大型发电机组失步保护定值的整定计算分析

过 4 个区，每顺序穿过 1 次，保护的滑极计数增加
1，到达整定次数时保护动作。 保护识别的最小振荡
周期为 120 ms。 电抗动作元件
2
ZA = 姨XS +XT
姨Ugn na Sgnnv
，
2
ZB =-X＇d
Ugn na Sgnnv
，
2
ZC =0.9XT
Ugn na Sgnnv
，
式中
XS—系统阻抗； XT—主变阻抗； Ugn—发电机额定电压； na—发电机侧 TA 变比；
某发电厂 300 MW 机组，机组参数见表 3，采用 南自厂生产的 DGT801 保护装置， 为双遮挡器失步
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内蒙古电力技术
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减速失步
4区 3区
jX XB
2区 X
1区 0区
δ4 δ3
δ2
δ1
加速失步
R4 R3
0 R2
R1
R
0区 1区
XA 2区
3区 4区
图 2 双遮挡器原理失步保护动作特性曲线
机组的安全稳定运行。
[关键词] 大型发电机组；失步保护；整定计算
[中图分类号] TM772
[文献标识码] B
[文章编号] 1008－6218（2009）01－0023－03
随着发电机组容量不断增大， 系统网架逐级扩 大，大型发电机组的安全稳定运行尤为重要。在电力 系统中，发电机通常与升压变压器组成单元式接线， 在系统发生振荡时， 振荡中心常常落在发电机机端 或升压变压器的范围内， 使得振荡过程对机组的影 响加重。在振荡过程中，当发电机电势和系统电势的 夹角为 180°时，振荡电流的幅值将接近机端三相短 路时流过发电机的电流， 振荡电流所产生的电动力 将使发电机定子绕组端部遭受机械损伤， 在短路伴 随系统振荡的情况下， 还会加剧汽轮发电机轴系的 扭转振荡，引起大轴的机械损伤，甚至造成断裂。 因 此，大型发电机组需装设专门的失步保护装置。
次基准阻抗。 XA=-X＇d Zgn，其中 X＇d 为发电机暂态电
抗。XB=（XT+XS）Zgn，其中 XS 为系统阻抗。 电阻边界值
R1
=
1 2
!XA
+XB
"cot δ1 2
，R2 =
1 2
R1 ，R3 =-R2 ，R4 =-R1 。
角度
δ2=2arccot
（XA
R2 +XB
）/2
。 各区停留时间 T1 =0.5TUS
表 1 300 MW 机组参数
项目
数值
发电机功率因数
0.85
定 子 额 定 电 压 /kV
20
发 电 机 定 子 额 定 电 流 /A
10 189
发电机暂态电抗 Xd′（非饱和值）
0.256 8
发电机出口 TA 变比
15 000/5
发电机出口 TV 变比 主 变 额 定 容 量 /kVA
20/0.1/0.1/ 姨 3 370 000
XB=0.227×{202×3 000/[（300/0.85）×200]}=3.858 Ω， X=0.9×0.133 6×{202×3 000/[（300/0.85）×200]}
=2.04 Ω。
R1=1/2×（5.64+3.858）cot60°=2.74 Ω， R2=1/2×2.74=1.37 Ω， R3=1.37 Ω， R4=2.74 Ω。
保护整定定值数据见表 4。
表 4 保护整定定值
定值名称
整定值
定值名称
整定值
电 抗 值 X/Ω
2.04
滑极次数 N/次
1
R1
2.74
T1
0.05
各区边界
R2
1.37 各区停留
T2
0.10
电 阻 值 /Ω
R3
1.37
时 间 /s
T3
0.05
R4
2.74
T4
0.05
3 需注意的问题
（1） 进行失步保护整定计算时，需要把各种阻 抗值折算至统一基准容量下进行整定。
δ2-δ1 360°
，T2=0.5×2TUS
180°-δ2 360°
，T3=T1，T4 在 0
与
T3 之间
选取；TUS 为系统振荡时最小的振荡周期 （具体值由
调度所给出，一般为 0.5 s）。 滑极次数根据发电机实
际能够承受的失步滑极次数整定，一般为 1—2 次。
表 3 300 MW 机组参数
项目
数值
Sgn—发电机基准容量；
nv—发电机侧 TV 变比；
X＇d —发电机暂态电抗。
灵敏角 准 建议取为 80°～85°， 透镜内角建议整
定 δ=120°。 振荡中心在区外时，失步保护动作于信
号；振荡中心在区内时，滑极一般整定 1—2 次。装置
自动选择在电流变小时动作跳闸， 跳闸允许电流定
值为辅助判据，根据断路器允许遮断容量选择。
δ2=2arccot1.37/[1/2 ×(5.64 +3.858)] =2 ×74° =148° ， 取值 150°。
T1=0.5×0.5×(150°-120°)/360°=0.25/12=0.021 s， 取值 0.05 s；
T2=0.5×2×0.5×（180°-150°）/360°=0.5/12=0.042 s， 取值 0.1 s；T3=0.05 s；T4=0.05 s。
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2009 年第 27 卷第 1 期
INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER
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大型发电机组失步保护定值的整定计算分析
Analysis to Setting Calculation on Out of Step Protection Setting Value for Large Generating Units
1 三阻抗元件失步保护
1.1 保护原理 依据发电机失步时的阻抗轨迹变化情况， 保护
采用 3 个阻抗元件进行失步判断， 保护动作判据特 性如图 1。
保护由 1 个透镜阻抗元件①和 2 根直线型阻抗 元件②、③构成。透镜特性阻抗元件①把阻抗平面分 为透镜内动作区 I 和透镜外不动作区 A。 透镜内角
jX
变压器额定电流倍数整定 5×[370 000/（ 姨 3 ×242）] =18.4 A，取值 20 A。
保护整定定值数据见表 2。
表 2 保护整定定值
定值名称
整定值
定值名称
整定值
阻抗定值 ZA/Ω
3.03
透 镜 内 角 / （° ）
120
阻抗定值 ZB/Ω
-4.36
区外滑极次数/次
2
阻抗定值 ZC/Ω
准，XT=0.14×（300/0.85）/370=0.133 6；将系统阻抗(小 方式)折算至以发电机额定容量为基准，XS=0.056 2× （300/0.85）/100=0.198 38。
XA=(0.198 38+0.133 6){202×3 000/[（300/0.85）×200]} =5.64 Ω，
保护。保护中当机端测量阻抗依次穿过 5 个区后，记
录 1 次滑极； 而当测量阻抗轨迹穿越几个区之后以
相反的方向返回，则不计滑极。当振荡中心落在线路
上时， 由于机端测量阻抗轨迹在电抗线 X 之上，保
护装置不计滑极数。 为给断路器创造 1 个良好的断
开条件，保护中设定 δ1=120°，δ4=240°。电抗动作元件 X=KrelXTZgn， 其中 XT 为主变阻抗值，Zgn 为发电机 二
发电机功率因数 cosφ
0.85
发 电 机 定 子 额 定 电 压 /kV
20
发 电 机 定 子 额 定 电 流 /A
10 189
发电机暂态电抗 Xd′（非饱和值）
0.227
发电机出口 TA 变比
15 000/5
பைடு நூலகம்
发电机出口 TV 变比
20//0.1//0.1/3
主 变 额 定 容 量 /kVA
370 000
2.04
区内滑极次数/次
1
灵 敏 角 / （° ）
85
跳 闸 允 许 电 流 /A
20
报 警 透 镜 内 角 / （° ）
90
2 双遮挡器原理失步保护
2.1 保护原理 双遮挡器原理失步保护动作判据特性如图 2。
图中阻抗 最 高 点 XB、 最 低 点 XA 和 4 组 电 阻 线 R1、 R2、R3、R4 将阻抗平面分为 0—4 共 5 个区。机组加速 失步时， 测量阻抗轨迹从+R 向-R 方向变化，0—4 区依次从右到左排列；机组减速失步时，0～4 区从左 到右排列。 测量阻抗从右到左穿过 R4 时判断为加 速，从左到右穿过 R1 时判断为减速。 当测量阻抗穿 过 1 区进入 2 区，并在 1 区、2 区停留时间分别大于 T1、T2 时，发加速（或减速）失 步 信 号 ，如 果 测 量 阻 抗 继续穿过 3 区和 4 区，且在 3 区、4 区停留时间分别 大于 T3、T4，则进行滑极计数。 当滑极次数累计到整 定值时，失步保护动作出口。 当测量阻抗从电抗线 X 的上方穿过，则振荡中心在发变组之外，判定为系统 振荡；当测量阻抗从电抗线 X 的下方穿过，则振荡 中心在发变组之内， 当停留时间大于整定值并进入 下一区时，滑极次数加 1。 当任一区的停留时间小于 整定值而进入下一区时，则判定为短路。 2.2 保护整定计算
Ⅱ区
ZA
Ⅰ区
ZC ③
O 准A
A
δ Ⅰ
②
R
①
ZB LR
图 1 三阻抗元件失步保护动作特性曲线
为 δ，坐标原点 O 代表失步保护安装处，即机端。 如 果发电机机端测量阻抗 Z 进入透镜圆内，则表明发 电机电动势和系统电动势间的功角 δ 已大于动稳极 限角 δset。 直线②为遮挡器直线阻抗元件，将阻抗平 面分为 L 和 R 两部分， 其方向与透镜主轴相同，用 以判断发电机与系统是否失步。 如果发电机机端测 量阻抗 Z 落在此 直 线 上 ，则 δ=180°；若 出 现 不 稳 定 振荡， 机端测量阻抗 Z 越过该直线，δ＞180°，判断发 电机已失步。当系统振荡时，机端测量阻抗顺序穿过 4 个区（AR/IR/IL/AL），并在每区停留时间大于一定 时限时，保护判断系统失步。直线③为电抗直线阻抗