÷一一寺一１＾
ｎ ＾正
・
１９８・
2024年6月6日发(作者：衅嘉茂)
维普资讯
《宁夏电力）２００６年增刊
水轮发电机不同励磁方式下失磁
运行分析与保护整定原则
王文锋，张录成
（宁夏青铜峡水电站黄河电检公司宁电检修分公司，青铜峡市７５／６０１）
摘要：主要叙述发电机不同励磁方式下失磁的原因、危害和各电气量的变化。根据发电机机端阻抗变化、
机组电压变化、转子电压的变化构成失磁保护，结合电网和发电机具体情况，确定失磁保护整定，并对青铜峡
水电厂两种励磁方式下的失磁保护投运动作情况进行分析。
关键词：电机；失磁保护；整定原则
中图分类号：ＴＭ３１２ 文献标识码： Ｂ 文章编号：１６７２—３６４３（２００６）ｚｋ一０１９５－－０４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｌｏｓｓ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｅｔｔｉｎｇ ｐｒｉｎｄｐｌｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ
ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｗａｙｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｗｈｅｅｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ＷＡＮＧ Ｗｅｎ－ｆｅｎｇ，ＺＢＡＮＧ Ｌｕ－－ｃｈｅａｇ
（Ｑｉｎｇｔｏｎｇｘｉａ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｎｉｎｇｘｉａ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ ＲｅＰａｉｒ Ｆｉｌｉａｌｅ ｏｆ Ｈｕａｎｇｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｐａｉｒ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
．
Ｑｉｎｇｔｏｎｇｘｉａ ７５１６０１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ａｎｄ ｈａｒｍ ｏｆ ｌｏｓｓ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｒｉｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍｅ．ｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ
ｗａｙｓｏｆｗａｔｅｒｗｈｅｅｌｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｏｆｆｉｅｌｄｌｏｓｓｐｒｏｔｃｅｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；，ｉｆｅｌｄ ｌｏｓｓ ｐｒｏｔｃｅｔｉｏｎ；ｓｅｔｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
１前言
２发电机励磁方式筒述及特点分析
青铜峡水电厂１９５８年开始建设，１９６７年１２月首台机
２．１直流励磁机励磁方式
组发电，１９７８年８台机组相继投产。１９９３年为了充分利用 微机可控硅直流励磁机励磁方式如图ｌ所示。
河西灌溉的水力资源，开始建设唐渠电站 机组，１９９５年
７月建成投产。 １ 发电机为３．６万ｋＷ，惚发电机为２万
ｋＷ， 发电机为３万ｋＷ，总装机容量为３０．２万ｋＷ。发电机自
动电压调整装置均为国产设备，电站投产时配备复式励磁
ＳＦ３装置、相位复式励磁装置ＳＦＤ－３、ＫＧＴ一３可控硅装置，
由于调节特性差、动态品质差、设备元件老化、维修调试困
难，１９９０年至１９９７年相继更换为ｓＪ一８００微机励磁装置。
图Ｉ
ＳＪ一８００微机励磁装置调节特性好，动态品质优良，提高电
这种励磁方式，采用励磁设备较多，各个环节容易出现
站自动化水平。 及 机均采用可控硅直流机励磁方
故障。由于励磁机已运行二十多年，绝缘老化，加之水轮发
式。 、 机采用自并励可控硅励磁方式。
电机的受油器在励磁机上部，受油器底座的渗漏油浸到滑
环、绝缘架、汇流盘、主副磁极，造成发电机励磁机滑环短
收稿日期：２００６－０９—１８
作者简介：王文锋（１９７６一），男，助理工程师，从事继电保护工作。
・
１９５・
维普资讯
《宁夏电力）２００６年增刊
路，励磁机转子、定子绝缘破坏接地，多次引起发电机失磁
运行。
２．２ 机组自并励可控硅励磁方式
水轮发电机不同励磁方式下失磁运行分析与保护整定原则
和励磁回路的过热比较严重。因此，水轮发电机一般不允许
在失磁以后继续运行。
３．２发电机失磁后的机端测量阻抗、机端电压、转子电压
可控硅自并励励磁方式如图２所示。
的变化情况
静稳极限破坏前失磁阻抗机端阻抗轨迹，如图３所示。
ｊｘ
由于省去励磁机等设备，这种励磁方式，运行维护方
便，虽然励磁变及整流柜容量大，一次性投资大，但设备安
全可靠。
图３
首先看发电机庆磁后的机端测量阻抗变化，如图４所示。
３两种励磁方式，发电机失磁运行分析
３．１发电机失磁运行及其产生的影响
发电机带全额有功功率运行在第１象限的Ａ失磁后几
秒钟进入到第Ⅳ象限静稳边界圆内变化如图４圆２所示。
若立即将发电机有功功率分别减少到额定有功６０％左右，
４０％左右，则ｚ轨迹将在异步边界圆内变化，如图４圆３所
示附近，失磁机组将进入稳定异步运行。失磁无法控制时，
失磁机组ｚ轨迹进入等压边界圆内变化如图４圆４所示。
Ｊ
发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失。引
起失磁原因主要有：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁
开关误跳闸，可控硅励磁系统中某些元件损坏或回路发生
故障以及误操作。
当发电机失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。由于
发电机的感应电势Ｅｄ随着励磁电流的减少而减少，因此，
Ｉｘ
．
其磁转距也将小于原动机的转距，因而引起转子加速，使发
电机的功角８增大。当８超过静态稳定极限角时，发电机与
系统失去同步，发电机失磁将会从并列运行的电力系统中
吸取电感性无功功率供给转子励磁电流，在定子绕组中感
应电势。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频
／ ＼广
————
／ —、． １等有功ｍ
等压埘
／ — 异步边
率为￡ （‘为发电机的频率， 为系统的频率）的电流，此电
流产生异步制动转距，当异步转距与原动机转距达到新的
平衡时，即进入稳定的异步运行。
当发电机失磁后而异步运行时，将对电力系统和发电
机产生以下影响：
图４
机端测量阻抗：Ｚ＿（『／、／丁 ［ 、 ＵＩ＝Ｕ２／Ｐ－ｊＱ＝ｒ＋ｊｘ‘
ｒ＝戌／ ，Ｘ＝Ｑｔ／，￣，．ｓ＝、／３
本不变。
Ｚ＝Ｕｓ２／Ｐｓ－４Ｑｓ＋ｊＸｓ
＝
Ｑ
失磁发电机在失去静态稳定以前，输出有功功率Ｐ基
（１）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机
的磁场，所需无功功率的大小，主要取决于发电机的参数以
及实际运行时的转差率。这样对于小系统将会使系统电压
Ｕｓ￣Ｐｓ×
下降；
（２）由于从电网中吸收了大量的无功功率，因此，为了
防止定子绕组过电流，发电机所能发出的有功功率较同步
运行时有不同程度的降低，吸收的无功功率越大则有功功
率降低得越多；
（３）失磁后发电机的转速超过同步转速，因此在转子
＝
（Ｕｓ￣Ｐｓ＋ｊＸｓ）＋Ｕｓ２／２Ｐｓｘｅ￣
式中ｑ＋＝ａｒｃｔｓＱｓ／ｐｓ＝ａｒｃｔｇＱｓ￣
Ｕｓ．Ｐｓ、 均为已知常数，唯一变数为 。
ｚ表达式为圆方程式，其圆心ｚｃ和半径ｌ ｌ，各为
Ｚｃ＝Ｕｓ：，，２Ｐｓ＇＋ｊＸｓ，ＩＺｒｌ＝Ｕｓ２／２Ｐｓ。
虽然，等有功阻抗圆与纵轴相切于Ｘｓ点，当失磁发电
机与系统联系薄弱或远离系统中心时，）（ｓ很大，该圆就上
及励磁回路中将产生频率为ｆｔｆｘｔ的交流电流，因而形成附
加的损耗，使发电机转子和励磁回路过热，而且，转差率越
大，所引起的过热也越严重；
（４）水轮发电机的同步电抗较小，异步转距小及异步
移，失磁前有功功率不同，等有功阻抗圆大小就不同，如图
５所示。
发电机机端电压变化与发电机和系统联系电抗，发电
运行时所需的转差率较大，因而定子绕组的过电流及转子
・
机失磁吸收系统的无功功率和系统无功功率储备情况有
１９６・
维普资讯
《宁夏电Ｊ＇Ｊ）２００６年增刊 水轮发电机不同励磁方式下失磁运行分析与保护整定原则
般取ｔｌ＝Ｏｓ－ｌｓｏ
由手机端电压元件实现闭锁， 短路故障和电压回路断
Ｐ￣＜Ｐ
２＜
Ｐ３
线故障时，Ｙ１都输出逻辑０，因而不会误动作跳闸。
ｊＸｓ …
～
一
４．２两种励磁方式下失磁保护元件的整定原则
＼ ／ ／／
４．２．１ 直流机励磁方式和自并励励磁方式的失磁保护，阻
抗元件均按近似静稳定边界整定
采用阻抗角ｒ＝７０。，ＺＡ＝Ｏ，２Ｂ＝＿：『Ｊ／２ Ｊ
一
纵轴电抗； 一横轴电抗。
图５
４．２．２三相低电压元件（装在机端） 。
关。失磁情况下发电机机端电压会下降，大约为：
均按 ＝（０．６－－０．７）
一
（ｏ．７－ｏ．８）ｕ￣
一
发电机额定电压；
发电机转子电压变化与发电机的励磁方式、失磁类型
一
发电机机端 的变比。
有关。
４．２．３转子电压闭锁元件
３．３发电机采用可控硅直流励磁方式和可控硅自并励励磁
４．２．３．１在自并励方式下动作电压可按给定的有功功率在
方式
近似静稳定边界上所对应的励磁电压整定。（如 机）
失磁录波和失磁保护动作记录数值分析如表１所示。当
Ｐ×Ｘａｚ×
可控硅自并励励磁方式在可控硅整流桥全关断或励磁变三
Ｐ一给定有功功率取０．５，标幺值；
相短路，转子回路仍为闭合回路，转子电压ＯＶ－２０Ｖ变化。
）（ｄ Ｘ ｘｑ，标幺值；
当可控硅直流励磁机励磁方式，在可控硅整流桥全关
Ｕｓ一空载励磁电压，有名值。
断或励磁变三相短路，转子回路仍为闭合回路，由于励磁机
４．２．３．２在直流机励磁方式下。（如．４机）
剩磁作用，转子电压仍很高，高达空载转子电压的７０％。
可根据发电机容量和电网的容量以及发电机失磁后对系
综上所述，可根据发电机机端测量阻抗、机端电压、转
统的影响和对其本身的影响，结合发电机运行情况，根据运行
子电压的变化轨迹，构成发电机失磁保护。
经验得出，转子电压元件整定值不低于发电机空载时转子电压
的８０ｑ＇￣９０％，因每台机励磁空载电压不—致，其转子电压的整
４发电机失磁保护的构成与整定方案
定值也不—样。即 ：（８Ｄ％．９Ｄ％）ｕ 进行整定。
４．２．４时间元件
４．１失磁保护装置的构成方式
延时元件用来防止保护装置在系统振荡时的误动作。根
据宁夏电网调度中心提供，按躲过振荡周期的实际时间整定。
Ｈ
４．２．５失磁保护整定实例
．
如唐渠水电站（图７、图８所示）：
ｖｆｄ（ｖｆｄ０ｖｆｄ／Ｐ）１————
图６
如图６所示阻抗元件ｚ是判断失磁故障的主要判别元
件，按静稳边界（近似）整定。用母线低电压元件（ｕ＜）监视
系统
母线电压，以保证发生低励、失磁故障时电力系统的安全，
图７唐渠水电站一次系统
机端Ｔｖ电压断线元件作为闭锁元件，转子低电压元件为
失磁故障的辅助判别元件，（ｚ）通过与门Ｙ１，或门Ｈ及整
定时间ｔｌ出口跳闸，（ｚ）通过与门Ｙ１，Ｕｆｄ（ＵｆｄＯ，Ｕｆｄ／Ｐ）￣门
Ｙ２、或门Ｈ及整定时间ｔｌ出口跳闸。
图８唐渠水电站系统电抗联系‘
发电机失磁后，励磁低电压元件（ｕｆｄ＜）动作，阻抗元件
已知：
（Ｚ）动作。此时机端Ｔｖ无断线，与门Ｙ１、Ｙ２输出，经延时
发电机：Ｕ，＝ｌＯ．５ｋＶ，Ｐ＝３５．５ＭＷ，Ｘａ－－０．８５１４，Ｘｑ＝０．５７５７，
ｔｌ动作于跳闸。ｔｌ用于躲过振荡过程中短时的电压降低，一
Ｕｆａ￣＝９５Ｖ；
变压器：ＪＪ ０． ，Ｐ－－－ｄＯＭＷ，Ｘｂ＝
一■
米于Ｆｆｌ
Ｄ．１００７；
———
可控壁皇
——————————————————————
塞
———一一
塑壁旦堑 里
一
堕茎
失
ＦＭＫ跳闸 转子短路可控硅关断’ＦＭＫ跳闸 转子短路可控硅关断
系统： －－－０．１２４６；
辑子电压ｕ （ｖ）０ ２０－７０ ２０～７０ ０ 兰
基准容量：５：Ｊ０ＤＩＩｆ ；
・
１９７・
维普资讯
《宁夏电力￣ｚｏｏ６年增刊
ｎ：＝３０００／５；ｎ，＝ｌＯ０￣ｌＯ０
水轮发电机不同励磁方式下失磁运行分析与保护整定厚则
（１）高压侧低电压Ｕ雌（按长期运行可能的低电压计
算，取１１３ｋＶ）
￡ × 饥＝０．９５ｘ１１３＝１０７（ ）
＝１０５００２／×咯一面１
＝１０５００２／ ｆ＿ １ ・ 历１
＝
６９７７５７４（ ）
（２）阳抗圆心一ｘｃ
ｎ壬＝３∞ ｓ＝６∞
ｌｏｘｌ ｌ０ｏ＝ｌｏ０
Ｐｔ２＝ＰｔＪ ＝６９７７５７４＂－６００＋１００＝．－１１６．３（Ｗ）
发电机ｄ轴电抗（标幺额定容量）．Ｘｄ＇－－０．８５１４
发电机ｑ轴电抗（标幺额定容ｔ）：Ｘｑ＇＝０．５７５７
变压器电抗（标幺额定容量）： ．－以ＪＤＤ７ ＿
系统电抗（标幺基准容量）：Ｘｘｔ＂＝０．１２４６
阻抗折算到１０．５ｋＶ侧：
变压器： ＪＤＤ７ｘ Ｄ 伽９
ｘ ＝ｏ．１２４６ｘ３５．３／１００－－－－０．０４４
ｘＡ‘＝ｘｂ’＋ｘ ＝ｏ．ｏ８８９＋ｏ．０４４＝０．１３２９
Ｘ ＝｜Ｘ ＝０．８５ ｌ４
—
５发电机两种励磁方式下失磁动作情况分
析总结
现青铜峡水电厂直流励磁机励磁方式下的失磁保护
由于阻抗元件有问题未装设，失磁保护只通过励磁开关
联跳油开关来实现，是一种机械式励磁消失保护，失磁
保护处在退出状态，这对于电力系统的稳定和发电机本
身各部件的安全是不利的，如： 机在１９９６年１２月４
日出现的 机直流选接地的同时厂用交流电源失去，造
成调节器交、直流电源同时失去，调节器无输出而失磁，
因无失磁保护致使发电机过电流后备保护、横差保护动
作停机。
机自并励励磁方式下的失磁保护设置了微机型失磁保
护目投入使用正常。在１９９５年８月１６日因厂房渗漏雨，调节
．－一 ．＿ ．ｊ／２＝一 ８５１４－０．１３２９）／２＝－０．３５９３
Ｘｊ＝ＵＺ／Ｓ＝ｌＯ．５２／３５．３＝３．１２３
－
Ｘｃ＝－Ｘｃ＊ｘＸｊｘｎ： ＝－－０．３５９３ｘ３．１２３ｘ６００／１００＝－－６．７３１２－
（３）阻抗圆半径
Ｘ ＝。【Ａ’＋ｘ ），２：（ｏ．１３２９＋０．８５１４ｙ２＝０．４９２１
Ｘｒ＝Ｘｒ＇ｘＸｊｘｎｔ／＇ ＝０．４９２１ｘ３．Ｊ刀×６Ｄ ＤＤ＝ ２加
器移相脉冲消失，失磁保护动作；在１９９８年５月２６日调节器
一
、
＝单元故障，调节器无输出时失磁保护均正确动作。
（４）转子低电压‰
Ｕ／，ｒ＝９５Ｖ
６结束语
通过对发电机两种励磁方式下失磁运行分析以及失磁
￡５ ４×￡５‘触 ×９ ８
（ ）转子低电压判据系数
Ｘ ＝ｘ ＋Ｘｂ‘＋Ｘ
后各电气量的变化，分析了失磁保护的设置及整定原则。结
合青铜峡水电厂失磁保护的投运和动作情况， 机自并励
励磁方式下的微机型失磁保护因整定正确，投运正常，在几
次发电机失磁后均正确动作，防止了发电机因失磁而过电
流，造成对电机线圈及各部件的损坏，保护了设备和系统的
稳定。而不投入失磁保护或设置整定不完整，当真正发生发
电机失磁，将对发电机及系统产生很大影响。因此，应投入
失磁保护并更换为微机型失磁保护。
参考文献：
Ｋｆ＝－Ｋｋ／Ｘ￣ｚ＇＝Ｉ．１／（０．８５１４＋０．０８８９＋０．４４）０＝１／１１７６
修正：
ｐ［ＯＪ－＝Ｐｌｎｒ／ｎ：－－３０００００００／１００１６００－－５００ｗ
转子空载电压：Ｖｆｄ［ＯＪ－＝９５Ｖ
ｌ２诵６ 艘国 Ｋｆ＝ｌ２ ６ Ｏ０９５ ．１２ ８５
（６）反应功率
Ｐｔ＝ ×ｆ－ 一丽１
Ｘｄ－－，ｒｄ＇ｘＶｇ，Ｃ（Ｖ￣Ｉｇｎ）＝Ｏ．８５１４ｘ１０５００／（１．７３２ｘ１９４１）
＝２．６５９（ ）
＝
［１］王维俭．发电机变压器继电保护应用．中国电力出版社，１９９８＿３
［２］电力工业部南京电力自动化设备总厂．ＷＦＢＺ－ＯＩ型微机发电
机变压器组保护装置技术说明书．
［３］王维俭庖气主设备继电保护原理与应用．北京中国电力出版
社。１９９６．
Ｘｑ＇￣Ｖｏｅ（Ｖ￣ｔｇｎ）＝０．ｓ７５７￣１ｏｓｔｒｇ（１．７３２ｘ１９４１）
＝Ｊ．７９８（１２）
与 ＂ｘＵｇｎ２／Ｓ－－Ｏ．１ＯＯ７ｘｌＯ５ＯＯ２／（４ＯｘｌＯ０００００）
＝Ｄ．２７７ （ ）
Ｘｓｔ－．Ｘｓｔ＂ｘＵｇｎ２／Ｓ＝Ｏ．１２４６ｘｌＯ５００２／（１ＯＯｘｌＯ０００００）
＝ｎＪ１亨７（ ）
［４］陈学庸．机端励磁变压器保护方式的讨论．电气设计技术．
１９９７年第１期．
［５］李基成编著．现代同步发电机励磁系统设计及应用．北京中国
电力出版社，２００２．
Ｘｄｚ－－Ｘｄ＋Ｘｂ＋Ｘｓｔ＝Ｚ６５９＋０．２７７５＋０．１３７＝３．０７３５（１＂２）
Ｘｑｚ＝Ｘｑ＋Ｘｂ＋Ｘｓｔ－＝Ｉ．７９８＋０．２７７５＋０．１３７＝２．２１２５（１＂２）
ＰｔＦ Ｕｓ２２／ｘ（÷一一寺一１＾
ｎ ＾正
・
１９８・