失步保護和失步預(yù)測保護

1、1失步保護和失步預(yù)測保護（一）裝設(shè)失步保護和失步預(yù)測保護的必要性 對于中小容量的發(fā)電機，一般不裝設(shè)失步保護，當(dāng)機組發(fā)生振蕩失步時，由值班人員處理。對于300MW及以上的大型發(fā)電機（特別是大型汽輪發(fā)電機），由于下述原因，宜裝設(shè)專門的失步保護和失步預(yù)測保護：n大型發(fā)電機組均與變壓器組成單元接線，它們的電抗較大，而且機組的慣性常數(shù)相對減小、勵磁頂值高且響應(yīng)快，與之相聯(lián)的系統(tǒng)等值電抗卻往往較小，一旦發(fā)生系統(tǒng)振蕩，振蕩中心常位于發(fā)電機機端附近，使廠用電電壓周期性地嚴(yán)重下降，廠用機械的穩(wěn)定運行受到嚴(yán)重威脅，部分電動機將被制動，可能導(dǎo)致停機停爐、爐管過熱或爐膛爆炸。鑒于失步對大型汽輪發(fā)電機的上述危害，當(dāng)振蕩

2、中心2 位于發(fā)-變組內(nèi)部時，失步保護可無延時跳閘或在第一個滑差周期內(nèi)跳閘。n失步振蕩電流的幅值與三相短路電流可比擬，但振蕩電流在較長時間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)，使大型發(fā)電機組遭受力和熱的損傷。振蕩過程中出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，周期性作用于機組軸系，使大軸扭傷，縮短運行壽命。當(dāng)振蕩中心位于發(fā)-變組以外的系統(tǒng)中時，或振蕩電流小于0.60.7倍機端三相短路電流時，發(fā)電機應(yīng)能承受1520個振蕩周期。n即使已裝設(shè)反應(yīng)靜穩(wěn)（和/或動穩(wěn)）極限的低勵、失磁保護，對于300MW及以上大型機組，仍宜裝設(shè)失步保護。因為失磁雖最終導(dǎo)致失步，但失步卻并非均由失磁故障造成。因此可將低勵、失磁保護視為失步保護的后備。3 發(fā)電機失步預(yù)測保護應(yīng)作

3、為系統(tǒng)安全自動裝置的一個組成部分，在發(fā)電機失步預(yù)測保護動作后不應(yīng)無條件作用于機組跳閘停機，而應(yīng)該從全系統(tǒng)穩(wěn)定運行出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)初始運行狀態(tài)和故障嚴(yán)重程度，由安全自動裝置進(jìn)行綜合判斷，發(fā)出相應(yīng)的操作命令（增減有功、投切部分機組、調(diào)相或抽水蓄能轉(zhuǎn)發(fā)電、投電氣制動等）。4（二）對失步保護和失步預(yù)測保護的基本要求n應(yīng)盡快檢出失步故障，使后續(xù)的自動裝置或人工操作及早采取抑制措施，以避免發(fā)生振蕩失步，或使失步振蕩轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定振蕩（不失步），或最大限度縮短振蕩過程。為此提出預(yù)測失步的功能?？紤]到失步預(yù)測功能和不誤動作要求的矛盾，通常只要求保護在第一個振蕩周期內(nèi)檢出失步故障。n應(yīng)有可以鑒別短路與振蕩、失步振蕩與

4、同步搖擺的能力。n發(fā)電機組失步保護動作后行為應(yīng)由系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行要求決定，一般不應(yīng)立即作用于跳閘。5n系統(tǒng)振蕩兩側(cè)電動勢相位差 時，斷路器斷口的電壓將為兩側(cè)電動勢幅值之和，遠(yuǎn)大于斷路器的額定電壓，此時斷路器能開斷能開斷的電流將小于額定開斷電流。因此當(dāng)失步保護動作而要跳開斷路器時，應(yīng)避免在 左右跳閘，盡量在 且正逐步減小的情況下再發(fā)出跳閘的信號。180180906（三）多阻抗元件的失步保護1、雙阻抗元件失步保護0.40.30.20.20.30.40.50.60.70.80.10.30.40.50.60.10.2AE0.3dX 0.15tX 0.05bX BE1ABKEE1ABKEE125643A

5、EBE0DMd b090GHrjx5dxS圖56 振蕩及短路過程中機端測量阻抗軌跡點H正常工作點；點D短路后阻抗向量末端；曲線1機端觀測的靜穩(wěn)邊界；曲線2動穩(wěn)邊界；曲線3短路后阻抗躍變；曲線4切除短路后阻抗躍變；曲線5非穩(wěn)定振蕩阻抗軌跡；曲線6穩(wěn)定振蕩阻抗軌跡7 設(shè)兩側(cè)電動勢各為 和 ，其相角差 為變數(shù)，且有 ，K為 或=1的常數(shù)。今觀察圖56中左側(cè)發(fā)電機機端阻抗在短路、振蕩情況下的軌跡，目的為嚴(yán)格區(qū)分短路和振蕩。 圖56中，正常運行在阻抗平面上為H點。設(shè)突然發(fā)生短路故障，機端阻抗將由H點躍變到D點，故障切除后，由D點躍變到G點，此后隨著 的不斷增大，機端阻抗將沿振蕩阻抗圓5（設(shè) ）逐漸到達(dá)某

6、點S，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的， 將反向減小，機端阻抗由S點沿軌跡6返回。 當(dāng)發(fā)生穩(wěn)定振蕩時，振蕩阻抗軌跡只在阻抗平面的第一或第四象限變化，而且由于 較小，阻抗變化緩慢。 當(dāng)發(fā)生失步振蕩時， 在 范圍內(nèi)連續(xù)變化，AEBEABGGK1ABK EEddt03608 阻抗軌跡是一個圓或一條直線，根據(jù) 1，有不同的阻抗圓或直線，阻抗軌跡變化比短路時慢得多。 根據(jù)上述特征，可以利用兩個阻抗元件來鑒別非穩(wěn)定振蕩和短路故障、穩(wěn)定振蕩，構(gòu)成失步保護的主要測量元件。 阻抗元件（ ）和阻抗元件（ ），可以為同心圓動作特性；也可以使阻抗元件（ ）的動作特性為圓，而阻抗元件（ ）的動作特性為直線；還可以令阻抗元件（ ）和阻抗

7、元件（ ）均為透鏡形特性。這三種特性，分別示于圖57(a)、(b)、(c)或(d)。 現(xiàn)以雙透鏡動作特性來說明雙阻抗元件構(gòu)成的失步保護。在穩(wěn)定搖擺過程中，機端阻抗軌跡為2、 、4、3或2、 、4、 、 、 、5，最終逸出透鏡阻抗的動作區(qū)。在發(fā)生短路和隨后切除短路的過程中，機端ABK EE1Z2Z1Z2Z1Z2Z1A1A2A1B2B9jxBoMArHG1Z2ZoMBA1B1B2B2BGHFDrjxjxBB1Z1Z2ZBoMGHDAAArdjxjxBB1Z2Z()sjxMISFDHGroM1B2BAAAdjx1B2B1A2A123425 (a) (b) (c) (d)圖57 失步保護的動作特性 (

8、a)同心圓動作特性； (b) 圓-直線動作特性； (c)、(d) 雙透鏡動作特性； 1短路； 2非穩(wěn)定振蕩； 3穩(wěn)定振蕩10 阻抗軌跡為I、F、S，雖曾進(jìn)入動作區(qū)，但很快就推出了。在非穩(wěn)定振蕩情況下，機端測量阻抗軌跡，穿過阻抗元件（ ）和阻抗元件（ ）的動作區(qū)，由點 進(jìn)入，由點 穿出。穿過 ， 和 的時間分別為 、 和 。當(dāng)發(fā)生短路故障時，阻抗軌跡由正常工作點I躍變到點F，幾乎是同時穿過阻抗元件（ ）和阻抗元件（ ）的動作邊界。因此可以用 的大小來鑒別短路與振蕩，防止發(fā)生短路時誤動作。動作特性阻抗元件（ ）按動穩(wěn)極限整定，因此在穩(wěn)定振蕩時，阻抗軌跡只進(jìn)入阻抗元件（ ）的動作區(qū)，而不會越過阻抗元

9、件（ ）的動作邊界，即只有阻抗元件（ ）動作，而阻抗元件（ ）不動作，以此來鑒別穩(wěn)定振蕩與失步振蕩，防止在穩(wěn)定振蕩時誤動作。 基于這一原理的失步保護原理圖如圖58所示。1Z2Z1Z2Z1Z1Z2Z2Z2Z1A1B12AA22AB21B B1t2t3t1t111Z2ZAABB&2t1t4t3t1&1&f f 1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y1H2HAJXB信號減原動機出力增原動機出力解列圖58 雙透鏡動作特性的失步保護原理圖122、三阻抗元件失步保護（原瑞士BBC生產(chǎn)ZPT408-10 型滑極繼電器） 以圖59為討論對象，ZPT408型滑極繼電器設(shè)置在發(fā)電機B的機端O處。

10、對于兩側(cè)電動勢幅值比 或者 或者 ，相應(yīng)的振蕩阻抗軌跡如圖59中諸虛線所示。當(dāng) ，且兩側(cè)電動勢相位差為 （ 領(lǐng)先 ）時，繼電器觀察到的視在阻抗為 。BAsZjxjxrsAZKZtxo1BAEE 1BAEE 1BAEE 阻抗軌跡sBgZx33B408ZPTogxtxsZABEAEsAZsBZ段段圖59 兩機系統(tǒng)及其失步阻抗軌跡1BAEE 111BAEE BEAEKZ13 ZPT408型繼電器的動作特性如 圖60所示，它由三個阻抗元件構(gòu)成：n透鏡特性的阻抗元件。它將阻抗 平面分為透鏡內(nèi)動作區(qū) 和透鏡外 不動作區(qū)A。透鏡內(nèi)角為 。n阻擋器直線阻抗元件。它將阻抗 平面分為左半部分（L）和右半部 （R）

11、，其方向與透鏡主軸相同。n電抗線阻抗元件。它垂直于透鏡 主軸，其位置由 決定。電抗線將 保護分為段跳閘區(qū)和段跳閘區(qū)。當(dāng)振蕩中心位于 發(fā)-變組內(nèi)部時，屬段跳閘區(qū)，一般要求在第一次滑jxII段I段rAZCZBZLRAAnInI090 圖60 滑極繼電器ZPT408的特性 透鏡特性阻抗元件； 阻擋器直線阻抗元件； 電抗線阻抗元件nIcZ14 極（失步）后即將機組跳閘解列。如果振蕩中心位于發(fā)-變組之外的系統(tǒng)中，屬段跳閘區(qū)，滑極繼電器不應(yīng)使機組立即跳閘，以便系統(tǒng)保護有時間處理，知識在預(yù)定的滑極次數(shù)之后，系統(tǒng)保護仍未能妥善處理時才使發(fā)電機跳閘。所以 （變壓器電抗）。 透鏡阻抗特性的動作范圍由 、 和 決定

12、。設(shè)圖59系統(tǒng)中， 領(lǐng)先 ，發(fā)生振蕩并失步，振蕩中心假設(shè)在發(fā)-變組內(nèi)，則振蕩阻抗軌跡在圖60中將自右至左、從阻抗平面的區(qū)域A和R進(jìn)入透鏡區(qū)內(nèi) ，隨后越過阻擋器直線到區(qū)域 和L，最終逸出透鏡到區(qū)域A和L，反映了兩側(cè)電動勢相位差 由小到大的全部過程。ctZxAZBZBEAEnInI15（四）測量振蕩中心電壓及其變化率的失步預(yù)測保護 圖61所示的兩機系統(tǒng)發(fā)生振蕩，兩側(cè)電動勢為 和 ，且 領(lǐng)先 之角為 ，設(shè) ，則電氣中心m（位于 處）即系統(tǒng)振蕩中心，該點電壓 為振蕩中心電壓，如圖62所示。在兩側(cè)電動勢均為E的條件下由圖62可知： （5-4-1） 系統(tǒng)振蕩時 不斷變化，故有：1H2H1E2E12x12x

13、mUmI圖61 兩機系統(tǒng)示意圖ImAEBE2N2mU12Xj I12Xj I圖62 振蕩中心電壓mUAEBEAEBEABEEE2xmU1cos2mUE16 （5-4-2） 由此可見，振蕩中心電壓 的大小反映功角 的大小， 反映 角的變化率 ，因此失步預(yù)測保護采用 和 兩個參量不僅測量 的數(shù)值，還檢測了 的變化速率。 假設(shè)振蕩過程中轉(zhuǎn)差為常數(shù)，相應(yīng)轉(zhuǎn)差頻率 和轉(zhuǎn)差周期 也是常數(shù)，且有： （5-4-3） （5-4-4） 式中，“+”表示 隨t增加，“-”表示 隨t減小。 將式（5-4-4）代入式（5-4-2）得： （5-4-5） 設(shè)失步預(yù)測保護的動作判據(jù)為：sin22mEddUdtdt mUmdU

14、dtddtmUmdUdtsfsT222sssf tt TddtT mdUdt sin2sET17 （5-4-6） 式中： ， （如圖63所示） 動作判據(jù)式（5-4-6）不是單純以 （即 ）的大小決定動作行為，還與 （即 ）有關(guān)， 變化得越快，保護越能動作。選取 （即動作特性斜率 ）越大，保護動作越早，所以 與失步保護提前檢出失步故障的時間有關(guān)。1a2amUmUE1aU2aUmsd UTdt1b2b動作區(qū)圖63 反映 和 的失步預(yù)測保護動作特性mUmdUdtmmald UUUdtsT tgmUmdUdtddttg18（五）測量視在電阻及其變化率的失步預(yù)測保護 圖61所示的兩機系統(tǒng)可規(guī)范化為一機無

15、窮大系統(tǒng)，功角運動方程如下： （5-5-1） （5-5-2） （5-5-3） 式（5-5-1）表示一臺具有E和H（慣性常數(shù)）的發(fā)電機，經(jīng)電抗 接于無窮大系統(tǒng)（電動勢也是E），在受到擾動轉(zhuǎn)矩 后，功角由 變?yōu)?的轉(zhuǎn)子運動方程。 將 （即 ）乘式（5-5-1）并對t積分得： （5-5-4） 開方得： （5-5-5） 22021212211212sinsindEHdtxHH HHHHHHHx0ddt220022()sincosEdtH xH 1 220012sincosNdtH 19 式中： ， 為兩側(cè)系統(tǒng)間總電抗； 系統(tǒng)擾動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。 作為兩種 的簡單示例，求式（5-5-5）在相平面（ ）上的穩(wěn)

16、定邊界。n認(rèn)為故障歷時極短， 近似為一脈沖，則有： （5-5-6） 式中：C待定常數(shù)。 為了確定常數(shù)C，作為邊界條件，取 時有 并以此條件代入式（5-5-5）及式（5-5-6），有： （5-5-7） 將上式代入式（5-5-5），并設(shè)故障清除后，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不變，此時有 ，由此得穩(wěn)定邊界關(guān)系式：NEH xx01dtCH M020sincosNMMC 0M20 （5-5-8） 已知 及 ，上式可定 相平面上穩(wěn)定邊界。n設(shè)擾動轉(zhuǎn)矩 為一階躍量，該階躍量由發(fā)電功率與負(fù)荷的不平衡所引起，這時有： （5-5-9） 式中： 、 待定常數(shù)。 由邊界條件 和 時 可推得： （5-5-10） 式（5-5-5）之解為：

17、 （5-5-11）1 22coscossinNMMM 00M 1201d tCCH 1C2C0M020001020020co sco ssinco sco sNMMMNMMMCC1 20000co sco s2co sco sMNM 21 上式中的 可由圖64根據(jù)穩(wěn)定的面積定則確定，即兩個陰影面積相等，所以有： （5-5-12） 即 （5-5-13） 代入式（5-5-11）即得：P0P0PosinmP0MMP0Po0MM1sinmP2sinmP圖64 功率不平衡系統(tǒng)擾動之一圖65 功率不平衡系統(tǒng)擾動之二000sinsinMMMmmPPdPP d00sincoscos0MMMM22 （5-5-1

18、4） 仍由式（5-5-13）與上式消去 得： （5-5-15） 擾動轉(zhuǎn)矩 為階躍量的另一種形式見圖65。電磁功率原為 ，起始功角為 。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)改變（例如切除一回輸電線或一臺變壓器、發(fā)電機勵磁減小使等值電動勢降低等），電磁功率改變?yōu)?。穩(wěn)定極限就是圖65中的兩個陰影面積（加速和減速）相等，即： （5-5-16） 由此推出： （5-5-17） 計及 ，故有： （5-5-18）1 2002coscossinNM 1 22coscossinNMMM 1sinmP02sinmP00220sinsinMMMmmPPdPP d0020coscos0MmMPP02sinmMPP00sincoscos0MMM

19、023 與式（5-5-13）完全相同，穩(wěn)定邊界也是式（5-5-8）。 根據(jù)以上分析，無論是擾動轉(zhuǎn)矩 為一脈沖（該擾動未改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)， ），或者擾動轉(zhuǎn)矩 為一階躍量圖64或圖65， 由式（5-5-13）確定，它們的穩(wěn)定邊界在相平面 上均唯一由式（5-5-8）確定。 脈沖擾動時式（5-5-8）在相平面（ ）上的穩(wěn)定邊界示例如圖66所示， ， 。由于 、 不易測量，為此將該穩(wěn)定邊界轉(zhuǎn)移到 相平面上。 由圖66可知，當(dāng) 且不計各元件電阻時，振蕩中心電壓 與振蕩電流 同相，并有視在電阻 為（觀察點在振蕩中心）： （5-5-19） 求導(dǎo)得視在電阻的導(dǎo)數(shù)為（觀察點在振蕩中心）：0M M030150MRRAB

20、EEmUImR22mmmx IURtgIU22mxRctg24 （5-5-20） 式（5-5-19）和式（5-5-20）告訴我們：（視在電阻）與功角 對應(yīng)， （視在電阻導(dǎo)數(shù)）與功角導(dǎo)數(shù) 對應(yīng)，因此在一定的系統(tǒng)擾動轉(zhuǎn)矩 作用下，根據(jù)式（5-5-8），利用式（5-5-19）和式（5-5-20），不難作出在一定 條件下的 相平面上的穩(wěn)定邊界。這就是測量視在電阻及其變化規(guī)律的失步預(yù)測保護基本原理。/rad srad321012342101234567圖66 相平面的穩(wěn)定邊界222mmRxRx mRmR0RR150 ,0400.523302.61815025（六）其它失步預(yù)測保護n以系統(tǒng)兩點間相位差為依

21、據(jù)的失步預(yù)測保護u相位差算法u相位差預(yù)測值的算法u電流振蕩檢測元件n采用李雅普諾夫直接法的失步預(yù)測保護26（七）多機系統(tǒng)發(fā)電機失步預(yù)測保護新判據(jù)1、多機系統(tǒng)發(fā)電機失步預(yù)測保護新判據(jù)的基本概念 對于n機系統(tǒng)，在分析暫態(tài)失穩(wěn)問題時，通常均構(gòu)思該系統(tǒng)的慣性中心0，慣性中心對基準(zhǔn)點的角度 、角速度 定義為： （5-7-1） （5-7-2） 式中： 全系統(tǒng)所有機組慣性常數(shù)之和； 各為第i臺機組的慣性常數(shù)、對基準(zhǔn)點的角度和角速度， 。 每臺發(fā)電機相對慣性中心的運動方程為： （5-7-3） （5-7-4）00010111niiiniiiMMMM1niiMMMiiiM、 、iiddt00iiii0ii27 （

22、5-7-5） 式中： 第i臺機組在系統(tǒng)擾動后輸出有功的變動 系統(tǒng)擾動后全系統(tǒng)的不平衡功率， 第i臺機組在系統(tǒng)擾動條件下、相對系統(tǒng)慣性中心的動能為 。式（5-7-5）右式積分得到第i臺機組對慣性中心0的勢能 為： （ 為不穩(wěn)定平衡點） （5-7-6） 勢能對時間的導(dǎo)數(shù) 為： （5-7-7） 式中， 表示故障切除后，第i臺機組（設(shè)為加速狀態(tài)）的動能將逐漸轉(zhuǎn)化為勢能而被系統(tǒng)吸收。若到達(dá)不穩(wěn)定平衡點 前動能已全部變?yōu)閯菽?，則 。 iiiicoAiMMPPFM iPcoAP0coAPM2/ 2iiMpeiV USipeiiiVFdUSpeiV peiiiVFpeiVUS0i28 對于不失步的情況，故障切

23、除后，轉(zhuǎn)子運動逐漸減速，一旦動能全轉(zhuǎn)化為勢能，此刻 ，往后 將小于零（即 發(fā)生變號），但 即 的符號屬性不變。 如果第i臺機組因系統(tǒng)故障而最終失步，當(dāng)此故障切除后，在加速動能完全轉(zhuǎn)化為勢能前，轉(zhuǎn)子運動軌跡已越過不平衡點 ，即使故障被切除， 仍繼續(xù)增大， 既沒有到達(dá)零點，也就沒有發(fā)生變號，但 的符號屬性卻變號了。 總結(jié)以上認(rèn)識，提出多機系統(tǒng)發(fā)電機失步保護動作判據(jù)：n在故障切除一段時間后， 的符號屬性改變，但是 的符號屬性不變，則判定為在第一搖擺周期中未發(fā)生失步。0iii 0iF iFUSii iFi iF29n在故障切除一段時間后， 的符號屬性不變，但是 的符號屬性改變，則判定為在第一搖擺周期中已發(fā)生