电力系统失步保护原理及整定计算方法

电力系统失步保护原理及整定方法

概述

随着电力系统容量不断增加，大型发电厂高压母线的系统阻抗较小，一旦发生系统非稳定性振荡，其振荡中心很容易进入失步发电机变压器组内部，这将严重威胁失步的发电机和系统的安全运行，所以自20世纪90年代以来，我国大型发电机组均加装发电机失步保护，并有多种不同类型判据的失步保护。

1.失步保护的基本原理

失步保护的基本原理主要是通过测量阻抗的轨迹变化情况来检测是否失步。其主要指标有三点，一是测量阻抗轨迹为自左向右或自右向左依次穿越整定阻抗区域，穿越一次则记录为滑极次数加一；二是每穿越一个区域都大于一定延时，以区别于故障以及区分失步振荡和稳定振荡；三是滑极次数达到一定值时，则动作出口。失步保护要求在短路故障、系统振荡、电压回路断线等情况下，保护不误动作。

国内失步保护主要采用三阻抗元件失步保护动作特性或双遮挡器失步保护动作特性。这里仅介绍南瑞RCS985保护的三阻抗元件失步保护动作特性。

1.1国产南瑞RCS985发变组保护：

失步保护反应发电机失步振荡引起的异步运行，失步保护阻抗元件计算采用发电机正序电压、正序电流，阻抗轨迹在各种故障下均能正确反映。

1.1.1保护采用三阻抗元件失步继电器动作特性, 如下图。

图1.南瑞三阻抗元件失步保护特性图

第一部分是透镜特性，图中①，它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透镜外的部分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和右半部

分R 。

两种特性的结合，把阻抗平面分成四个区OL 、IL 、IR 、OR ，阻抗轨迹顺序穿过四个区（OL →IL →IR →OR 或OR →IR →IL →OL ），并在每个区停留时间大于一时限，则保护判为发电机失步振荡。每顺序穿过一次，保护的滑极计数加1，到达整定次数，保护动作。

第三部分特性是电抗线，图中③，它把动作区一分为二，电抗线以上为I 段（U ），电抗线以下为II 段（D ）。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, 也可动作于跳闸。

失步保护可以识别的最小振荡周期为120ms 。

1.1.2失步保护逻辑框图如下：

图2.南瑞失步保护逻辑图

1.1.3其整定计算为：

1.1.3.1三阻抗元件Z1、Z2和Z3的整定计算。

第Ⅰ象限最远点整定阻抗()S j n g S T set a e Z X X Z φ..+=

第Ⅲ象限最远点整定阻抗()S S j n g d j n g d set b e Z X e Z X Z φφ.180..''-==+︒

遮挡器直线阻抗元件Zab 阻抗线和R 轴的夹角S φϕ=

n g n g TV N G TA N G n g I U n S n U Z ...2..3== 式中：

d X '――发电机暂态电抗相对值（发电机额定值为基准值）；

T X ――主变压器电抗相对值（发电机额定值为基准值）；

S X ――最小方式时系统电抗相对值（发电机额定值为基准值）；

S φ――系统阻抗角（一般为80－85°），取90°；

n g Z .――发电机额定二次阻抗有名值（Ω）；

N G U .――发电机额定电压（kV ）；

N G S .――发电机额定视在功率（MV A ）；

TA n ――发电机电流互感器变比；

VA n ――发电机电压互感器变比；

n g U .――发电机额定二次电压（V ）；

n g I .――发电机额定二次电流（A ）；

1.1.3.2电抗线Zc 的动作阻抗整定值Zc.set 计算。一般取

T set c X Z 9.0.=

1.1.3.3透镜内角δset 整定计算。

透镜内角δset 越小，透镜越大，保护计时越准确，但必须保护发电机组正常运行时的最小负荷阻抗ZL.min 位于透镜之外，以保证保护动作选择性要求。 为此选择透镜宽度min .3

.11L r R Z ≤，透镜内角整定值δset 为 d

T S L set b set a r set X X X R arctg Z Z Z arctg

'54.1218022180min ...++-︒=--︒=δ n L R ϕcos min .= 式中：

m in .L R ――最小负荷阻抗相对值；

n ϕcos ――发电机额定功率因数。

1.1.3.4跳闸允许电流的整定计算。

n g al off ～I ..I )54(=

1.1.3.5滑极次数整定计算。

振荡中心在区外时，滑极次数可整定2～15次（一般整定5次），动作于信号。

振荡中心在区内时，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2～3次），我国在整定中一般取1～2。

1.2奥地利ELIN的ME311失步保护

ME311失步保护所取为一个偏移阻抗圆，并在以Z S、X T和X’d合成的综合阻抗上以δ内角取得一组平行于综合阻抗的遮挡器。

1.2.1奥地利ELIN的ME311失步保护原理图

图3.ELIN失步保护特性图

ME311失步保护取以X轴（2X T－3X’d）为直径的一个偏移阻抗圆，并根据－X’d和XT＋ZS所形成的综合阻抗，取内角为δ的两条平行于综合阻抗的直线为一组遮挡器，从而取得三个阻抗区域。

当测量阻抗依次穿越R1右→R1→（R1－R2）→R2→R2左这五个区域并满足停留时间设置要求时，被认为是一次有效的滑极次数计数。计数达到整定值，保护动作出口于信号或跳闸。

1.2.2ME311失步保护逻辑图