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1、浅谈大型发电机失步保护龚剑超 陈灵峰（浙江华电乌溪江电厂 浙江衢州324000）【摘要】 简述了几种发电机失步保护的基本原理和工程实现，介绍了典型 的整定计算方法，并简要介绍了失步保护的调试方法和注意事项。【关键词】 发电机保护 失步保护 整定 调试0.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
2、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
3、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，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，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-ILIR-OR或OR-IRIL-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，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
4、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Z t=(XT + X Z m第III象限最远点整定阻抗Zb七=X Zej血眺)=-X d Z e成遮挡器直线阻抗元件Zab阻抗线和R轴的夹角甲=8SZ = G. NnA =七gn 皿如g.n 式中：Xd 发
5、电机暂态电抗相对值(发电机额定值为基准值);x一一主变压器电抗相对值（发电机额定值为基准值）；X,最小方式时系统电抗相对值（发电机额定值为基准值）;4$系统阻抗角（一般为8085）,取90；Z发电机额定二次阻抗有名值（。）；UGN 发电机额定电压（kV）；S g n发电机额定视在功率（MVA）；nA 发电机电流互感器变比；nA 发电机电压互感器变比；U 发电机额定二次电压（V）；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0.9 X,1.1.3.3透镜内角0 set整定计算。透镜内角0 set越小，透镜越大，保护计时越准确，但必须保护发电机组
6、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。1为此选择透镜宽度Z 13R，透镜内角整定值0 set为c1.54 R2arctgL.minX S + XT + X d2 Z6, = 180 - 2arctg 三Z= 18。 一a.setb.setR = cos 中L . minn式中：R 最小负荷阻抗相对值;cos中发电机额定功率因数。n1.1.3.4跳闸允许电流的整定计算。Iof .广（厂 5）I g.n1.1.3.5滑极次数整定计算。振荡中心在区外时，滑极次数可整定215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
7、滑极次数整定 （一般为23次），我国在整定中一般取12。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ZS、XT和Xd合成的综合 阻抗上以0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（2XT3Xd）为直径的一个偏移阻抗圆，并根据 一Xd和XT+ZS所形成的综合阻抗，取内角为。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右一R1 （R1R2） R2R2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
8、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NOTEBOOK DISPLAYBLOCKINGACTUAL NUMBER OF SLIP ABS IMPEDANCE VECTOR ANGLE IMPEDANCE VECTOR TIME STARTPOS.PHASE SEQU.CURRENT POS.PHASE SEQU.VOLTAGE NEG.PHASE SEQU.CURRENTPOS PHASE SEQU.VOIT.POS PHASESEQU CURRN EG. PHASESEQU CURR78MHO ALARMI BIN. I/O1I PRESET78M
9、HO TRIPIBIN. I/OpresetiTRIP-MATRIX图4.ELIN失步保护逻辑图1.2.3ME311失步保护的整定U2 nGNTASG. NnTVZ = Z X F经折算后，综合二次阻抗值为Z = K.sec + 乂遍 + d.sec1.2.3.2遮挡器R1及R2的整定考虑到综合阻抗的阻抗角一般接近于90，因此采用以下近似算法|Z180。-8、X tan()R =d+ 21 tan(arg(Z)sin(arg( Z)R1 - R2180。-82sin(arg( Z)1.2.3.3偏移阻抗圆的整定圆心X =cent直径 Xd = 3 - X d +2 - Xt1.2.3.4滑极次
10、数的整定同国内，取2。1.2.3.5时间整定t1R1R2间滑行最短时间，取0.1秒；T1-R1-R1 （全周）的滑行最长时间，取3秒；七2第二次滑极时R1-R2间滑行最短时间，取0.1秒；丁2第二次滑极时R1-R1 （全周）的滑行最长时间，取2秒；T3-锁定时间，即最大启动时间，取5秒；1.2.3.6其它整定最大负序允许值：10%电流联锁：I=1.2IN一种情况是，电流联锁应使保护在电流过高时动作，另一种情况是电流联锁 应使保护在任何滑行轨迹上动作，在此时应置0A。跳闸延时：delayed保护在阻抗圆内不出口，待振荡轨迹滑出圆时出口。方向：direction1/direction2，指加速或减
11、速失步。矢量方向：Left/Right，指在发电机方向或电动机方向。1.3GE公司G60发电机保护1.3.1这里仅介绍GE公司的G60发电机失步保护的圆形特性，该保护特性 和国内的三阻抗元件失步保护有些类似，由发电机、主变和系统阻抗形成一个综 合阻抗，并以此阻抗按不同的阻抗圆限制角在两边形成外环、中环、内环三组圆 弧，本保护以正序阻抗轨迹穿越外圆和中圆的时间段的长短，来区分系统短路与 振荡，以阻抗轨迹穿越外圆和中圆的时间段和穿越中圆和外圆的时间段的长短来 区分失步振荡与稳定振荡。图5.GE失步保护特性图1.3.2 GE公司G60发电机失步保护的整定1.3.2.1、功率振荡正向阻抗及阻抗角该定值
12、适用于全部三个阻抗特性，正向阻抗应大于变压器和系统的正序阻抗 之和。FWD REACH=成丁 + *）少PT式中：x-系统最大运行方式下的最小系统阻抗。阻抗角选为75。1.3.2.2、功率振荡反向阻抗及阻抗角该定值适用于全部三个阻抗特性，反向阻抗应大于发电机的正序阻抗。发电机二次基准阻抗 Z,5= UB(SEx气B ESB(SE C REV REACH= X - W d nPT阻抗角选为75。1.3.3.3、阻抗圆限制角设P为最大负荷点，贝uU 2 nOP = N X fSN n外圆限制角(OUTER LIMIT ANGLE )：在最大负荷条件下对应的限制角， 外圆限制角应留有20的安全裕量。
13、OUTER LIMIT ANGLE=130中圆限制角(MIDDLE LIMIT ANGLE):按照说明书推荐值，应接近外圆限 制角和内圆限制角的平均值。MIDDLE LIMIT ANGLE= (130。+ 50。)2 = 90。内圆限制角(INNER LIMIT ANGLE):动稳极限角(由系统调度部门给出， 一般为120140)，取INNER LIMIT ANGLE= 180。 130。= 50。1.3.3.4、功率振荡动作时间计算公式：t = L & 2 51)p 36051、5 2代表外圆、中圆、内圆的限制角。Tmin为系统最小振荡周期，由调度部门给出，取0.4S。动作延时1应小于在最快
14、的功率振荡时，阻抗轨迹在外圆和中圆之间所 需的时间。t =坚 x(130 90)= 0.044S，取 PICKUP DELAY1=0.04Sp 360动作延时2应小于在最快的功率振荡时，阻抗轨迹在中圆和内圆之间所 需的时间。t =也x(90 50)= 0.044S，取 PICKUP DELAY2=0.04Sp 360动作延时3失步保护在跳闸前，阻抗轨迹需在内圆之间花费时间。它为 失步保护发出跳闸命令提供了额外的安全度。取 PICKUP DELAY&0.04S动作延时4用于延时跳闸方式。失步保护在跳闸前，阻抗轨迹在内圆以 外、外圆以内所花费时间，需考虑可能的最快功率振荡。t = 0.4 x(13
15、0 50)= 0.089S，取 PICKUP DELAY40.06Sp 360复位时间一一阻抗轨迹离开外圆后，振荡闭锁的复归时间。取出厂设置值RESET DELAY 1=0.05S自保持时间对短时跳闸信号的扩展。取出厂设置值SEAL-IN DELAY1=0.4S1.4其它失步保护原理图1.4.1ABB失步保护特性曲线见图6，与南瑞RCS985保护比较相似。图6.ABB失步保护特性图1.4.2SIEMENS公司7UM516失步保护，采用多边形特性，特性曲线见图7, 相当于透镜形状的失步保护的一个变形。图7. SIEMENS失步保护特性图2失步保护的调试由于失步保护基本原理就是判断测量阻抗在阻抗平
16、面不同位置，以及在特定 区域停留的时间长短，因此失步保护的调试主要目的是检测失步保护是否能正确 识别测量阻抗的运动轨迹。首先要确定测量阻抗在不同位置时，保护是否能准确判断。以下仅以G60保护为例：可实际模拟某个特定的边界点，当阻抗在边界点附近滑动时，保护应当可以 准确判断出阻抗是否进入保护阻抗圆区域，可经计算得到失步阻抗圆上的特定点 的极坐标值，从而取得阻抗模值和矢量方向，GE保护也可在调试软件 ENERVISTA UR的振荡元件定值处点选查看并在自动生成的定值阻抗圆上以 鼠标停留显示出该点阻抗值，并经计算得到阻抗模值和矢量方向，以调试装置加 三相正序电压和电流模拟该点阻抗，即ZZa = 空，
17、结果可以在阻抗平面上观IZ0察。然后要观察失步保护的保护逻辑动作是否正常。模拟失步的过程，在保护装置上加入电压 VA=57.7VZ0，VB=57.7VZ 240，VC=57.7V/120，电流 IA=2AZ0，IB=2AZ240，IC=2AZ120 ， 即在保护装置内模拟出一个28.85ohmZ0的正序阻抗，然后逐步降低A，B，C 三相电压，采用 GE 调试软件 ENERVISTA UR 的 Product setupFlex states 监 视OST outer, OST inner参数位，当降到特定值，即正序阻抗值恰好通过定值圆 环时，可以看到阻抗由OUTER到INNER的变化。（将OS
18、T的动作模式设置为 EARLY即阻抗从圆外进入圆内满足时间要求就动作出口，不必等阻抗滑出圆 外。）阻抗进入内圆后保护动作出口。不同的失步保护因逻辑不同，可以采用不同的调试方法。具体可以根据保护 逻辑说明来设计。3多种失步保护的比较综合前文所提到的多种失步保护，可知现在微机失步保护的基本原理就是根 据发电机测量阻抗在运行中遇到振荡时，阻抗在振荡过程中顺序滑过由发电机阻 抗、主变阻抗和系统阻抗构成的综合阻抗所生成的特定阻抗区域，并在各区域停 留相应时间这一特点，监测发电机阻抗变化轨迹从而判断发电机是否失步。从阻抗区域来看，上述三种失步保护各有特色。南瑞的三阻抗元件失步保护计算相对简单，并有区内振荡
19、与区外振荡的区分 电抗线，可以分别整定，有利于设备的优化运行。ELIN的ME311失步保护在判断失步时只选择加速或减速失步，对设备运行 不太有利，但ME311可以根据矢量旋转方向整定分别保护发电机和电动机，符 合抽水蓄能机组的特点，因此桐柏抽水蓄能电站采用了该保护。GE的G60发电机保护的振荡元件在阻抗圆的设置上包含了外、中、内三组 圆弧，振荡过程判断十分细致，但没有设置区内区外判断电抗线，这也是国内外 对保护设计的不同理念所造成的。4结语失步保护作为大型发电机的一个重要保护，对发电机稳定运行具有重要意 义。在电力系统迅速发展的今天，在振荡过程中保护的正确动作与电力系统的稳 定息息相关，因此切实理解失步保护原理，做好调试工作，对保障电网稳定运行 同样具有重要意义。
