大型发电机组失步保护定值的整定计算分析

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1 三阻抗元件失步保护
1.1 保护原理 依据发电机失步时的阻抗轨迹变化情况, 保护
采用 3 个阻抗元件进行失步判断, 保护动作判据特 性如图 1。
保护由 1 个透镜阻抗元件①和 2 根直线型阻抗 元件②、③构成。透镜特性阻抗元件①把阻抗平面分 为透镜内动作区 I 和透镜外不动作区 A。 透镜内角
jX
保护。保护中当机端测量阻抗依次穿过 5 个区后,记
录 1 次滑极; 而当测量阻抗轨迹穿越几个区之后以
相反的方向返回,则不计滑极。当振荡中心落在线路
上时, 由于机端测量阻抗轨迹在电抗线 X 之上,保
护装置不计滑极数。 为给断路器创造 1 个良好的断
开条件,保护中设定 δ1=120°,δ4=240°。电抗动作元件 X=KrelXTZgn, 其中 XT 为主变阻抗值,Zgn 为发电机 二
δ2=2arccot1.37/[1/2 ×(5.64 +3.858)] =2 ×74° =148° , 取值 150°。
T1=0.5×0.5×(150°-120°)/360°=0.25/12=0.021 s, 取值 0.05 s;
T2=0.5×2×0.5×(180°-150°)/360°=0.5/12=0.042 s, 取值 0.1 s;T3=0.05 s;T4=0.05 s。
某发电厂 300 MW 机组,机组参数见表 3,采用 南自厂生产的 DGT801 保护装置, 为双遮挡器失步
2009 年第 27 卷第 1 期
内蒙古电力技术
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减速失步
4区 3区
jX XB
2区 X
1区 0区
δ4 δ3
δ2
δ1
加速失步
R4 R3
0 R2
R1
R
0区 1区
XA 2区
3区 4区
图 2 双遮挡器原理失步保护动作特性曲线
δ2-δ1 360°
,T2=0.5×2TUS
180°-δ2 360°
,T3=T1,T4 在 0

T3 之间
选取;TUS 为系统振荡时最小的振荡周期 (具体值由
调度所给出,一般为 0.5 s)。 滑极次数根据发电机实
际能够承受的失步滑极次数整定,一般为 1—2 次。
表 3 300 MW 机组参数
项目
数值
Sgn—发电机基准容量;
nv—发电机侧 TV 变比;
X'd —发电机暂态电抗。
灵敏角 准 建议取为 80°~85°, 透镜内角建议整
定 δ=120°。 振荡中心在区外时,失步保护动作于信
号;振荡中心在区内时,滑极一般整定 1—2 次。装置
自动选择在电流变小时动作跳闸, 跳闸允许电流定
值为辅助判据,根据断路器允许遮断容量选择。
变压器额定电流倍数整定 5×[370 000/( 姨 3 ×242)] =18.4 A,取值 20 A。
保护整定定值数据见表 2。
表 2 保护整定定值
定值名称
整定值
定值名称
整定值
阻抗定值 ZA/Ω
3.03
透 镜 内 角 / (° )
120
阻抗定值 ZB/Ω
-4.36
区外滑极次数/次
2
阻抗定值 ZC/Ω
组内部,落于 II 区说明中心位于发变组以外的系统。
1.2 保护整定计算
某发电厂 300 MW 机组,机组参数见表 1。 采用
南瑞厂生产的 RCS985 保护装置, 为三元件阻抗失
步保护。 将发电机正序电压、 正序电流引入保护装
置,保护通过各种计算、分析利用阻抗轨迹反映各种
情况。当发电机发生失步振荡,机端测量阻抗顺序穿
过 4 个区,每顺序穿过 1 次,保护的滑极计数增加
1,到达整定次数时保护动作。 保护识别的最小振荡
周期为 120 ms。 电抗动作元件
2
ZA = 姨XS +XT
姨Ugn na Sgnnv

2
ZB =-X'd
Ugn na Sgnnv

2
ZC =0.9XT
Ugn na Sgnnv

式中
XS—系统阻抗; XT—主变阻抗; Ugn—发电机额定电压; na—发电机侧 TA 变比;
XB=0.227×{202×3 000/[(300/0.85)×200]}=3.858 Ω, X=0.9×0.133 6×{202×3 000/[(300/0.85)×200]}
=2.04 Ω。
R1=1/2×(5.64+3.858)cot60°=2.74 Ω, R2=1/2×2.74=1.37 Ω, R3=1.37 Ω, R4=2.74 Ω。
(2) 为了更准确地判断阻抗轨迹是否进入失步 区,系统阻抗应采用较大值(小方式下)。
(3) 对于南自厂生产的 DGT801 保 护 ,如 果 计 算得出的各区时间值过小,应选用建议值。
对失步保护的合理整定有利于加强机组的安全 稳定管理,防止不必要的切机和解列,保证机组的安 全稳定运行,维护整个电网平稳运行。
发电机功率因数 cosφ
0.85
发 电 机 定 子 额 定 电 压 /kV
20
发 电 机 定 子 额 定 电 流 /A
10 189
发电机暂态电抗 Xd′(非饱和值)
0.227
发电机出口 TA 变比
15 000/5
发电机出口 TV 变比
20//0.1//0.1/3
主 变 额 定 容 量 /kVA
370 000
2.04
区内滑极次数/次
1
灵 敏 角 / (° )
85
跳 闸 允 许 电 流 /A
20
报 警 透 镜 内 角 / (° )
90
2 双遮挡器原理失步保护
2.1 保护原理 双遮挡器原理失步保护动作判据特性如图 2。
图中阻抗 最 高 点 XB、 最 低 点 XA 和 4 组 电 阻 线 R1、 R2、R3、R4 将阻抗平面分为 0—4 共 5 个区。机组加速 失步时, 测量阻抗轨迹从+R 向-R 方向变化,0—4 区依次从右到左排列;机组减速失步时,0~4 区从左 到右排列。 测量阻抗从右到左穿过 R4 时判断为加 速,从左到右穿过 R1 时判断为减速。 当测量阻抗穿 过 1 区进入 2 区,并在 1 区、2 区停留时间分别大于 T1、T2 时,发加速(或减速)失 步 信 号 ,如 果 测 量 阻 抗 继续穿过 3 区和 4 区,且在 3 区、4 区停留时间分别 大于 T3、T4,则进行滑极计数。 当滑极次数累计到整 定值时,失步保护动作出口。 当测量阻抗从电抗线 X 的上方穿过,则振荡中心在发变组之外,判定为系统 振荡;当测量阻抗从电抗线 X 的下方穿过,则振荡 中心在发变组之内, 当停留时间大于整定值并进入 下一区时,滑极次数加 1。 当任一区的停留时间小于 整定值而进入下一区时,则判定为短路。 2.2 保护整定计算
Ⅱ区
ZA
Ⅰ区
ZC ③
O 准A
A
δ Ⅰ

R

ZB LR
图 1 三阻抗元件失步保护动作特性曲线
为 δ,坐标原点 O 代表失步保护安装处,即机端。 如 果发电机机端测量阻抗 Z 进入透镜圆内,则表明发 电机电动势和系统电动势间的功角 δ 已大于动稳极 限角 δset。 直线②为遮挡器直线阻抗元件,将阻抗平 面分为 L 和 R 两部分, 其方向与透镜主轴相同,用 以判断发电机与系统是否失步。 如果发电机机端测 量阻抗 Z 落在此 直 线 上 ,则 δ=180°;若 出 现 不 稳 定 振荡, 机端测量阻抗 Z 越过该直线,δ>180°,判断发 电机已失步。当系统振荡时,机端测量阻抗顺序穿过 4 个区(AR/IR/IL/AL),并在每区停留时间大于一定 时限时,保护判断系统失步。直线③为电抗直线阻抗
主 变 额 定 电 压 /kV
242±2×2.5%/20
主 变 短 路 阻 抗 /%
14
主变高压侧 TA 变比
1 200/5
系统阻抗 1)
大方式 X1 小方式 X1
0.010 3 0.012 7
注:1)基准:平均电压,主变额定容量 100 MVA。
失步保护整定过程为: 将主变短路阻抗折算至以发电机额定容量为基 准,XT=0.14×(300/0.85)/370=0.133 6。 将系统阻抗(小方式)折算至以发电机额定容量 为基准,XS=0.012 7×(300/0.85)/100=0.044 8。 ZA=(0.044 8+0.133 6)×{202×3 000/[(300/0.85)×200]} =3.03 Ω, ZB=0.256 8×{202×3 000/[(300/0.85)×200]}=4.36 Ω, ZC=0.9×0.133 6×{202×3 000/[(300/0.85)×200]}=2.04 Ω。 断路器允许遮断容量为 50 kA,折算至二次侧: 50 000/(1 200/5)=208.3 A, 因此跳闸允许电流按照
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2009 年第 27 卷第 1 期
INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER
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大型发电机组失步保护定值的整定计算分析
Analysis to Setting Calculation on Out of Step Protection Setting Value for Large Generating Units
保护整定定值数据见表 4。
表 4 保护整定定值
定值名称
整定值
定值名称
整定值
电 抗 值 X/Ω
2.04
滑极次数 N/次
1
R1
2.74
T1
0.05
Biblioteka Baidu
各区边界
R2
1.37 各区停留
T2
0.10
电 阻 值 /Ω
R3
1.37
时 间 /s
T3
0.05
R4
2.74
T4
0.05
3 需注意的问题
(1) 进行失步保护整定计算时,需要把各种阻 抗值折算至统一基准容量下进行整定。
金玲 (内蒙古电力科学研究院,内蒙古 呼和浩特 010020)
[摘要] 以大型发电厂失步保护的实际整定计算算例说明三阻抗元件和双遮挡器 2 种不
同原理失步保护定值的整定计算方法,提出整定计算时需把各种阻抗折算至统一基准容量下
进行整定才能保证结果的正确性。 对失步保护的合理整定可加强机组的安全稳定管理,保证
主 变 额 定 电 压 /kV
242±2×2.5%/20
主 变 短 路 阻 抗 /%
14
主变高压侧 TA 变比
1 200/5
系统阻抗 1)
大方式 X1 小方式 X1
0.051 2 0.056 2
注:1)基准:平均电压,主变额定容量 100 MVA。
失步保护整定过程为:
将主变短路阻抗折算至以发电机额定容量为基
机组的安全稳定运行。
[关键词] 大型发电机组;失步保护;整定计算
[中图分类号] TM772
[文献标识码] B
[文章编号] 1008-6218(2009)01-0023-03
随着发电机组容量不断增大, 系统网架逐级扩 大,大型发电机组的安全稳定运行尤为重要。在电力 系统中,发电机通常与升压变压器组成单元式接线, 在系统发生振荡时, 振荡中心常常落在发电机机端 或升压变压器的范围内, 使得振荡过程对机组的影 响加重。在振荡过程中,当发电机电势和系统电势的 夹角为 180°时,振荡电流的幅值将接近机端三相短 路时流过发电机的电流, 振荡电流所产生的电动力 将使发电机定子绕组端部遭受机械损伤, 在短路伴 随系统振荡的情况下, 还会加剧汽轮发电机轴系的 扭转振荡,引起大轴的机械损伤,甚至造成断裂。 因 此,大型发电机组需装设专门的失步保护装置。
次基准阻抗。 XA=-X'd Zgn,其中 X'd 为发电机暂态电
抗。XB=(XT+XS)Zgn,其中 XS 为系统阻抗。 电阻边界值
R1
=
1 2
!XA
+XB
"cot δ1 2
,R2 =
1 2
R1 ,R3 =-R2 ,R4 =-R1 。
角度
δ2=2arccot
(XA
R2 +XB
)/2
。 各区停留时间 T1 =0.5TUS
[收稿日期] 2008-11-03 [作者简介] 金 玲(1973—),女,内蒙古人,毕业于内蒙古工业大学,学士学位,工程师,现从事继电保护工作。
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内蒙古电力技术
2009 年第 27 卷第 1 期
元件,它垂直于透镜的主轴,把阻抗平面分为 I 区和
II 区, 当振荡中心落于 I 区说明振荡中心位于发变
准,XT=0.14×(300/0.85)/370=0.133 6;将系统阻抗(小 方式)折算至以发电机额定容量为基准,XS=0.056 2× (300/0.85)/100=0.198 38。
XA=(0.198 38+0.133 6){202×3 000/[(300/0.85)×200]} =5.64 Ω,
表 1 300 MW 机组参数
项目
数值
发电机功率因数
0.85
定 子 额 定 电 压 /kV
20
发 电 机 定 子 额 定 电 流 /A
10 189
发电机暂态电抗 Xd′(非饱和值)
0.256 8
发电机出口 TA 变比
15 000/5
发电机出口 TV 变比 主 变 额 定 容 量 /kVA
20/0.1/0.1/ 姨 3 370 000
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