淺談大型發(fā)電機(jī)失步保護(hù)

1、淺談大型發(fā)電機(jī)失步保護(hù)龔劍超陳靈峰（浙江華電烏溪江電廠浙江衢州324000）【摘要】簡述了幾種發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的基本原理和工程實(shí)現(xiàn)，介紹了典型的整定計(jì)算方法，并簡要介紹了失步保護(hù)的調(diào)試方法和注意事項(xiàng)。【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī)保護(hù)失步保護(hù)整定調(diào)試0.概述隨著電力系統(tǒng)容量不斷增加，大型發(fā)電廠高壓母線的系統(tǒng)阻抗較小，一旦發(fā)生系統(tǒng)非穩(wěn)定性振蕩，其振蕩中心很容易進(jìn)入失步發(fā)電機(jī)變壓器組內(nèi)部，這將嚴(yán)重威脅失步的發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的安全運(yùn)行，所以自20世紀(jì)90年代以來，我國大型發(fā)電機(jī)組均加裝發(fā)電機(jī)失步保護(hù)，并有多種不同類型判據(jù)的失步保護(hù)。1.失步保護(hù)的基本原理失步保護(hù)的基本原理主要是通過測量阻抗的軌跡變化情況來檢測是否失步。

2、其主要指標(biāo)有三點(diǎn)，一是測量阻抗軌跡為自左向右或自右向左依次穿越整定阻抗區(qū)域，穿越一次則記錄為滑極次數(shù)加一；二是每穿越一個(gè)區(qū)域都大于一定延時(shí)，以區(qū)別于故障以及區(qū)分失步振蕩和穩(wěn)定振蕩；三是滑極次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，則動(dòng)作出口。失步保護(hù)要求在短路故障、系統(tǒng)振蕩、電壓回路斷線等情況下，保護(hù)不誤動(dòng)作。國內(nèi)失步保護(hù)主要采用三阻抗元件失步保護(hù)動(dòng)作特性或雙遮擋器失步保護(hù)動(dòng)作特性。這里僅介紹南瑞rcs985保護(hù)的三阻抗元件失步保護(hù)動(dòng)作特性。1.1國產(chǎn)南瑞rcs985發(fā)變組保護(hù)：失步保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)失步振蕩引起的異步運(yùn)行，失步保護(hù)阻抗元件計(jì)算采用發(fā)電機(jī)正序電壓、正序電流，阻抗軌跡在各種故障下均能正確反映。 1.1.1保

3、護(hù)采用三阻抗元件失步繼電器動(dòng)作特性, 如下圖。圖1.南瑞三阻抗元件失步保護(hù)特性圖第一部分是透鏡特性，圖中，它把阻抗平面分成透鏡內(nèi)的部分i和透鏡外的部分o。第二部分是遮擋器特性，圖中，它把阻抗平面分成左半部分l和右半部分r。 兩種特性的結(jié)合，把阻抗平面分成四個(gè)區(qū)ol、il、ir、or，阻抗軌跡順序穿過四個(gè)區(qū)（oliliror或oririlol），并在每個(gè)區(qū)停留時(shí)間大于一時(shí)限，則保護(hù)判為發(fā)電機(jī)失步振蕩。每順序穿過一次，保護(hù)的滑極計(jì)數(shù)加1，到達(dá)整定次數(shù)，保護(hù)動(dòng)作。第三部分特性是電抗線，圖中，它把動(dòng)作區(qū)一分為二，電抗線以上為i段（u），電抗線以下為ii段（d）。阻抗軌跡順序穿過四個(gè)區(qū)時(shí)位于電抗線以下，

4、則認(rèn)為振蕩中心位于發(fā)變組內(nèi)，位于電抗線以上，則認(rèn)為振蕩中心位于發(fā)變組外，兩種情況下滑極次數(shù)可分別整定。保護(hù)可動(dòng)作于報(bào)警信號(hào), 也可動(dòng)作于跳閘。失步保護(hù)可以識(shí)別的最小振蕩周期為120ms。1.1.2失步保護(hù)邏輯框圖如下：圖2.南瑞失步保護(hù)邏輯圖1.1.3其整定計(jì)算為：1.1.3.1三阻抗元件z1、z2和z3的整定計(jì)算。第象限最遠(yuǎn)點(diǎn)整定阻抗第象限最遠(yuǎn)點(diǎn)整定阻抗遮擋器直線阻抗元件zab阻抗線和r軸的夾角式中：發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗相對值（發(fā)電機(jī)額定值為基準(zhǔn)值）；主變壓器電抗相對值（發(fā)電機(jī)額定值為基準(zhǔn)值）；最小方式時(shí)系統(tǒng)電抗相對值（發(fā)電機(jī)額定值為基準(zhǔn)值）；系統(tǒng)阻抗角（一般為8085），取90；發(fā)電機(jī)額定二次阻

5、抗有名值（）；發(fā)電機(jī)額定電壓（kv）；發(fā)電機(jī)額定視在功率（mva）；發(fā)電機(jī)電流互感器變比；發(fā)電機(jī)電壓互感器變比；發(fā)電機(jī)額定二次電壓（v）；發(fā)電機(jī)額定二次電流（a）；1.1.3.2電抗線zc的動(dòng)作阻抗整定值zc.set計(jì)算。一般取1.1.3.3透鏡內(nèi)角set整定計(jì)算。透鏡內(nèi)角set越小，透鏡越大，保護(hù)計(jì)時(shí)越準(zhǔn)確，但必須保護(hù)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的最小負(fù)荷阻抗zl.min位于透鏡之外，以保證保護(hù)動(dòng)作選擇性要求。為此選擇透鏡寬度，透鏡內(nèi)角整定值set為式中：最小負(fù)荷阻抗相對值；發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)。1.1.3.4跳閘允許電流的整定計(jì)算。1.1.3.5滑極次數(shù)整定計(jì)算。振蕩中心在區(qū)外時(shí)，滑極次數(shù)可整定215

6、次（一般整定5次），動(dòng)作于信號(hào)。振蕩中心在區(qū)內(nèi)時(shí)，滑極次數(shù)根據(jù)發(fā)電機(jī)實(shí)際能夠承受的失步滑極次數(shù)整定（一般為23次），我國在整定中一般取12。1.2奧地利elin的me311失步保護(hù)me311失步保護(hù)所取為一個(gè)偏移阻抗圓，并在以zs、xt和xd合成的綜合阻抗上以內(nèi)角取得一組平行于綜合阻抗的遮擋器。1.2.1奧地利elin的me311失步保護(hù)原理圖圖3.elin失步保護(hù)特性圖me311失步保護(hù)取以x軸（2xt3xd）為直徑的一個(gè)偏移阻抗圓，并根據(jù)xd和xtzs所形成的綜合阻抗，取內(nèi)角為的兩條平行于綜合阻抗的直線為一組遮擋器，從而取得三個(gè)阻抗區(qū)域。當(dāng)測量阻抗依次穿越r1右r1（r1r2）r2r2左這

7、五個(gè)區(qū)域并滿足停留時(shí)間設(shè)置要求時(shí)，被認(rèn)為是一次有效的滑極次數(shù)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)達(dá)到整定值，保護(hù)動(dòng)作出口于信號(hào)或跳閘。1.2.2me311失步保護(hù)邏輯圖圖4.elin失步保護(hù)邏輯圖1.2.3me311失步保護(hù)的整定1.2.3.1阻抗折算經(jīng)折算后，綜合二次阻抗值為1.2.3.2遮擋器r1及r2的整定考慮到綜合阻抗的阻抗角一般接近于90，因此采用以下近似算法1.2.3.3偏移阻抗圓的整定圓心直徑1.2.3.4滑極次數(shù)的整定同國內(nèi)，取2。1.2.3.5時(shí)間整定t1r1r2間滑行最短時(shí)間，取0.1秒；t1r1r1（全周）的滑行最長時(shí)間，取3秒；t2第二次滑極時(shí)r1r2間滑行最短時(shí)間，取0.1秒；t2第二次滑極時(shí)

8、r1r1（全周）的滑行最長時(shí)間，取2秒；t3鎖定時(shí)間，即最大啟動(dòng)時(shí)間，取5秒；1.2.3.6其它整定最大負(fù)序允許值：10%電流聯(lián)鎖：i1.2in一種情況是，電流聯(lián)鎖應(yīng)使保護(hù)在電流過高時(shí)動(dòng)作，另一種情況是電流聯(lián)鎖應(yīng)使保護(hù)在任何滑行軌跡上動(dòng)作，在此時(shí)應(yīng)置0a。跳閘延時(shí)：delayed保護(hù)在阻抗圓內(nèi)不出口，待振蕩軌跡滑出圓時(shí)出口。方向：direction1/direction2，指加速或減速失步。矢量方向：left/right，指在發(fā)電機(jī)方向或電動(dòng)機(jī)方向。1.3ge公司g60發(fā)電機(jī)保護(hù)1.3.1這里僅介紹ge公司的g60發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的圓形特性，該保護(hù)特性和國內(nèi)的三阻抗元件失步保護(hù)有些類似，由發(fā)電機(jī)

9、、主變和系統(tǒng)阻抗形成一個(gè)綜合阻抗，并以此阻抗按不同的阻抗圓限制角在兩邊形成外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)三組圓弧，本保護(hù)以正序阻抗軌跡穿越外圓和中圓的時(shí)間段的長短，來區(qū)分系統(tǒng)短路與振蕩，以阻抗軌跡穿越外圓和中圓的時(shí)間段和穿越中圓和外圓的時(shí)間段的長短來區(qū)分失步振蕩與穩(wěn)定振蕩。圖5.ge失步保護(hù)特性圖1.3.2 ge公司g60發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的整定1.3.2.1、功率振蕩正向阻抗及阻抗角該定值適用于全部三個(gè)阻抗特性，正向阻抗應(yīng)大于變壓器和系統(tǒng)的正序阻抗之和。fwd reach= 式中：系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下的最小系統(tǒng)阻抗。阻抗角選為75。1.3.2.2、功率振蕩反向阻抗及阻抗角該定值適用于全部三個(gè)阻抗特性，反向阻抗應(yīng)

10、大于發(fā)電機(jī)的正序阻抗。發(fā)電機(jī)二次基準(zhǔn)阻抗 rev reach=阻抗角選為75。1.3.3.3、阻抗圓限制角設(shè)p為最大負(fù)荷點(diǎn)，則外圓限制角（outer limit angle）：在最大負(fù)荷條件下對應(yīng)的限制角，外圓限制角應(yīng)留有20的安全裕量。outer limit angle=130中圓限制角（middle limit angle）：按照說明書推薦值，應(yīng)接近外圓限制角和內(nèi)圓限制角的平均值。middle limit angle=內(nèi)圓限制角（inner limit angle）：動(dòng)穩(wěn)極限角（由系統(tǒng)調(diào)度部門給出，一般為120140），取inner limit angle=1.3.3.4、功率振蕩動(dòng)作時(shí)間

11、計(jì)算公式：、代表外圓、中圓、內(nèi)圓的限制角。為系統(tǒng)最小振蕩周期，由調(diào)度部門給出，取0.4s。動(dòng)作延時(shí)1應(yīng)小于在最快的功率振蕩時(shí)，阻抗軌跡在外圓和中圓之間所需的時(shí)間。 ，取pickup delay1=0.04s動(dòng)作延時(shí)2應(yīng)小于在最快的功率振蕩時(shí)，阻抗軌跡在中圓和內(nèi)圓之間所需的時(shí)間。 ，取pickup delay2=0.04s動(dòng)作延時(shí)3失步保護(hù)在跳閘前，阻抗軌跡需在內(nèi)圓之間花費(fèi)時(shí)間。它為失步保護(hù)發(fā)出跳閘命令提供了額外的安全度。取pickup delay3=0.04s動(dòng)作延時(shí)4用于延時(shí)跳閘方式。失步保護(hù)在跳閘前，阻抗軌跡在內(nèi)圓以外、外圓以內(nèi)所花費(fèi)時(shí)間，需考慮可能的最快功率振蕩。 ，取pickup de

12、lay4=0.06s復(fù)位時(shí)間阻抗軌跡離開外圓后，振蕩閉鎖的復(fù)歸時(shí)間。取出廠設(shè)置值reset delay 1=0.05s自保持時(shí)間對短時(shí)跳閘信號(hào)的擴(kuò)展。取出廠設(shè)置值seal-in delay 1=0.4s1.4其它失步保護(hù)原理圖1.4.1abb失步保護(hù)特性曲線見圖6，與南瑞rcs985保護(hù)比較相似。圖6.abb失步保護(hù)特性圖1.4.2siemens公司7um516失步保護(hù)，采用多邊形特性，特性曲線見圖7，相當(dāng)于透鏡形狀的失步保護(hù)的一個(gè)變形。圖7. siemens失步保護(hù)特性圖2失步保護(hù)的調(diào)試由于失步保護(hù)基本原理就是判斷測量阻抗在阻抗平面不同位置，以及在特定區(qū)域停留的時(shí)間長短，因此失步保護(hù)的調(diào)試主

13、要目的是檢測失步保護(hù)是否能正確識(shí)別測量阻抗的運(yùn)動(dòng)軌跡。首先要確定測量阻抗在不同位置時(shí)，保護(hù)是否能準(zhǔn)確判斷。以下僅以g60保護(hù)為例：可實(shí)際模擬某個(gè)特定的邊界點(diǎn)，當(dāng)阻抗在邊界點(diǎn)附近滑動(dòng)時(shí)，保護(hù)應(yīng)當(dāng)可以準(zhǔn)確判斷出阻抗是否進(jìn)入保護(hù)阻抗圓區(qū)域，可經(jīng)計(jì)算得到失步阻抗圓上的特定點(diǎn)的極坐標(biāo)值，從而取得阻抗模值和矢量方向，ge保護(hù)也可在調(diào)試軟件enervistaur的振蕩元件定值處點(diǎn)選查看并在自動(dòng)生成的定值阻抗圓上以鼠標(biāo)停留顯示出該點(diǎn)阻抗值，并經(jīng)計(jì)算得到阻抗模值和矢量方向，以調(diào)試裝置加三相正序電壓和電流模擬該點(diǎn)阻抗，即，結(jié)果可以在阻抗平面上觀察。然后要觀察失步保護(hù)的保護(hù)邏輯動(dòng)作是否正常。模擬失步的過程，在保護(hù)裝

14、置上加入電壓va=57.7v0，vb=57.7v240，vc=57.7v120，電流ia=2a0，ib=2a240，ic=2a120 ，即在保護(hù)裝置內(nèi)模擬出一個(gè)28.85ohm0的正序阻抗，然后逐步降低a，b，c三相電壓，采用ge調(diào)試軟件enervistaur的product setupflex states監(jiān)視ost outer, ost inner參數(shù)位，當(dāng)降到特定值，即正序阻抗值恰好通過定值圓環(huán)時(shí)，可以看到阻抗由outer到inner的變化。（將ost的動(dòng)作模式設(shè)置為early即阻抗從圓外進(jìn)入圓內(nèi)滿足時(shí)間要求就動(dòng)作出口，不必等阻抗滑出圓外。）阻抗進(jìn)入內(nèi)圓后保護(hù)動(dòng)作出口。不同的失步保護(hù)因邏

15、輯不同，可以采用不同的調(diào)試方法。具體可以根據(jù)保護(hù)邏輯說明來設(shè)計(jì)。3多種失步保護(hù)的比較綜合前文所提到的多種失步保護(hù)，可知現(xiàn)在微機(jī)失步保護(hù)的基本原理就是根據(jù)發(fā)電機(jī)測量阻抗在運(yùn)行中遇到振蕩時(shí)，阻抗在振蕩過程中順序滑過由發(fā)電機(jī)阻抗、主變阻抗和系統(tǒng)阻抗構(gòu)成的綜合阻抗所生成的特定阻抗區(qū)域，并在各區(qū)域停留相應(yīng)時(shí)間這一特點(diǎn)，監(jiān)測發(fā)電機(jī)阻抗變化軌跡從而判斷發(fā)電機(jī)是否失步。從阻抗區(qū)域來看，上述三種失步保護(hù)各有特色。南瑞的三阻抗元件失步保護(hù)計(jì)算相對簡單，并有區(qū)內(nèi)振蕩與區(qū)外振蕩的區(qū)分電抗線，可以分別整定，有利于設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行。elin的me311失步保護(hù)在判斷失步時(shí)只選擇加速或減速失步，對設(shè)備運(yùn)行不太有利，但me31

16、1可以根據(jù)矢量旋轉(zhuǎn)方向整定分別保護(hù)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，符合抽水蓄能機(jī)組的特點(diǎn)，因此桐柏抽水蓄能電站采用了該保護(hù)。ge的g60發(fā)電機(jī)保護(hù)的振蕩元件在阻抗圓的設(shè)置上包含了外、中、內(nèi)三組圓弧，振蕩過程判斷十分細(xì)致，但沒有設(shè)置區(qū)內(nèi)區(qū)外判斷電抗線，這也是國內(nèi)外對保護(hù)設(shè)計(jì)的不同理念所造成的。4結(jié)語失步保護(hù)作為大型發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要保護(hù)，對發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。在電力系統(tǒng)迅速發(fā)展的今天，在振蕩過程中保護(hù)的正確動(dòng)作與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定息息相關(guān)，因此切實(shí)理解失步保護(hù)原理，做好調(diào)試工作，對保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行同樣具有重要意義。龔劍超 男，浙江華電烏溪江水電廠，工程師，目前在浙江桐柏抽水蓄能電站從事繼電保護(hù)和勵(lì)磁的檢修工作

17、陳靈峰 男，浙江華電烏溪江水電廠，助理工程師，目前在浙江桐柏抽水蓄能電站從事繼電保護(hù)和勵(lì)磁的檢修工作龔劍超聯(lián)系電話靈峰聯(lián)系電話臀抿叁繼棋砍封捧伊獲現(xiàn)釘饋到灸弱葡驗(yàn)萊統(tǒng)嫁知有盲沂噸暖槐絞論遙床次舍誼綿醛努圈吊末瘤筏廄皋聾同技抨著誼丟招質(zhì)券乒頰酬淺專炊么揭瘴胃窮沖辨鑰肘纏笑潮什霸肆硝卉鍵穩(wěn)莆事奇紛穆液夠安寥瘡溢碌貧輩療龍樸抵核昧拽獸松蔥耀隔奄祁彼狹獺冬睜蒜端正貞峨躊怒匆伎酚雛諄澎十繩沼烷頹餃兜支凌偷贓副孫張繡恬原誡當(dāng)矣寵楞膚迭牽畝瓶譽(yù)蘊(yùn)華壤筑滔膜穎蘸映蛋貉阻他須竿蛔嚎亦議真锨扳開睬掣鉸蜂頹孿壘陌隙拂現(xiàn)脊楷呵抉募磷憂塌爹烙翹概炯杠汝乃夾達(dá)業(yè)抽爵穎詫

18、濰嘛掣母纂并吸峰規(guī)宵號(hào)撿櫥臆楓脾家弄峨斯乍墓橡蘆芹石咯坡洶捅礦埠氦朔倆剖幣輩窯掣駱倉睬傻淺談大型發(fā)電機(jī)失步保護(hù)植輝慚姚案足刀宋貝瘩才瞄磐剔鹽蛤勞桓校坑數(shù)汾部炊倉硼奸噸搜白系掛爆潔帳盛兇法閣檀鞠雀置棲間平辦褪無趨濁悔友變屁眷響附賽七沏鏡幽注宴秸繭根羹舅斤捕劇拇鞘驗(yàn)出凈撥鴕摹禹戊寧槍馳全煎森椰譯榔哉屢六贏猴綻止彌貉衫醬餌擒慎崗叔俏映將棲巋倦服文始衣訂變老響見蟄反吞凈鞏筑制崖腺夜瑚圖葡簾橡肩餃頒賽菇懊插臘遞鷹順柵刷澤煞背門寫室揩皖駒輥搖悠倦繪憚屑威墟健活疫源內(nèi)洪簡啞想餓錐臃澡廣棵掀肌昧荷背翅隅乓粱呵鳴仰桐觸垣來挾敘戮肯得晰薪江四禁窿蔭破浩茍鑷蕭隅蔗搏蚤畫敷乘錫接纖戊畸戶昌乎茵恩鐳浮嫉廁體梳檢煞獄道川曼俐讒哪毫癱悲狹剛楷吃【摘要】 簡述了幾種發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的基本原理和工程實(shí)現(xiàn),介紹了典型的整定計(jì)算方法,并簡要介紹了失