阐述发电机失步的原理及双遮挡器原理失步保护的整定计算

阐述发电机失步的原理及双遮挡器原理失步保护的整定计算

摘要：阐述南海发电一厂220kV出线同杆并架双回线，电网调度为确保电网系统稳定性，电厂投入发电机组失步保护的必要性；以及着重介绍了基于双遮挡器原理的发电机组失步保护整定值计算方法。

关键词：振荡；失步保护；双遮挡器；整定计算

0 引言

2013年中旬，中调转发了电网总调《电厂安全稳定防线优化方案讨论会议纪要》，并要求我厂在具体时间内完成对机组失步保护定值优化调整工作，具体原则如下：1 ）机组失步保护整定范围延伸至电厂送出线路对侧变电站，即延伸至 220kV 对侧变电站；2 ）为分散动作风险，机组滑极次数定值分两轮整定。即不重要机组定义为第一轮跳闸对象，重要机组为第二轮跳闸对象，后者滑极次数需比前者大。 由于我厂无装设失步解列装置， 2台机组发变组保护亦无配置失步保护（机组为200MW发电机，可不配置发电机失步保护），按中调通知要求需进行机组失步保护定值整定并投入。

1 针对我厂220kV出线同杆并架双回线，发电机组失步保护投入的必要性

广东电网调度对全网电厂送出线路（同杆双回线）故障的稳定性进行核算，针对我厂220kV出线（新南甲线、新南乙线为同杆双回线）分析研究，当两回线路同时或相继出现一回线路三相永跳故障与另一回线路单相瞬时故障现象时，线路电抗增加，回路的综合电抗XΣ变大，根据公式:

PE= (1-1)

:发电机电动势；

U:无穷大系统母线电压；

XΣ:包括发电机电抗在内的发电机到无穷大系统母线的总电抗；

δ:发电机电动势EA与无穷大系统电压U之间的功角；

PE : 功率极限值。

功率极限值将变小，功角特性将由图曲线1变为曲线2，如图1-1所示。[1]

图1-1 系统故障时的功角特性曲线

在切除线路的瞬间，XΣ的增大以及发电机由于机械惯性，转速不变，功率角不变δ，由公式1-1可知，这时原动机供给发电机的功率仍为Pm，发电机的对外输出功率PE却减少了，此时发电机的运行点将由曲线1的a点落到曲线2的b点上，但是b点运行时，功率是不平衡的。

于是，发电机轴上作用的原动力矩将大于制动力矩，故发电机加速，δ角增大，运行点由b点沿着曲线2向c点移动。与此同时，转子的相对速度ν（相对速度也可理解为动能，指的是发电机转速相对无穷大电源系统等效发电机的转速）也由零逐渐增大，至c点时，功率Pm和PE又达到平衡。由于剩余功率为0，故转子应没有加速度，但此时发电机的相对速度ν为最大值，因惯性力矩作用δ角将逐渐增大。过c点后，由于发电机的输出功率大于输入功率，发电机轴上将出现减速的过剩力矩，故从c点开始，转子的相对速度ν将逐渐减小，虽然转子速度逐渐变慢，但仍大于同步转速，故δ角继续增大。直至d点，减速面积cde等于加速面积abc,转子的相对速度ν减至0，发电机转速达到同步转速。但此时发电机轴上仍作用着减速的剩余力矩，故发电机的转速继续减小。从d点起，相对速度ν变负，因而δ角开始减少。直至δ角又摆回c点时，功率又达到平衡，负的加速度为0，反向的相对速度ν达到最大。负的惯性力矩作用下，δ角将继续减小。过c点后，发电机轴上又出现加速的剩余力矩，正向的加速度使反向的相对速度ν又逐渐减小。ν减至0后，由于功率不平衡，发电机转子有开始新的摆动，如此反复多次。[1]

振荡过程中能量的损耗，δ角变化逐渐衰减，最后稳定在c点以δ2角运行，这说明发电机保持了暂态稳定。反之，如果短路开始时加速的剩余力矩很大，δ角摆动得超过了临界δf（不稳定平衡角，对应图1-1中的f点）则加速的剩余力矩会随δ角的增大而越来越大，δ达到180°以后，PE为负值，加速度更大，直至发电机失步，电网处于异步振荡的情况。[1]

可见，当我厂在发电机组在大负荷运行情况下，两回线路同时或相继出现一回线路三相永跳故障与另一回线路单相瞬时故障现象时，线路的电抗增加，极易对主网失步振荡，严重时将威胁着电网系统的稳定性，现有电网系统稳控措施不能维持稳定，需增设第三道防线解列线路或机组，切除故障的同时切除一部分的发电机，以减少原动机的机械功率，增大减速面积，保持系统暂态稳定。[2]

2 失步保护定值计算方法（以我厂1号机组为例）

根据中调提供的数据知，我厂220kV 线路电抗参数如下（基准值100MVA ）[3]：

根据中调提供的数据知，归算至100MVA 下对侧站220kV 母线最大运方电抗为0.036；[3]

我厂机组及主变压器参数如下：

发电机保护为北京四方CSC-306D 装置构成，保护采用多区域特性（双遮挡器）原理构成。

失步保护原理[4]

发电机失步保护反应发电机机端测量阻抗的变化轨迹，能可靠躲过系统短路和稳定振荡，并能在失步摇摆过程正区分加速失步和减速失步，失步保护采取多直线双遮挡器特性，电阻直线将阻抗平面分为多区域。图1-2中A点的XA为发电机暂态电抗Xd’。B点的XB为系统联系电抗，含系统电抗X S和变压器电抗XT（归算到发电机端电压）。

若机端测量电抗小于变压器电抗XT，说明振荡中心落在发变组内部。图中RS为电阻边界定值，Rj由程序固定设成0.5RS。

图1-2 发电机失步保护双遮挡器特性（多区域特性）

图中1~3区与6~4区在阻抗平面上对jX轴对称，在同步发电机运行方式下有：

<1> 系统正常运行时，机端测量阻抗> RS，其变化轨迹不进入2~5区内；

<2> 发电机加速失步时，测量阻抗从1区依次穿过2、3、4、5、6区，在每个区内的停留时间超过对应的时间；

<3> 发电机减速失步时，测量阻抗从6区依次穿过5、4、3、2、1区，在每个区内的停留时间超过对应的时间；

<4> 短路故障时，测量阻抗在2~5任一区内停留小于对应的时间久进入下一区；

<5> 稳定振荡时，测量阻抗穿过部分区后又逆向返回，而不是同向依次穿过所有区。

当装置检测出发电机失步时，及时发信号。当失步振荡中心落在发变组内部时，对滑挤次数进行计数更新，当达到整定的滑级次数Nsb后发出跳闸令。失步保护内部采用闭锁措施，能在两侧电动势相位差小于90°时才发跳闸脉冲，断路器能在超过其遮断容量的情况下切断电流，从而保证断路器的安全性。为了提高失步保护的可靠性，增加有功功率变化为判据。

失步逻辑逻辑框图（图1-3）[4]

图1-3 失步逻辑逻辑框图

整定计算实例[5] [6]

以发电机视在功率 235MVA 为基准值，各元件参数为：

Xs—220kV 对侧站大运方电抗：0.036×235MVA/100MVA=0.0846

XT—主变电抗：0.1391×235MVA/240MVA=0.1362

Xl —双回线电抗：0.0036×235MVA/100MVA=0.00846

Xd’—发电机暂态电抗（不饱和值）： 0.24

由于Xt为电抗线边界，区分震荡中心是否在拟定的保护动作范围内，本处保护延伸至220kV对侧站，故：Xt=XT+Xl=0.1362+0.00846=0.14466

a) 失步保护电阻边界Rs：

可按躲过最小负荷阻抗整定,计算公式：Rs=（Xt+ Xs+ Xd’）δ1/2）,δ1取120°。（Xt、 Xs分别为归算到发电机侧的变压器电抗和系统电抗标幺值，Xd’为发电机的暂态电抗）

Rs=（Xt+ Xs+ Xd’）δ1/2）

=（0.14466+ 0.0846+ 0.24）120°/2）

=（0.14466+ 0.0846+ 0.24）×0.577=0.1354

则有名值为：Rs=0.1354×=0.1354×=2.171Ω

Xs—220kV 对侧站大运方电抗折算至机端有名值:

0.0846×=0.0846×=1.356Ω

XT—主变电抗折算至机端有名值:

0.1362×=0.1362×=2.184Ω

Xl —双回线电抗折算至机端有名值:

0.00846×=0.00846×=0.1356Ω

Xd’—发电机暂态电抗有名值（不饱和值）:

0.24×=0.24×=3.848Ω

则计算结果：Xt=XT+Xl=2.184Ω+0.1356Ω=2.3196Ω

B点电抗为XB= Xt+ Xs=1.356+2.3196Ω=3.676Ω

A点电抗为XA= Xd’=3.848Ω

Rs=2.171Ω

b）失步保护变压器电抗XSB整定: 由于本处保护延伸至220kV对侧站，故:

XSB= Xt=XT+Xl=2.184Ω+0.1356Ω=2.3196Ω (为变压器电抗与线路电抗之和)

c）阻抗最小停留时间T1和停留时间T2：

考虑系统振荡时，发电机功角δ匀速变化。则阻抗在2 区、5区停留的时间为

T=Ts (δ2-δ1)/360°。其中Ts为系统最小振荡周期（由调度给出，暂定为1S），δ1取120°,δ2=2ctg-1。整定T1 =0.5Ts (δ2-δ1)/360°。

T1 =0.5Ts (δ2-δ1)/360°

=0.5×1×（2ctg-1-120°）/360°

=0.5×（2ctg-1-120°）/360°

=0.5×（2ctg-10.289-120°）/360°

=0.5×（2×73.886-120°）/360°

=0.5×（147.772°-120°）/360°

=0.0386S

系统振荡时测量阻抗在3区、4区停留的时间为T’= Ts (180°-δ2)/360°，整定T2 =0.5 Ts (180°-δ2)/360°

T2 =0.5 Ts (180°-δ2)/360°

=0.5×1× (180°- 2ctg-1)/360°

=0.0448S

d）失步保护滑极次数Nsb:

振荡中心在区内，失步滑极次数暂时整定：#1机为 3次。

e）动作方式：机组解列

3结束语

为更好地了解电厂出线双回路输电线路突然切除故障跳闸，并列在电网上的发电机同时出线的电磁瞬变过程和机械运动瞬变过程，以及预防因发电机失步而造成的电网安全稳定性受到影响，双遮挡器原理失步保护及透镜原理失步保护等均发挥了重要作用，在发电机失步保护时避免了发电机失步对系统带来的负面影响，为电网安全稳定性设立了防线，然而正确的整定计算也是继电保护能发挥真正作用的基础。

本文参考文献

[1] 谢明琛，张广溢. 电机学[M]，重庆大学出版社，2004.05

[2] DL755－2001 电力系统安全稳定导则[S]

[3] 2013年广东电网继电保护整定运行说明及技术指导导则（附件）[z]，广东电网电力调度中心

[4] CSC-306D数字式发电机保护装置说明书[z], 北京四方继保自动化股份有限公司, 2005.03

[5] DL/T 684-2012 大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S]

[6] 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M],中国电力出版社，2005.11

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/00f2411d51e79b896902260d.html