2022年阻抗原理发电机失磁保护的改进 .pdf

阻抗原理发电机失磁保护的改进季学军,刘宏博,姜玉磊,王祖光(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003 )摘要 : 介绍了发电机失磁保护的现状以及常用的阻抗原理失磁保护方案。在分析现有方案存在的弊端后 ,对提高阻抗原理失磁保护性能的可行性进行了分析和探讨。详细介绍了阻抗原理失磁保护的改进方案,对其中的阻抗圆特性、 低励磁电流元件和加速元件进行了重点阐述。最后简要介绍了实际微机保护装置的动模试验情况。关键词 : 发电机 ; 失磁保护 ; 阻抗原理 ; 动模试验中图分类号: TM772收稿日期: 2008205204 ;修回日期: 2008206227。江苏省科技攻关项目(B E2004018 )。0引言励磁系统是同步发电机的重要组成部分,包含与发电机转子回路电压建立、 调整及控制有关的所有元件和设备。由于励磁系统构成较为复杂,导致低励或失磁成为同步发电机较常见的故障形式。低励是指发电机的励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流 ,区别于正常欠励运行和完全失磁;失磁是指发电机完全失去励磁。低励或失磁后,发电机将过渡到异步运行,其电气参数将发生变化并伴有一定程度的摆动,结果将会破坏电力系统的稳定运行,并威胁发电机本身的安全 1。低励或失磁是发电机的常见故障,国内常用的发电机失磁保护主要分为阻抗原理和逆无功原理2 种 ,前者应用更为普遍。本文介绍了阻抗原理发电机失磁保护的现状,对其中存在的问题进行分析,并给出了阻抗原理失磁保护的改进方案。1阻抗原理发电机失磁保护的现状在阻抗复平面上,发电机失磁前,机端测量阻抗的轨迹位于第一象限(迟相运行 ) 或第四象限(进相运行) 的稳定工作点。发电机失磁后,机端测量阻抗的轨迹将沿着等有功阻抗圆过渡到异步边界阻抗圆内部 。基于上述特征,常用的阻抗原理发电机失磁保护将机端测量阻抗是否进入预先整定的阻抗圆作为发电机是否低励或失磁的主要判据。根据整定阻抗的不同 ,又分为静稳边界阻抗圆和异步边界阻抗圆。如图 1 所示 ,圆 为静稳边界阻抗圆,圆 为异步边界阻抗圆,Xd为发电机同步电抗,Xd 为发电机暂态电抗 ,Xs为系统电抗 。通常还要用2 条过原点的切线将静稳边界阻抗圆切去一部分,以满足发电机进相运行的需要。上述失磁保护仅采用定子侧阻抗圆判据 ,并不能防止系统振荡、 内部经过渡电阻短路等非故障条件下的误动作,为此增加了转子侧的辅助判据 ,如转子低电压、 变励磁电压等闭锁措施。当上述主辅判据均满足条件,结合当时的有功出力、系统电压等参数,失磁保护分别动作于告警、 减出力 、 切换备用励磁或跳闸 223 。图1静稳边界阻抗圆和异步边界阻抗圆Fig. 1Impedance circlewith static2stabilitymargin andimpedance circle with asynchronousmargin2 现有保护方案的不足现有阻抗原理发电机失磁保护方案的缺点在于 :一方面 ,定子侧阻抗圆整定偏大;另一方面 ,转子侧判据的构成和整定计算过于复杂,导致现有保护的可靠性不高。2. 1 异步边界阻抗圆判据如图 1 所示 ,现有的异步边界阻抗圆和静稳边界阻抗圆在- jXd处相切 。在系统振荡时机端阻抗轨迹可能进入阻抗圆内部而导致保护误动,因此 ,2 个阻抗圆判据不得不加大保护延时并增加闭锁措47第32卷 第18期2008年9月25日Vol. 32No. 18Sept. 25 , 2008名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 施 ,影响了失磁保护的快速动作。设想如果可以通过缩小现有异步边界阻抗圆来躲过系统振荡,则一方面保护判据可以简化,另一方面保护延时可大为缩短 。分析可知,现有 2 种阻抗圆下部靠近- jXd处的区域是无滑差或极低滑差的区域,只有在发电机空载运行时失磁或缓慢降低励磁时机端阻抗轨迹才可能到达,对此失磁保护无需快速动作,可以留给失磁保护的长延时段处理。因此 ,异步边界阻抗圆可以不包括上述无滑差或极低滑差的区域,其面积被缩小 ,从而可以躲过系统振荡的影响成为失磁保护的快速段 。2. 2 静稳边界阻抗圆判据图 1 所示静稳边界阻抗圆jX轴左侧的半圆属于发电机功角大于180 的区域 ,属于系统向发电机反送有功的情况。发电机失磁时不可能由功角等于270 的圆弧左侧进入静稳边界阻抗圆内部,因此 ,左半圆可以切去无用或可能误动的部分,仅保留靠近jX轴的一小部分。保留左半圆靠近jX轴的较小区域 ,其原因是发电机非完全失磁或调相运行时失磁,机端阻抗轨迹可能进入该区域。2. 3 转子电压辅助判据由于发电机失励磁后,转子电压迅速降低甚至立即反向 ,因此 ,现有阻抗原理失磁保护普遍采用转子电压作为辅助判据。但是要用与输出功率有关的变励磁电压准确判断静稳极限非常困难,因为静稳极限决定于发电机的有功功率和同步电势,同步电势主要决定于转子电流而不是转子电压,由于转子电压与电流不是简单的线性关系,且与转子电流的变化率有关 。此外 ,转子线圈电阻温度系数和磁路饱和的影响也不容忽视。转子电压判据还有以下缺点 :1) 不适用于无刷励磁。以前仅进口的大型机组采用无刷励磁,近年来无刷励磁已较为普遍。2) 不反应转子线圈断线故障,如滑环故障或接触不良 。3) 系统振荡及失磁后的异步运行中,由于定子回路电流波动将引起较大的转子电压波动,其波峰可能超过转子电压判据的返回电压,波谷可能低于动作电压甚至反向。如果不采取措施,该判据在振荡时可能误动,在失磁后的异步运行中可能误返回 4 。3阻抗原理失磁保护的改进方案根据上文的分析,改进方案削减了常用异步边界阻抗圆和静稳边界阻抗圆的动作区域,并舍弃了转子电压判据。该方案由 4 个保护元件和1 个独立的加速元件构成。3.1 阻抗保护 段阻抗 段为缩小的异步边界阻抗圆,动作特性如图 2 所示 。阻抗圆顶部距原点为Xd ,直径为标幺值 110 或 017Xd(取二者中较小的一个) 。该阻抗圆可以躲过非稳定振荡,仅需带 011 s 延时躲过短路故障切除后的稳定性振荡,较短的延时也有利于重负荷 、 与系统联系薄弱的发电机失磁时保护正确动作 。电压互感器回路三相断线时不会误动作,仅需用负序电压闭锁电压互感器回路非对称断线。图2 缩小的异步边界阻抗圆Fig. 2Contractedimpedance circlewithasynchronous margin3.2 阻抗保护 段阻抗 段动作特性如图3所示,由现有静稳边界阻抗圆切除无用或可能误动部分构成。为满足发电机进相运行的需要沿用阻抗切线,保留 - jX轴左侧一部分是因为发电机非完全失磁或调相运行时失磁可能进入此区域,A点与原点的距离推荐整定为016或014Xd(取二者中较小的一个) 。系统振荡时阻抗轨迹可能进入段动作区,因此应带1 s 左右延时躲过振荡。在独立加速元件动作时,将延时缩短至 011 s。本段保护除用负序电压闭锁电压互感器非对称断线外,用低电压闭锁电压互感器回路三相断线可能引起的误动作。图3 阻抗 段动作特性Fig. 3Operationcharacteristicof 2nd zone ofimpedance protection3.3 低电压保护低电压元件是阻抗, 段的补充 ,当系统阻抗很大且送出有功很大的情况下失磁,阻抗 , 段可57? 研制与开发? 季学军,等 阻抗原理发电机失磁保护的改进名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 能动作较迟甚至拒动,低电压元件则可以快速动作。一般情况下,电压应取自机端,此时的低电压元件还起到保证厂用电安全的作用。个别情况下,例如小系统中的大机组或与系统联系较弱的机组失去励磁 ,可能引起变压器高压侧电压下降很多而危及系统运行时 ,低电压元件的电压可取自高压母线。低电压元件除应防止振荡时误动外,还应防止外部短路时误动 ,因此 ,低电压元件带较长延时,其加速和闭锁的条件与阻抗保护段相同 。3.4 低励磁电流保护当励磁电流很低时,由于转子护环磁路不饱和,由护环垂直进入定子端部叠片的磁通较多,将产生很大涡流 ,引起定子端部局部过热,为此设立低励磁电流元件加以保护。低励磁电流元件采用与有功功率相关的浮动门槛,其动作特性如图4 所示 。图4低励磁电流元件动作特性Fig. 4Operation characteristicof low excitationcurrentelement动作方程为:Q Q0+ kP(1)式中 :P和Q分别为机端有功和无功功率的二次值 ;Q0为反向无功门槛;k为低励磁系数。以标 幺 值 表 示 时 ,Q0推 荐 整 定 为 - 013 - 0 12 ,k整定为011012 ,并与发电机的冷却条件有关 。该保护元件宜带10 s左右的长延时。3. 5 加速元件上述 4 个保护元件已构成完善的低励或失磁保护 ,但其中阻抗段和低电压元件需带较长延时以躲过系统振荡和外部故障。因此 ,设立独立的加速元件 ,利用发电机送出有功和无功的变化量来判断是否低励或失磁,加速元件动作则阻抗段和低电压元件由长延时切换为短延时。加速元件的动作条件为式 (2) 式 (4) 同时满足 :Q -1(2)|P |2(3)|U2|3(4)式中 :负序电压突变量用于闭锁系统故障及振荡;1,2,3为各自门槛值。4 动模试验结果分析本文提出的失磁保护改进方案已应用于所研制的发变组保护装置,并顺利通过在中国电力科学研究院进行的600 MW 大型发变组保护动模试验,模拟发电机在不同负载水平下失磁,失磁保护均能可靠动作 ,在其他试验项目中失磁保护未发生误动作和误发信号,动作情况如表1 所示 。其中 ,失磁 段延时 011 s , 段延时1 s ,从励磁故障发生开始计时 。表1 失磁保护动模试验简介Table 1Introductionof dynamic model test of loss ofexcitationprotection序号故障类型负载失磁 段/ ms失磁 段/ ms1全失磁空载1 9532全失磁50 %1 6113全失磁100 %1361 437450 %失磁100 %3 0245 结语本文提出的阻抗原理失磁保护改进方案的特点如下 :1) 阻抗 段通过缩小常规异步边界阻抗圆以避免振荡时误动,仅带极小延时,动作快速 。2) 阻抗 段对常规静稳边界阻抗圆进行合理削减 ,提高了可靠性。在加速元件动作时,切换为短延时 。3) 整个保护方案舍弃了转子电压判据,使保护整定得到简化,可靠性得到提高。理论分析和动模试验结果表明了本文提出的失磁保护改进方案的可行性,随着保护装置投入现场运行 ,其实际效果将得到进一步检验。参 考 文 献 1王维俭.电气主设备继电保护原理与应用. 2版.北京:中国电力出版社,2002. 2高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术.北京:中国电力出版社,2006. 3柳焕章.发电机失磁保护的原理及整定计算.电力系统自动化,2004 ,28(14):72275.L IUHuanzhang.Principleofgeneratorloss2of2excitationprotectionand it s settingcalculation.AutomationofElectricPower Systems , 2004 , 28(14) : 72275. 4王祖光.发电机动态失励磁保护.电力系统自动化,1984 ,8 (4) :33246.WAN GZuguang.Dynamicloss2of2fieldprotectionforgenerators.AutomationofElectricPowerSystems ,1984 ,8( 4) : 33246.(下转第 80 页 continued on page 80)672008 , 32 (18)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - on loss2of2excitationprotection.ZhejiangElectric Power , 1998 ,17 (6) : 41243. 4严伟,陈俊,沈全荣.大型隐极发电机进相运行的探讨.电力系统自动化,2007 ,31 (2) :94297.YANWei , CH EN Jun , SH EN Quanrong.Discussion on largenon2salientpolegeneratorphaseadvancementoperation.Automationof Electric Power Systems , 2007 , 31(2) : 94297. 5郝雪平.低励限制与失磁保护配合的分析.华北电力技术,2005(7) :15217.HAOXueping.Analysis on coordinationof minimum excitationlimitand loss of fieldprotection.Nort h China ElectricPower ,2005 (7) : 15217. 6王娟.浅析ABB励磁系统低励限制与失磁保护.华北电力技术,2007 (1) :10212.WAN G Juan.Analysison underexcitedlimitationand loss2of2field protectionin ABB excitationsystem.Nort h China ElectricPower , 2007 ( 1) : 10212. 7王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.北京:中国电力出版社,2002. 8 DL/ T 6841999大型发电机变压器继电保护整定计算导则.北京:中国电力出版社,2005. 9柳焕章.发电机失磁保护的原理及整定计算.电力系统自动化,2004 ,28 (14) :72275.L IUHuanzhang.Principleofgeneratorloss2of2excitationprotectionand it s settingcalculation.AutomationofElectricPower Systems , 2004 , 28(14) : 72275.刘伟良(1974) ,男,通信作者,硕士,工程师,主要研究方向:电力继电保护。E2mail : luwelang163. com荀吉辉(1965) ,男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力系统自动控制技术及管理。E2mail : 薛 玮( 1972) ,男,硕士,高级工程师,主要研究方向:发电厂励磁及自动控制。Matching Setting of Loss2of2excitation Protection and Low Exciting Limitfor GeneratorL IU Weiliang, XU N J ihui , XU E Wei( HunanElectricPowerTest Research Institute, Changsha 410007 , China )Abstract : Given that the settingsof low excitinglimiterof automaticvoltage regulatorand of loss2of2excitationprotectioncannotbe establishedin a same coordinateand thereforecannot cooperatevery well , a practicalprotectionsettingmethod is proposed.First , three low excitinglimitcurves correspondingto the changes of generatorterminalvoltage are analyzed.Then , accordingto theelectrictheory , themappingrelationshipand equationbetweenthe lowexcitinglimitcurveand loss2of2excitationprotectionimpedance circle are established.On this basis , the methods of how to match the protectionsettings , how to verifyand how to apply in the real projectsare proposed.Finally , a detailed example of calculationprocedureis presented.Key words : low excitinglimit ; loss2of2excitationprotection; protectionsetting(上接第 76 页 continued from page 76)季学军(1971) ,男,通信作者,硕士,高级工程师,主要研究 方 向:电 力 系 统 继 电 保 护 。E2mail : jixuejunnari2china. com刘宏博(1964) ,男,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护及自动 化 。E2mail : 姜玉磊(1977) ,男,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。E2mail : jiangyuleinari2china. comImprovement on Generator Loss of ExcitationProtection Based on Impedance PrincipleJ I X uej un , L IUHongbo , J IA N G Yulei , WA N G Zuguang( State Grid ElectricPower Research Institute, Nanjing210003 , China )Abstract : The currentsituationof generatorloss of excitationprotectionand the usual scheme of loss of excitationprotectionbased on impedance principleare introduced.By analyzingthe defects of the usual scheme , the feasibilityof improvingtheperformanceof impedanceprinciplebased protectionis analyzedand discussed.The improvedscheme of generatorloss ofexcitationprotectionbased on impedance principleis detailed focusingon the operationcharacteristicsof the impedance circles ,low excitationcurrentelementand acceleratingelement.At last , the dynamicmodel test of a real digitalprotectionrelayisbrieflyintroduced.This workis supportedby the Key Science and TechnologyProject of JiangsuProvince of China ( No. B E2004018) .Key words : generator ; loss of excitationprotection; impedance principle; dynamic model test082008 , 32 (18)名师资料总结 - 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