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(jiǎn)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(jiǎn)要介紹了失步保護(hù)的調(diào)試方法和注意事項(xiàng)?！娟P(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(lái)，我國(guó)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(guò)測(cè)量阻抗的軌跡變化情況來(lái)檢測(cè)是否失步。

2、其主要指標(biāo)有三點(diǎn)，一是測(cè)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(guó)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(guó)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。 保護(hù)采用三阻

3、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(guò)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(guò)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(guò)四個(gè)區(qū)時(shí)位于電抗線以下，則認(rèn)為振蕩

4、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。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：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(duì)值（發(fā)電機(jī)額定值為基準(zhǔn)值）；主變壓器電抗相對(duì)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(duì)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)額定二次阻抗有名值（

5、）；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）；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(duì)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次（一般整定5次），動(dòng)作

6、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(guó)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。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(cè)量阻抗依次穿越R1右R1（R1R2）R2R2左這五個(gè)區(qū)域并滿足停留時(shí)間設(shè)置要求時(shí)，

7、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。ME311失步保護(hù)邏輯圖圖4.ELIN失步保護(hù)邏輯圖ME311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(guó)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(zhǎng)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)R1R1（全周）的滑行最長(zhǎng)時(shí)間，取2秒；T

8、3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(guò)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(guó)內(nèi)的三阻抗元件失步保護(hù)有些類似，由發(fā)電機(jī)、主變和系統(tǒng)阻抗形成一個(gè)綜合阻抗，并以此阻

9、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(zhǎng)短，來(lái)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(zhǎng)短來(lái)區(qū)分失步振蕩與穩(wěn)定振蕩。圖5.GE失步保護(hù)特性圖GE公司G60發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的整定、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°。.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)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

10、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(duì)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(shuō)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120°140°），取INNER LIMIT ANGLE=1.3.3.4、功率振蕩動(dòng)作時(shí)間計(jì)算公式

11、：、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 DELAY4=0.

12、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(duì)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ABB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SIEMENS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(cè)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(zhǎng)短，因此失步保護(hù)的調(diào)試主要目的是檢測(cè)失步保護(hù)是否能正確識(shí)別測(cè)

13、量阻抗的運(yùn)動(dòng)軌跡。首先要確定測(cè)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(guò)程，在保護(hù)裝置上加入電壓VA=57.7V0

14、76;，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,OSTinner參數(shù)位，當(dāng)降到特定值，即正序阻抗值恰好通過(guò)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

15、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(shuō)明來(lái)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(cè)量阻抗在運(yùn)行中遇到振蕩時(shí)，阻抗在振蕩過(guò)程中順序滑過(guò)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(cè)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(lái)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)設(shè)備運(yùn)行不太有利，但ME311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(guò)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(guó)內(nèi)