发电机失步保护介绍

发电机失步保护介绍

1 概述

当发电机正常运行时，发电机与电力系统的电动势以同样的工频角频率旋转，之间的相位差维持不变，发电机处于同步稳定运行状态。如果受到某种干扰，发电机与系统之间的电动势以不同的角频率旋转，线路两侧电动势相位差不断变化，此时称作发电机失步。

发电机失步后，两侧电动势之间的夹角δ在0°到360°间不断变化。发电机机端电压与电流也呈周期性变化，因此需要对失步时的机端测量阻抗进行分析。

2 发电机失步时电气量变化分析

发电机失步时电压、电流变化

以发电机带无穷大系统为例，发电机电势为Eg ，系统侧电势为Es ，各回路等值阻抗如图1中所示。

s

s U E •

•=•

•

•

图1 发电机带无穷大系统

如图1中所示，发电机失步前，保护安装处为送电端，g E 超前S E ，假设两侧电动势

幅值相等，则δj g

s e E E -= ，夹角δ由线路传输的有功功率决定。 此时发电机机端电流为：

∑

-∑-=-=Z e E Z E E I j g

s

g )1(δ （1）

发电机机端电压为：

g g Z I E U -= （2）

绘制出发电机带无穷大系统时对应的相量图，如图2所示。事实上，将式（1）带入式（2），则有

∑

--=Z Z E E E U g s

g g )( 可以看出，如果系统中各元件的阻抗角都相同的话，系统中各点的电压相量的端点都落

在图2中)(s g E E -的相量上。由（1）式知，当δ=180°时，∑

=Z E I g 2，此时线路中电

流最大，电流在阻抗g Z 上产生的压降最大，此时发电机机端电压最低。

发电机失步时，系统中电压最低的一点C ，称作振荡中心。可在图2中作垂直于

)(s g E E -的相量c U ，此点电压最低，即为振荡中心。

s

图2 发电机带无穷大系统的相量图

发电机失步时的机端测量阻抗

当发电机失步时，保护安装处的电压与电流幅值与相位都将随着两侧电动势夹角δ的变化而变化。因此，反映电压和电流比值的阻抗继电器的测量阻抗幅值和相位也将随

δ而变化。如果两侧电动势幅值相等，即E E E s

g == ，发电机出口处测量阻抗为： g j g j g g g g g g g Z e Z Z Z e E E Z I E I Z I E I U Z --=--=-=-==-∑

∑

-δ

δ1)1(

根据三角函数关系2

121δ

δjctg

e j -=

--，有

2

21)21(2

21δδ

ctg Z j Z Z Z Z jctg

Z g g ∑

∑∑--=--=

（3）

随着两侧电动势夹角δ的变化，继电器测量阻抗相量端点的变化轨迹画在阻抗复平面上如图3中所示，而测量阻抗相量的起点为保护安装——坐标原点O 。图中，GS 为两侧电动势间的总阻抗∑Z ，GO 为发电机阻抗g Z ，OS 为发电机与系统间等值阻抗s Z 。当

s g E E =时，振荡中心C 点位于系统电气的中点，因此C 点位于GS 连线的中点处。图中mn 即为式（3）所描述的轨迹

图3 机端测量阻抗相量端点变化轨迹

分析图3中相量GP 与SP,可知有

g

g E Z I Z I GP I =•+•=• s

S E Z I Z I SP I =•-•=• 因此，SP^GP 之间的夹角即为发电机与系统电动势夹角δ，当δ自0°变化至360°时，

发电机机端测量阻抗端点P 由n 沿直线mn 移动至m 。另外，SP GP E E s g //= ，当g E 与s E 幅值不相等时，测量阻抗端点P 会离开GS 中垂线，但仍会满足SP GP E E s

g //= 。取复

δ的点，我们会得到一个透镜曲线，如图4所示。平面内所有使SP^GP夹角为某一定值

set

R

图4 机端测量阻抗透镜特性

当发电机失步时，机端测量阻抗由n沿直线穿越透镜至C点，此时δ=180°，测量阻抗最小，振荡电流最大；穿过C点至m，δ达到360°完成一次滑差周期。

3 南瑞继保RCS-985系列发变组失步保护判据

RCS-985系列发变组失步保护采用如图6所示动作特性。该特性由三部分组成，第一部分是透镜特性，图中①，它把阻抗平面分为透镜内的部分I与透镜外的部分O。第二部分是遮挡器特性，图中②，它把阻抗平面分成左半部分L与右半部分R。

这两种透镜特性的结合，把阻抗平面分成4个区OR、IR、IL、OL，阻抗轨迹顺序穿过四个区，并在每个区停留时间大于某一时限，则保护判为发电机失步振荡。每顺序穿过一次，保护滑极次数加1，达到整定次数，保护动作。

第三部分为电抗线特性，图中③，它把动作区一分为二，电抗线以上为I段（U），电抗线一下为II段（D）。阻抗阻抗轨迹顺序穿过四个区时，位于电抗线以下，则认为振荡中心位于发变组内，位于电抗线以上，则认为振荡中心位于发变组外，两种情况下滑极次数可分别整定。

保护可动作于报警信号，也可以动作于跳闸。

失步保护可以识别的最小振荡周期是120ms。

图5 南瑞发变组失步保护动作特性

4 RCS-985系列发变组失步保护出口逻辑

如图7所示，为RCS-985系列发变组保护出口逻辑框图。失步保护动作后，经不同的延时，可分别动作于告警和跳闸。

图6 RCS-985系列发变组保护出口逻辑框图

参考文献

[1] 天津大学贺家李、宋从矩.电力系统继电保护原理第三版.北京：中国电力出版社，.

[2] 国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材.北京：中国电力出版社，