發電機失步保護的整定計算

郭曉平，楊 碩，許海標

(南海發電一廠有限公司, 廣東 佛山 528211)

0 引言

2013年年中，廣東電網中調轉發了電網總調《電廠安全穩定防線優化方案討論會議紀要》，并要求南海發電一廠有限公司在具體時間內完成對機組失步保護定值優化調整工作，具體原則如下：

(1)機組失步保護整定范圍延伸至電廠送出線路對側變電站，即延伸至220 kV 對側變電站；

(2)分散動作風險，將機組滑極次數定值分2輪整定。即不重要機組定義為第1輪跳閘對象，重要機組定義為第2輪跳閘對象，且后者滑極次數需比前者大。由于該廠未裝設失步解列裝置，2臺機組發變組保護亦未配置失步保護(機組為200 MW發電機，可不配置發電機失步保護)，按中調通知要求需進行機組失步保護定值整定并投入。

1 發電機組失步保護投入的必要性

廣東電網調度對全網電廠送出線路(同桿雙回線)故障的穩定性進行核算，對該廠220 kV出線(新南甲線、新南乙線為同桿雙回線)進行分析研究，當2回線路同時或相繼出現一回線路三相永久性故障與另一回線路單相瞬時故障時，線路電抗增加，回路的綜合電抗XΣ變大，且根據公式PE=U×EA/XΣ(EA為發電機電動勢；U為無窮大系統母線電壓； XΣ為包括發電機電抗在內的發電機到無窮大系統母線的總電抗；δ為發電機電動勢EA與無窮大系統電壓U之間的功率角；PE為功率極限值)可知，功率極限值將變小，功角特性將由圖1的曲線1變為曲線2，如圖1所示。

圖1 系統故障時的功角特性曲線

在切除線路的瞬間，XΣ增大，發電機由于機械慣性，轉速不變，功率角δ不變，由上述公式可知，此時原動機供給發電機的功率仍為Pm，發電機的對外輸出功率PE減少。此時發電機的運行點將由曲線1的a點落到曲線2的b點上。但是在b點運行時，功率是不平衡的，因此發電機軸上作用的原動力矩將大于制動力矩，故發電機加速，δ增大，運行點由b點沿著曲線2向c點移動。與此同時，轉子的相對速度V(也可理解為動能，指的是發電機轉速相對無窮大電源系統等效發電機的轉速)也由0逐漸增大，至c點時，功率Pm和PE又達到平衡。由于剩余功率為0，故轉子應沒有加速度，但此時發電機的相對速度V為最大值，因慣性力矩作用，δ將逐漸增大。過c點后，由于發電機的輸出功率大于輸入功率，發電機軸上將出現減速的過剩力矩，故從c點開始，轉子的相對速度V將逐漸減小，雖然轉子速度逐漸變慢，但仍大于同步轉速，故δ角繼續增大。直至d點，減速面積Scde等于加速面積Sabc,轉子的相對速度V減至0，發電機轉速達到同步轉速。但此時發電機軸上仍作用著減速的剩余力矩，故發電機的轉速繼續減小。從d點起，相對速度V變負，因而δ角開始減小。直至δ角又擺回c點時，功率又達到平衡，負的加速度為0，反向的相對速度V達到最大。在負的慣性力矩作用下，δ角將繼續減小。過c點后，發電機軸上又出現加速的剩余力矩，正向的加速度使反向的相對速度V又逐漸減小。V減至0后，由于功率不平衡，發電機轉子又開始新的擺動，如此反復多次。

振蕩過程中能量的損耗，使得δ角變化逐漸衰減，最后穩定在c點以δ2角運行，這說明發電機保持了暫態穩定。反之，如果短路開始時加速的剩余力矩很大，δ角擺動超過了臨界δf(不穩定平衡角，對應圖1中的f點)，則加速的剩余力矩會隨δ角的增大而越來越大，當δ達到180°以后，PE為負值，加速度更大，直至發電機失步，電網處于異步振蕩狀態。

由此可見，當該廠發電機組在大負荷運行情況下，2回線路同時或相繼出現一回線路三相永久性故障與另一回線路單相瞬時故障現象時，線路的電抗增加，極易造成主網失步振蕩，嚴重時將威脅電網系統的穩定。由于現有電網系統穩控措施不能維持穩定，需增設第3道防線用以解列線路或機組，在切除故障的同時切除一部分發電機，以減少原動機的機械功率，增大減速面積，保持系統暫態穩定。

2 失步保護定值的計算方法

以該廠1號機組為例，根據中調提供的數據可知，該廠220 kV線路電抗參數(基準值100 MVA)為：新南甲線4.23 Ω，標幺值0.007 19；新南乙線4.21 Ω，標幺值0.007 22。

根據中調提供的數據可知，歸算至100 MVA 下，對側站220 kV母線最大運行方式下電抗為0.036 Ω。

該廠機組及主變壓器參數如表1所示。發電機保護由北京四方繼保自動化股份有限公司CSC-306D裝置構成，保護根據多區域特性(雙遮擋器)原理構成。

表1 1號發電機及主變參數

2.1 失步保護原理

發電機失步保護反映發電機機端測量阻抗的變化軌跡，能可靠躲過系統短路和穩定振蕩，并能在失步搖擺過程中區分加速失步和減速失步。失步保護依據多直線雙遮擋器特性，電阻直線將阻抗平面分為多區域，如圖2所示。圖2中A點的XA為發電機暫態電抗Xd′；B點的XB為系統聯系電抗，含系統電抗Xs和變壓器電抗XT(歸算到發電機端電壓)。

若機端測量電抗小于變壓器電抗XT，說明振蕩中心落在發變組內部。圖2中Rs為電阻邊界定值，Rj由程序固定設成0.5 Rs。

圖2 發電機失步保護雙遮擋器特性(多區域特性)

圖2中，1～3區與6～4區在阻抗平面上關于jX軸對稱，在同步發電機運行方式下有：

(1)系統正常運行時，機端測量阻抗大于Rs，其變化軌跡不進入2～5區內；

(2)發電機加速失步時，測量阻抗從1區依次穿過2，3，4，5，6區，在每個區內的停留時間超過對應的時間；

(3)發電機減速失步時，測量阻抗從6區依次穿過5，4，3，2，1區，在每個區內的停留時間超過對應的時間；

(4)短路故障時，測量阻抗在2～5任一區內停留時間小于對應的時間就進入下一區；

(5)穩定振蕩時，測量阻抗穿過部分區后又逆向返回，而不是同向依次穿過所有區。

當裝置檢測出發電機失步時，及時發信號。當失步振蕩中心落在發變組內部時，對滑級次數進行計數更新，當達到整定的滑級次數Nsb后，發出跳閘令。失步保護內部采用閉鎖措施，只有在兩側電動勢相位差小于90°時才發跳閘脈沖，斷路器才能在超過其遮斷容量的情況下切斷電流，從而保證斷路器的安全性。為了提高失步保護的可靠性，可增加有功功率變化為判斷依據。

2.2 失步邏輯

失步邏輯如圖3所示。

圖3 失步邏輯示意

2.3 整定計算實例

以發電機視在功率235 MVA為基準值，各元件參數為：

Xs(220 kV對側站大運方電抗)為：0.036×235/100=0.084 6 Ω；

XT(主變電抗)為：0.139 1×235/240=0.136 2 Ω；

Xl(雙回線電抗)為：0.003 6×235/100=0.008 46 Ω；

Xd′(發電機暫態電抗)(不飽和值)為：0.24 Ω。

由于Xt為電抗線邊界，區分震蕩中心是否在擬定的保護動作范圍內，保護延伸至220 kV對側站，故：Xt=XT+Xl=0.136 2+0.008 46=0.144 66 Ω。

(1)失步保護電阻邊界Rs可按躲過最小負荷阻抗整定，計算公式為：,δ1取120°(Xt，Xs分別為歸算到發電機側的變壓器電抗和系統電抗標幺值，Xd′為發電機的暫態電抗)，則：

其有名值為：

Xs—220 kV對側站最大運行方式下電抗折算至機端有名值為:

XT—主變電抗折算至機端有名值為:

Xl—雙回線電抗折算至機端有名值為:

Xd′—發電機暫態電抗有名值(不飽和值)為:

則計算結果為：

Xt=XT+Xl=2.184+0.135 6=2.319 6 Ω；

B點電抗XB=Xt+Xs=1.356+2.319 6=3.676 Ω；

A點電抗XA=Xd′=3.848 Ω；

Rs=2.171 Ω。

(2)失步保護變壓器電抗XSB整定。由于保護延伸至220 kV對側站，故:

XSB=Xt=XT+Xl=2.184+0.135 6=2.319 6 Ω(為變壓器電抗與線路電抗之和)。

(3)阻抗最小停留時間T1和停留時間T2。

考慮當系統振蕩時，發電機功角δ勻速變化。則阻抗在2區、5區停留的時間為：

T=Ts(δ2-δ1)/360°。

其中，Ts為系統最小振蕩周期(由調度給出，暫定為1 s)，δ1取120°，δ2按下式計算：

系統振蕩時測量阻抗在3區、4區停留的時間T′=Ts(180°-δ2)/360°，整定：

(4)失步保護滑極次數Nsb。振蕩中心在區內，失步保護滑極次數暫時整定：1號機為3次。

(5)動作方式：機組解列。

3 結束語

為了更好地了解電廠出線雙回路輸電線路突然切除故障跳閘，并列在電網上的發電機同時出線的電磁瞬變過程和機械運動瞬變過程，以及預防因發電機失步而受到影響的電網安全穩定性，雙遮擋器原理失步保護及透鏡原理失步保護等均發揮了重要作用，避免了發電機失步給系統帶來的負面影響，為電網的安全穩定性設立了防線。正確的整定計算是繼電保護能發揮真正作用的基礎。

1 謝明琛，張廣溢．電機學[M]．重慶：重慶大學出版社，2004.

2 DL755—2001電力系統安全穩定導則[S].

3 DL/T 684—2012大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則[S].

4 高春如．大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[M]．北京：中國電力出版社，2005.