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X Σ变大，根据公式:

P E =

δsin ∑

⨯X E U A

(1-1) A E :发电机电动势；

U:无穷大系统母线电压；

X Σ: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E A 与无穷大系统电压U 之间的功角； P E : 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，X Σ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P E 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P E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，P E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）

[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]

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X A为发电机暂态电抗Xd’。B点的X B为系统联系电抗，含系统电抗X S和变压器电抗X T（归算到发电机端电压）。

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

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> R S，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235MV A 为基准值，各元件参数为：

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

XT—主变电抗：0.1391×235MV A/240MV A=0.1362