發(fā)電機失步保護的整定計算

郭曉平，楊 碩，許海標

(南海發(fā)電一廠有限公司, 廣東 佛山 528211)

0 引言

2013年年中，廣東電網(wǎng)中調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)了電網(wǎng)總調(diào)《電廠安全穩(wěn)定防線優(yōu)化方案討論會議紀要》，并要求南海發(fā)電一廠有限公司在具體時間內(nèi)完成對機組失步保護定值優(yōu)化調(diào)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(cè)變電站，即延伸至220 kV 對側(cè)變電站；

(2)分散動作風險，將機組滑極次數(shù)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(shù)需比前者大。由于該廠未裝設(shè)失步解列裝置，2臺機組發(fā)變組保護亦未配置失步保護(機組為200 MW發(fā)電機，可不配置發(fā)電機失步保護)，按中調(diào)通知要求需進行機組失步保護定值整定并投入。

1 發(fā)電機組失步保護投入的必要性

廣東電網(wǎng)調(diào)度對全網(wǎng)電廠送出線路(同桿雙回線)故障的穩(wěn)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(xiàn)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(jù)公式PE=U×EA/XΣ(EA為發(fā)電機電動勢；U為無窮大系統(tǒng)母線電壓； XΣ為包括發(fā)電機電抗在內(nèi)的發(fā)電機到無窮大系統(tǒng)母線的總電抗；δ為發(fā)電機電動勢EA與無窮大系統(tǒng)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?yōu)榍€2，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)故障時的功角特性曲線

在切除線路的瞬間，XΣ增大，發(fā)電機由于機械慣性，轉(zhuǎn)速不變，功率角δ不變，由上述公式可知，此時原動機供給發(fā)電機的功率仍為Pm，發(fā)電機的對外輸出功率PE減少。此時發(fā)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(fā)電機軸上作用的原動力矩將大于制動力矩，故發(fā)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(zhuǎn)子的相對速度V(也可理解為動能，指的是發(fā)電機轉(zhuǎn)速相對無窮大電源系統(tǒng)等效發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子應(yīng)沒有加速度，但此時發(fā)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(fā)電機的輸出功率大于輸入功率，發(fā)電機軸上將出現(xiàn)減速的過剩力矩，故從c點開始，轉(zhuǎn)子的相對速度V將逐漸減小，雖然轉(zhuǎn)子速度逐漸變慢，但仍大于同步轉(zhuǎn)速，故δ角繼續(xù)增大。直至d點，減速面積Scde等于加速面積Sabc,轉(zhuǎn)子的相對速度V減至0，發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速。但此時發(fā)電機軸上仍作用著減速的剩余力矩，故發(fā)電機的轉(zhuǎn)速繼續(xù)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(xù)減小。過c點后，發(fā)電機軸上又出現(xiàn)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(fā)電機轉(zhuǎn)子又開始新的擺動，如此反復(fù)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(wěn)定在c點以δ2角運行，這說明發(fā)電機保持了暫態(tài)穩(wěn)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(wěn)定平衡角，對應(yīng)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(fā)電機失步，電網(wǎng)處于異步振蕩狀態(tài)。

由此可見，當該廠發(fā)電機組在大負荷運行情況下，2回線路同時或相繼出現(xiàn)一回線路三相永久性故障與另一回線路單相瞬時故障現(xiàn)象時，線路的電抗增加，極易造成主網(wǎng)失步振蕩，嚴重時將威脅電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。由于現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)控措施不能維持穩(wěn)定，需增設(shè)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(fā)電機，以減少原動機的機械功率，增大減速面積，保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

2 失步保護定值的計算方法

以該廠1號機組為例，根據(jù)中調(diào)提供的數(shù)據(jù)可知，該廠220 kV線路電抗參數(shù)(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(jù)中調(diào)提供的數(shù)據(jù)可知，歸算至100 MVA 下，對側(cè)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(shù)如表1所示。發(fā)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(gòu)成，保護根據(jù)多區(qū)域特性(雙遮擋器)原理構(gòu)成。

表1 1號發(fā)電機及主變參數(shù)

2.1 失步保護原理

發(fā)電機失步保護反映發(fā)電機機端測量阻抗的變化軌跡，能可靠躲過系統(tǒng)短路和穩(wěn)定振蕩，并能在失步搖擺過程中區(qū)分加速失步和減速失步。失步保護依據(jù)多直線雙遮擋器特性，電阻直線將阻抗平面分為多區(qū)域，如圖2所示。圖2中A點的XA為發(fā)電機暫態(tài)電抗Xd′；B點的XB為系統(tǒng)聯(lián)系電抗，含系統(tǒng)電抗Xs和變壓器電抗XT(歸算到發(fā)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(fā)變組內(nèi)部。圖2中Rs為電阻邊界定值，Rj由程序固定設(shè)成0.5 Rs。

圖2 發(fā)電機失步保護雙遮擋器特性(多區(qū)域特性)

圖2中，1～3區(qū)與6～4區(qū)在阻抗平面上關(guān)于jX軸對稱，在同步發(fā)電機運行方式下有：

(1)系統(tǒng)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(qū)內(nèi)；

(2)發(fā)電機加速失步時，測量阻抗從1區(qū)依次穿過2，3，4，5，6區(qū)，在每個區(qū)內(nèi)的停留時間超過對應(yīng)的時間；

(3)發(fā)電機減速失步時，測量阻抗從6區(qū)依次穿過5，4，3，2，1區(qū)，在每個區(qū)內(nèi)的停留時間超過對應(yīng)的時間；

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

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

當裝置檢測出發(fā)電機失步時，及時發(fā)信號。當失步振蕩中心落在發(fā)變組內(nèi)部時，對滑級次數(shù)進行計數(shù)更新，當達到整定的滑級次數(shù)Nsb后，發(fā)出跳閘令。失步保護內(nèi)部采用閉鎖措施，只有在兩側(cè)電動勢相位差小于90°時才發(fā)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(jù)。

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(fā)電機視在功率235 MVA為基準值，各元件參數(shù)為：

Xs(220 kV對側(cè)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(fā)電機暫態(tài)電抗)(不飽和值)為：0.24 Ω。

由于Xt為電抗線邊界，區(qū)分震蕩中心是否在擬定的保護動作范圍內(nèi)，保護延伸至220 kV對側(cè)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(fā)電機側(cè)的變壓器電抗和系統(tǒng)電抗標幺值，Xd′為發(fā)電機的暫態(tài)電抗)，則：

其有名值為：

Xs—220 kV對側(cè)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(fā)電機暫態(tài)電抗有名值(不飽和值)為:

則計算結(jié)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(cè)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(tǒng)振蕩時，發(fā)電機功角δ勻速變化。則阻抗在2區(qū)、5區(qū)停留的時間為：

T=Ts(δ2-δ1)/360°。

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

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

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

(5)動作方式：機組解列。

3 結(jié)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(wǎng)上的發(fā)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(yù)防因發(fā)電機失步而受到影響的電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，雙遮擋器原理失步保護及透鏡原理失步保護等均發(fā)揮了重要作用，避免了發(fā)電機失步給系統(tǒng)帶來的負面影響，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性設(shè)立了防線。正確的整定計算是繼電保護能發(fā)揮真正作用的基礎(chǔ)。

1 謝明琛，張廣溢．電機學(xué)[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，2004.

2 DL755—2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則[S].

3 DL/T 684—2012大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則[S].

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