发电机失磁保护定值整定的讨论_对_省略_orProtection_的斟酌_王维俭

第29卷第3期2009年3月

电力自动化设备

Electric Pow er A utom ation Equipm ent

Vo l.29No.3

Mar.2009发电机失磁保护定值整定的讨论

———对2007年版《IEEE Guide for AC Generator Protection》的斟酌

王维俭1,桂　林1,王　雷2,王立群2,唐渝南2

(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084;

2.上海外高桥第三发电有限责任公司,上海200137)

摘要:对2007年版《IEEE Guide fo r AC Generator Pro tection》中失磁保护定值整定的几个问题提出不同意见。明确指出:发电机失磁故障必有滑差(s),其平均异步阻抗X d(j s)X d(s=0),失磁保护中的阻抗元件下端定值为-X d,已有足够余度,不应该是-(1.1～1.25)X d;在P-Q坐标与R-X坐标的转换公式中,U值应由“失磁保护动作滞后于低励限制线(UEL)”原则来确定,不应主观选择0.95U N。

关键词:发电机;失磁保护;定值整定;异步边界阻抗圆;静稳极限阻抗圆

中图分类号:TM74文献标识码:A文章编号:1006-6047(2009)03-0001-03

0　引言

2007年出版的《IEEE Guide for AC Generator Pro tection》修订版,阅后很有收获,值得国内同行参考和借鉴。本文结合我国实际情况,就发电机失磁保护的几个整定计算问题提出不同意见,与国内外同仁共商。

长期以来,汽轮发电机失磁保护阻抗元件的-X轴定值,存在-X d与-(1.1～1.25)X d之争(X d为纵轴同步电抗不饱和值)。失磁保护整定计算中P-Q坐标与R-X坐标的转换关系中涉及的电压大小大都主观取值,缺乏明确准则。本文就上述两问题提出意见,明确发电机失磁保护中上述问题的整定原则,以免造成整定计算工作的混乱。另外,为使失磁保护中阻抗元件定值整定原则的简单明晰,避免过于繁琐,也是本文的目的。

1　失磁保护阻抗元件的整定

1.1　阻抗元件整定的要求

a.灵敏检测发电机低励、失磁故障[1-2]。

b.确保阻抗元件在励磁系统低励限制线之后动作。

c.尽可能克服或减小非失磁故障状态下的误动[2]。

1.2　必要的技术准备———讨论前的共识

a.没有滑差(s=0,同步运行)的发电机低励失磁故障不在讨论之列。

b.低励失磁发电机的异步平均滑差s>

0.1%,汽轮发电机的s小于水轮发电机[3]。

c.s>0.1%时的发电机异步电抗X d(j s)接近X d″(X d′),且有X d(j s)X d(s=0)[2],其中j为虚数单位。

d.失磁保护阻抗元件(包括异步边界和静稳极收稿日期:2008-05-15限)的下端阻抗定值取为-X d[2],对检测低励、失磁故障已有很大余度,即灵敏度已很高,无需再乘系数1.1～1.25[1],后者既无必要,而且有害(增大非失磁故障情况下的误动率)。

1.3　失磁保护的异步边界阻抗圆

1.3.1　整定原则

以失磁故障发电机的机端异步阻抗X d(j s)为唯一整定原则,完全不涉及静稳极限。从机端三相看失磁发电机的X d(j s),由于s>0.1%,X d(j s)X d (s=0),X d(j s)※X d″(X d′),因此异步边界阻抗圆整定为-X d已充分包含s=0～0.1的所有机端异步阻抗,完全不必如线路阻抗保护那样再乘可靠系数K rel>1.0。取-1.10X d作为异步边界阻抗圆的定值将引发物理概念的混乱。

1.3.2　取-X d′/2作为异步边界阻抗圆的上端阻抗定值

这种整定已为大家接受,异步边界阻抗圆作为-X d′/2的偏移,不但允许一定量的无功进相运行,而且当两侧电势相等、发生系统振荡时,振荡阻抗轨迹不进入失磁保护异步边界阻抗圆,即使发电机直接接于无穷大系统(X s+X t=0),振荡阻抗轨迹也仅与异步边界阻抗圆相切。

1.4　失磁保护的静稳极限阻抗圆

1.4.1　整定原则

以低励发电机到达静稳极限(汽轮发电机功角δ=90°)为唯一整定原则。

1.4.2　失磁发电机的静稳极限阻抗圆

以汽轮发电机(X d=X q)为例说明之。可严格导出[2]:静稳极限阻抗圆(图1中圆1)交X轴于+(X s+X t)和-X d,X s为系统最小运行方式下的最大等值电抗,X t、X d各为变压器、发电机电抗。

在临界静稳极限时,发电机处于同步运行的边界,其等值电抗以同步电抗X d为限;从机端向外看,等值电抗为X s+X t,因为现在讨论失磁发电机的静

1

电力自动化设备第29

卷

图1汽轮发电机静稳极限阻抗圆

Fig.1Static and stable limit impedance

circle of tur bo-genera to r

稳极限问题,X s应取最小系统运行方式下的最大等值电抗,X t为变压器等值电抗。

失磁保护静稳极限阻抗圆(图1中圆1)包含了从机端看到的最大阻抗圆,从理论上和物理概念上明确了它的正确性。取-1.25X d为其定值混淆了失磁保护的静稳极限概念,毫无必要,由于大型汽轮发电机的X d大,再乘1.25使静稳极限阻抗圆被大大扩大(图1中圆2),它必将增加非失磁故障工况下的误动几率或者为防误动而增长延时。

完全不必顾虑图1的阻抗整定圆不能灵敏检测失磁故障,因为失磁故障状态下,X d(j s)X d(s=0)。

以上讨论的静稳极限阻抗圆是按理论上功角δ=90°的定值,在实际工作中要考虑一定的静稳储备(例如将理论上的静稳极限有功功率减小10%),这时反映静稳极限的曲线将不同于图1中圆1[4],但失磁保护中静稳极限阻抗圆仍宜采用圆1的定值,理由是这样整定的失磁保护虽略使动作延迟,但由于阻抗动作区变小,不易造成非失磁故障工况下的误动,而且为躲振荡误动的附加延时也缩短,整定计算中物理概念清晰,减少了整定工作中在-(1.10～1.25)X d区间取值的不确定性。

2　失磁保护整定计算中,P-Q坐标的低励限

制线转换到R-X坐标的变换问题

以1000M W(1111MV·A)、27kV汽轮发电机为例:

X d=2.614p.u.,　X d′=0.264p.u.

励磁调节器的低励限制线(UEL)为

P(M W):02505007501000

Q(Mvar):-380-380-350-300-120

失磁保护阻抗元件采用异步边界阻抗圆(图2)。注意:与文献[1]不同,由机端(原点O)所看到的阻抗圆下端坐标是-X d,该圆直径也不是X d。

为了保证失磁保护阻抗元件的动作滞后UEL,有必要将在P-Q平面上的UE L动作特性通过以下转换关系(一次值)转移到R-X平面:

X=U2×Q/S2

R=U2×P/S2

(1)式中　S2=P2+Q2;U、P、Q、S的单位分别为kV、MW、M var、MV·A

。

图2汽轮发电机异步边界阻抗圆

Fig.2A sy nchro no us limit impedance

circle o f turbo-ge nera tor

从已知(给定)UEL的P、Q值由式(1)即可方便得到R、X的值。问题是U如何取值?IEEE导则[1]建议取0.95×发电机额定电压,但没有严格的依据。实际上U的取值直接影响失磁保护阻抗元件与低励限制线动作先后的配合,即式(1)中U应以“UEL动作先于失磁保护”为准则来确定其大小。以上述1000M W汽轮发电机为例说明之。

发电机基准电抗X B:

X B=272/1111=0.656(Ψ)

X d=2.614×0.656=1.715(Ψ)

X d′=0.264×0.656=0.173(Ψ)

异步边界阻抗圆圆心:

X0=-(X d+0.5X d′)/2=-0.898(Ψ)

异步边界阻抗圆半径:

R0=(X d-0.5X d′)/2=0.812(Ψ)异步边界阻抗圆动作方程为

R2+(X-X0)2=R0

将R=U

2

P2+Q2

P,X=U

2

P2+Q2

Q代入上式得: P2+Q-

X0U2

X20-R20

2

=R0U

2

X20-R20

2

(2)

已知X0=-0.898Ψ,R0=0.812Ψ,若U= 0.85×27=22.95kV,则式(2)改写为

P2+(Q+3271.5)2=8464553(3) a.P=0,U=0.85×27kV

由式(3)解得:Q=-362M var。

对比低励限制线(UEL)P=0,Q=-380M var,可见失磁保护异步边界阻抗元件将超前UEL动作,不符合运行要求。

b.P=0,U=0.90×27kV

由式(2)解得:Q=-406Mvar<-380Mvar,因此保证了UEL比失磁保护先动作,符合运行要求。

c.P=250M W,U=0.90×27kV

解式(2)得:P=250M W,Q=-415.6M var< -380Mva r,UEL比失磁保护先动作。

d.P=500M W,U=0.9×27kV

由式(2)解得:P=500M W,Q=-523M var< -350Mva r,符合运行要求。

e.P=750M W,U=0.9×27kV

解得Q=-493.4M var<-300M var,符合运行要求。

2

第3期王维俭,等:发电机失磁保护定值整定的讨论

f.P=1000M W,U=0.9×27kV

解式(2)得:Q=-563M var<-120Mv ar,符合运行要求。

由上可知,从异步边界阻抗圆动作方程出发,以低励限制线(UEL)必须超前失磁保护动作为准则,合适地选取了转换关系式(1)中U的大小,避免了整定工作中的主观随意性。

如果失磁保护采用静稳极限阻抗圆,动作方程仍为式(2),但应注意到以下2点[5]:

a.由静稳极限阻抗圆反演的P-Q圆,X0U2÷(X20-R20)>0,圆外为动作区;

b.由异步边界阻抗圆反演的P-Q圆,X0U2÷(X20-R20)<0,圆内为动作区。

校核UEL与失磁保护谁先动作并由此选定式(1)中U的大小完全与上相似。若失磁保护中采用辅助判据“机端三相低电压”,其定值可如上取值。

3　结论

基于上文分析,在失磁保护定值整定中宜采用以下取值:

a.发电机失磁保护中异步边界阻抗圆下端定值应为-X d,不应取-1.10X d;

b.发电机失磁保护中静稳极限阻抗圆下端定值应为-X d,不应取-1.25X d;

c.转换关系式(1)中U的大小应以“失磁保护阻抗元件动作滞后低励限制线”为准则解得,若采用“机端三相低电压”辅助判据,其定值也可取此值;

d.满足“失磁保护阻抗元件动作滞后低励限制线(UEL)”条件时,不必再作计及进相运行定子端部发热的发电机容量曲线(GCC)校核。

参考文献:

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(责任编辑:李　玲)

作者简介:

王维俭(1930-),男,江苏武进人,教授,长期从事大机组保护教学和研究工作(E-mail:wangw j-qhdx@https://www.360docs.net/doc/b916051548.html,);

桂　林(1974-),男,安徽广德人,助理研究员,博士,研究方向为大机组保护及故障分析;

王　雷(1975-),男,上海人,工程师,从事电厂继电保护工作。

Discussion on setting calculation of generator loss-of-excitation protection:

thinking of IEEE Guide f or AC Generator Protection pu blished in2007

WANG Weijian1,G UI Lin1,WANG Lei2,WANG Liqun2,TANG Yunan2

(1.Tsinghua U niversity,Beijing100084,China;

2.Shang hai Waigaoqiao No.3Pow er Generatio n Co.，Ltd.，Shang hai200137,China)

A bstract:Opinions different from the setting calcula tion of loss-of-ex citation pro tection in IEEE Std C37. 102TM-2007IEE E Guide f or AC Generator Protection are proposed.It is clearly and definitely pointed out that:w hen loss-of-excitation occurs,there must be slip,the average asynchro nous impedance X d(j s)is much smaller than X d(s=0),w hile the low er setting of im pedance element is-X d,w hich is far enough, -(1.1～1.25)X d is no t necessary;in the co ordinates transform ation fo rmula between P-Q and R-X,the voltage U should be set acco rding as the principle o f“loss-of-excitation protectio n operate s later than U EL (Under Excitation Limite r)”,no t to select0.95U N subjectively.

Key words:generator;lo ss-of-excitation pro tection;setting calculatio n;asy nchronous limit impedance circle;steady-state stability limit impedance circle

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