发电机失步保护的整定计算

郭晓平，杨 硕，许海标

(南海发电一厂有限公司, 广东 佛山 528211)

0 引言

2013年年中，广东电网中调转发了电网总调《电厂安全稳定防线优化方案讨论会议纪要》，并要求南海发电一厂有限公司在具体时间内完成对机组失步保护定值优化调整工作，具体原则如下：

(1)机组失步保护整定范围延伸至电厂送出线路对侧变电站，即延伸至220 kV 对侧变电站；

(2)分散动作风险，将机组滑极次数定值分2轮整定。即不重要机组定义为第1轮跳闸对象，重要机组定义为第2轮跳闸对象，且后者滑极次数需比前者大。由于该厂未装设失步解列装置，2台机组发变组保护亦未配置失步保护(机组为200 MW发电机，可不配置发电机失步保护)，按中调通知要求需进行机组失步保护定值整定并投入。

1 发电机组失步保护投入的必要性

广东电网调度对全网电厂送出线路(同杆双回线)故障的稳定性进行核算，对该厂220 kV出线(新南甲线、新南乙线为同杆双回线)进行分析研究，当2回线路同时或相继出现一回线路三相永久性故障与另一回线路单相瞬时故障时，线路电抗增加，回路的综合电抗XΣ变大，且根据公式PE=U×EA/XΣ(EA为发电机电动势；U为无穷大系统母线电压； XΣ为包括发电机电抗在内的发电机到无穷大系统母线的总电抗；δ为发电机电动势EA与无穷大系统电压U之间的功率角；PE为功率极限值)可知，功率极限值将变小，功角特性将由图1的曲线1变为曲线2，如图1所示。

图1 系统故障时的功角特性曲线

在切除线路的瞬间，XΣ增大，发电机由于机械惯性，转速不变，功率角δ不变，由上述公式可知，此时原动机供给发电机的功率仍为Pm，发电机的对外输出功率PE减少。此时发电机的运行点将由曲线1的a点落到曲线2的b点上。但是在b点运行时，功率是不平衡的，因此发电机轴上作用的原动力矩将大于制动力矩，故发电机加速，δ增大，运行点由b点沿着曲线2向c点移动。与此同时，转子的相对速度V(也可理解为动能，指的是发电机转速相对无穷大电源系统等效发电机的转速)也由0逐渐增大，至c点时，功率Pm和PE又达到平衡。由于剩余功率为0，故转子应没有加速度，但此时发电机的相对速度V为最大值，因惯性力矩作用，δ将逐渐增大。过c点后，由于发电机的输出功率大于输入功率，发电机轴上将出现减速的过剩力矩，故从c点开始，转子的相对速度V将逐渐减小，虽然转子速度逐渐变慢，但仍大于同步转速，故δ角继续增大。直至d点，减速面积Scde等于加速面积Sabc,转子的相对速度V减至0，发电机转速达到同步转速。但此时发电机轴上仍作用着减速的剩余力矩，故发电机的转速继续减小。从d点起，相对速度V变负，因而δ角开始减小。直至δ角又摆回c点时，功率又达到平衡，负的加速度为0，反向的相对速度V达到最大。在负的惯性力矩作用下，δ角将继续减小。过c点后，发电机轴上又出现加速的剩余力矩，正向的加速度使反向的相对速度V又逐渐减小。V减至0后，由于功率不平衡，发电机转子又开始新的摆动，如此反复多次。

振荡过程中能量的损耗，使得δ角变化逐渐衰减，最后稳定在c点以δ2角运行，这说明发电机保持了暂态稳定。反之，如果短路开始时加速的剩余力矩很大，δ角摆动超过了临界δf(不稳定平衡角，对应图1中的f点)，则加速的剩余力矩会随δ角的增大而越来越大，当δ达到180°以后，PE为负值，加速度更大，直至发电机失步，电网处于异步振荡状态。

由此可见，当该厂发电机组在大负荷运行情况下，2回线路同时或相继出现一回线路三相永久性故障与另一回线路单相瞬时故障现象时，线路的电抗增加，极易造成主网失步振荡，严重时将威胁电网系统的稳定。由于现有电网系统稳控措施不能维持稳定，需增设第3道防线用以解列线路或机组，在切除故障的同时切除一部分发电机，以减少原动机的机械功率，增大减速面积，保持系统暂态稳定。

2 失步保护定值的计算方法

以该厂1号机组为例，根据中调提供的数据可知，该厂220 kV线路电抗参数(基准值100 MVA)为：新南甲线4.23 Ω，标幺值0.007 19；新南乙线4.21 Ω，标幺值0.007 22。

根据中调提供的数据可知，归算至100 MVA 下，对侧站220 kV母线最大运行方式下电抗为0.036 Ω。

该厂机组及主变压器参数如表1所示。发电机保护由北京四方继保自动化股份有限公司CSC-306D装置构成，保护根据多区域特性(双遮挡器)原理构成。

表1 1号发电机及主变参数

2.1 失步保护原理

发电机失步保护反映发电机机端测量阻抗的变化轨迹，能可靠躲过系统短路和稳定振荡，并能在失步摇摆过程中区分加速失步和减速失步。失步保护依据多直线双遮挡器特性，电阻直线将阻抗平面分为多区域，如图2所示。图2中A点的XA为发电机暂态电抗Xd′；B点的XB为系统联系电抗，含系统电抗Xs和变压器电抗XT(归算到发电机端电压)。

若机端测量电抗小于变压器电抗XT，说明振荡中心落在发变组内部。图2中Rs为电阻边界定值，Rj由程序固定设成0.5 Rs。

图2 发电机失步保护双遮挡器特性(多区域特性)

图2中，1～3区与6～4区在阻抗平面上关于jX轴对称，在同步发电机运行方式下有：

(1)系统正常运行时，机端测量阻抗大于Rs，其变化轨迹不进入2～5区内；

(2)发电机加速失步时，测量阻抗从1区依次穿过2，3，4，5，6区，在每个区内的停留时间超过对应的时间；

(3)发电机减速失步时，测量阻抗从6区依次穿过5，4，3，2，1区，在每个区内的停留时间超过对应的时间；

(4)短路故障时，测量阻抗在2～5任一区内停留时间小于对应的时间就进入下一区；

(5)稳定振荡时，测量阻抗穿过部分区后又逆向返回，而不是同向依次穿过所有区。

当装置检测出发电机失步时，及时发信号。当失步振荡中心落在发变组内部时，对滑级次数进行计数更新，当达到整定的滑级次数Nsb后，发出跳闸令。失步保护内部采用闭锁措施，只有在两侧电动势相位差小于90°时才发跳闸脉冲，断路器才能在超过其遮断容量的情况下切断电流，从而保证断路器的安全性。为了提高失步保护的可靠性，可增加有功功率变化为判断依据。

2.2 失步逻辑

失步逻辑如图3所示。

图3 失步逻辑示意

2.3 整定计算实例

以发电机视在功率235 MVA为基准值，各元件参数为：

Xs(220 kV对侧站大运方电抗)为：0.036×235/100=0.084 6 Ω；

XT(主变电抗)为：0.139 1×235/240=0.136 2 Ω；

Xl(双回线电抗)为：0.003 6×235/100=0.008 46 Ω；

Xd′(发电机暂态电抗)(不饱和值)为：0.24 Ω。

由于Xt为电抗线边界，区分震荡中心是否在拟定的保护动作范围内，保护延伸至220 kV对侧站，故：Xt=XT+Xl=0.136 2+0.008 46=0.144 66 Ω。

(1)失步保护电阻边界Rs可按躲过最小负荷阻抗整定，计算公式为：,δ1取120°(Xt，Xs分别为归算到发电机侧的变压器电抗和系统电抗标幺值，Xd′为发电机的暂态电抗)，则：

其有名值为：

Xs—220 kV对侧站最大运行方式下电抗折算至机端有名值为:

XT—主变电抗折算至机端有名值为:

Xl—双回线电抗折算至机端有名值为:

Xd′—发电机暂态电抗有名值(不饱和值)为:

则计算结果为：

Xt=XT+Xl=2.184+0.135 6=2.319 6 Ω；

B点电抗XB=Xt+Xs=1.356+2.319 6=3.676 Ω；

A点电抗XA=Xd′=3.848 Ω；

Rs=2.171 Ω。

(2)失步保护变压器电抗XSB整定。由于保护延伸至220 kV对侧站，故:

XSB=Xt=XT+Xl=2.184+0.135 6=2.319 6 Ω(为变压器电抗与线路电抗之和)。

(3)阻抗最小停留时间T1和停留时间T2。

考虑当系统振荡时，发电机功角δ匀速变化。则阻抗在2区、5区停留的时间为：

T=Ts(δ2-δ1)/360°。

其中，Ts为系统最小振荡周期(由调度给出，暂定为1 s)，δ1取120°，δ2按下式计算：

系统振荡时测量阻抗在3区、4区停留的时间T′=Ts(180°-δ2)/360°，整定：

(4)失步保护滑极次数Nsb。振荡中心在区内，失步保护滑极次数暂时整定：1号机为3次。

(5)动作方式：机组解列。

3 结束语

为了更好地了解电厂出线双回路输电线路突然切除故障跳闸，并列在电网上的发电机同时出线的电磁瞬变过程和机械运动瞬变过程，以及预防因发电机失步而受到影响的电网安全稳定性，双遮挡器原理失步保护及透镜原理失步保护等均发挥了重要作用，避免了发电机失步给系统带来的负面影响，为电网的安全稳定性设立了防线。正确的整定计算是继电保护能发挥真正作用的基础。

1 谢明琛，张广溢．电机学[M]．重庆：重庆大学出版社，2004.

2 DL755—2001电力系统安全稳定导则[S].

3 DL/T 684—2012大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].

4 高春如．大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M]．北京：中国电力出版社，2005.