大型发电机组保护技术讲座演示文稿

项目的意义
• 机网协调问题关系到电网运行与发电厂涉
网设备的配合，由于大型发电机机组的运 行状况对电网影响甚大，在机组并网之前 需要对继电保护和安全自动装置的整定调 试进行计算和分析。而当前的这些涉网定 值的整定值主要是参考规程所推荐的整定 值，与实际电网之间的协调考虑较少。
项目的意义
• 为了提高厂网抵御扰动的能力，从电厂的角度出
发，应合理设置失磁保护和失步保护，尽可能减 小厂内故障对电网的影响，对于发电厂的频率异 常保护、电压异常保护也应该与电网的频率、电 压异常保护的整定值相互协调。 同时，发电公司要从涉网设备的配置、选型和参 数整定等方面全面做好机网协调工作，使涉网设 备在电网正常运行时和事故方式下均能对保证电 网安全稳定运行起到积极作用，这对发电厂本身 和对电网公司都是有利的，这也是本项目的意义 所在。
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励磁系统的相关分析
• 在现代化的电力系统中，提高和维持同步发电机运行的稳定性，是保
证电力系统安全、经济运行的基本条件之一。在众多改善同步发电机 稳定运行的措施中，运用现代控制理论、提高励磁系统的控制性能是 公认的经济而有效的手段之—。 励磁系统向发电机提供励磁功率， 起着调节电压、保持发电机端电压或枢纽点电压恒定的作用，并可控 制并列运行发电机的无功功率分配。它对发电机的动态行为有很大影 响，可以帮助提高电力系统的稳定极限。特别是现代电力电子技术的 发展，使快速响应、高放大倍数的励磁系统得以实现，这极大地改善 了电力系统的暂态稳定性。 • 主要作用有： 1) 正常运行时供给发电机励磁电流，并根据发电机负载的变化作相应 调整，以维持发电机端电压或电网中某一点电压在给定水平上。当发 电机突然甩负荷时，实行强行减磁以限制其端电压，使其不会过度升 高。此外，当几台发电机并联运行时，通过励磁系统的作用可使无功 功率在机组间得到稳定和合理的分配。 2) 通过灵敏而又快速的励磁调节，提高电力系统运行的静态稳定和输 电线路的传输能力。当电力系统发生短路或因其它原因使系统电压严 重下降时，对发电机实行强行励磁，以提高电力系统的动态稳定。如 果发电机内部发生短路故障则对发电机实行自动灭磁，以降低故障的 损坏程度。
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发电机频率异常保护的机理分析 低频减载的机理分析
• 通常电力系统均具有热备用容量，
• 图中在系统频率的下降过程中，按照频
率数值的顺序安排了几个计算点。这些 计算点就是按频率自动减负荷装置的 “轮”。 按频率自动减负荷装置实际上是运用了 “逐次逼近”(Successive Approximation)的计算方法，迅速及时 地算出系统的功率缺额，并断开相应的 用户，以达到系统频率的稳定，使值班 人员可以从容处理的目的。
大型发电机组保护及 自动装置对机网协调 安全影响的研究
项目的意义
• 发电机与电网协调是厂网分开后需要更加
重视的问题。厂网分开后，由于电网和电 厂是不同的管理实体，如何做好机网协调 工作将成为电网公司面临的挑战性课题。 电网经营企业则主要承担电网安全的责任， 而发电厂从自身的经济利益出发，则以多 发稳发为经营目标。二者之间并不会存在 很大的冲突，发电厂多发稳发也是需要建 立在电网安全的基础上。
发电机失磁保护的功角特性分析
• 1）、失磁到临界失步阶段： • 2）、不稳定异步运行阶段： • 3）、稳定异步运行阶段：
发电机失步保护的机理分析
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失步时，电流、电压以及有功和无功功率都有大幅度的波动。电压的波动严重地影响 用户，尤其是振荡中心在发变组内使机端的电压波动最大，它会导致厂用电辅机的工 作破坏。例如给煤或给油的电动机速度下降，使供应燃料减少，将导致锅炉灭火，等 电动机速度再恢复后，向热炉内投入燃料，可能导致炉镗爆炸。失步过程中，发电机 电势与系统电势夹角增到时，电流有效值接近机端三相短路电流值，虽比后者略小， 但振荡电流是重复性的，所以也同样严重。重复出现的振荡电流一方面使定子绕组端 部受到很大的应力作用，可能造成机械损伤；另一方面，电流的发热作用，如果持续 时间较长，也会使定子及转子绕组造成损坏。 失步情况，通常是先发生短路，紧接着跳闸，随后导致失步，这些都会对轴产生冲 击．例如发电机近处发生三相短路时，发电机输出有功突然降低，透平机组力矩的突 然不平衡产生了轴的扭转振荡，故障切除后，发电机与系统电压差造成很大的定子电 流，又要产生很大的制动力距，它叠加在上述扭转振荡力矩上因而可能使大轴造成严 重损伤。 发电机失步保护应能满足如下要求： 1）可恢复的振荡时不动作跳闸。通常发电机与系统电势间相角摆开最大不超过时便是 稳定振荡，即为可恢复的振荡，而不致于失步。 2）在检出失步而跳闸瞬时，发电机与系统电势间相角差不应太大。如此角等于，则在 断路器断开时，恢复电压理论上可达四倍额定相电压值(考虑到断口间并联电容的作用)， 将不利于遮断电流。 3）能区别短路与失步，短路时则不应动作。
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项目的意义
• 通过合理设置涉网定值的方式来减少发电
厂内部故障对电网的影响，减少电网故障 对发电厂的影响，这无论是对发电厂还是 对电网公司都会有很重要的意义。
主要内容
• 1.安徽电网数据的建立 • 2.涉网定值的机理分析 • 3.涉网定值的建模 • 4.对涉网定值动作特性的分析 • 5.对涉网定值关于机网协调的计算及分析 • 6.对涉网定值的结论及建议
逆无功式失磁保护的UD模型
失磁保护UD模型和UP模块的组合
原理：失步保护的双透镜原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
双透镜失步保护的原理分析
• 见原理图(图中整定部分忽略了线路电阻) R1，R2，R3，R4将阻抗平
面分为0-4共五个区，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。减速失步时测量阻抗轨迹从-R向+R方向变 化，0-4区依次从左到右排列。当测量阻抗从右向左穿过R1时判断为 加速，当测量阻抗从左向右穿过R4时判定为减速。然后当测量阻抗穿 过1区进入2区，并在1区及2区停留的时间分别大于t1和t2后，对于加 速过程发加速失步信号，对于减速过程发减速失步信号。加速失步信 号或减速失步信号作用于降低或提高原动机出力。若在加速或减速信 号发出后，没能使振荡平息，测量阻抗继续穿过3区进入4区，并在3 区及4区停留的时间分别大于t3和t4后，进行滑极计数。当滑极累计达 到整定值N。即出口跳闸。 • 无论在加速过程还是在减速过程，测量阻抗在任一区(1-4 区)内停留 的时间小于对应的延时时间(t1-t4)就进入下一区，则就判定为短路， 失步保护就不应该动作。当测量阻抗轨迹部分穿越这些区域后以相反 的方向返回，则判断为可恢复的振荡(或称稳定振荡)，失步保护也不 动作。
析 • 发电机过励磁和过电压保护的机理分析 • 励磁系统的相关分析
发电机保护的总体分析
• 由于大型发电机组在整个国民经济活动中的重要地位，因
此，在考虑大机组继电保护的总体配置时，强调最大限度 地保证机组安全和最大限度地缩小故障破坏范围，尽可能 避免不必要的突然停机，对某些异常工况采用自动处理装 置，特别要避免保护装置误动作和拒绝动作。这样，不仅 要求有可靠性、灵敏件、选择性和快速性好的保护继电器， 还要求在继电保护的总体配置上尽量做到完善、合理，避 免繁琐、复杂。在系统或机组发生故障时，必须有性能完 善的继电保护装置，最大限度地减轻机组的损伤和保持系 统的安全运行。 大型发电机组为了针对发电机低励、失磁故障，配置了失 磁保护；针对定子绕组过电压的危害，装设过电压保护； 针对发电机失步，配置了失步保护；针对低频运行对汽机 叶片的危害，配置了低频保护等等。以下将会这上述的这 些保护配置的机理分别进行阐述。
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发电机失磁保护的机理分析
• 发电机失磁及部分失磁是发电机常见故障之一。对电力系统来说，发电机发
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生低励和失磁后所产生的危险，主要表现在以下几个方面： 其一，失磁的发电机，从电力系统中吸收无功功率，引起电力系统的电压下 降，如果电力系统中无功功率储备不足，将使电力系统中邻近的某些点的电 压低于允许值，破坏了负荷与各电源间的稳定运行，使电力系统因电压崩溃 而瓦解。 其二，当—台发电机发生失磁后，由于电压下降，电力系统中的其他发电机， 在自动调整励磁装置的作用下，将增加其无功输出，从而使某些发电机、变 压器或线路过电流，其后备保护可能因过电流而动作，使故障的波及范围扩 大。 其三，一台发电机失磁后，由于该发电机有功功率的摆动，以及系统电压的 下降，将可能导致相邻的正常运行发电机与系统之间，或电力系统的各部分 之间失步，使系统产生振荡，甩掉大量负荷。 发电机的额定容量越大，在失磁时，引起的无功功率缺额越大。电力系统的 容量越小，则补偿这一无功功率缺额的能力越小。出此，发电机的单机容量 与电力系统总容量之比越大时，对电力系统的不利影响就越严重。
失步保护的UD模型
失步保护UP程序的流程图
低频减载的UD模型
发电机频率异常保护的UD模型
过励磁保护的机理分析
• 由于发电机或变压器发生过励磁故障时并非每次都造成设
备的明显破坏，往往容易被人忽视，但是多次反复过励磁， 将因过热而使绝缘老化，降低设备的使用寿命。我国继电 保护规程规定，500kv变压器对频率降低和电压升高引起 的铁芯工作磁密过高和300 Mw及以上发电机应装设过励 磁保护。 发电机和变压器都由铁心绕组组成，设绕组外加电压为U (V)，匝数为W，铁芯截面为S(m2)，磁密为B(T)，则有 U=4.44FWBS，式中f为电压频率。因为W、S均为定数， 故可写成B=KU/f。式中，K=1/4.44WS对每一特定的变压 器，是为定数。
3.涉网定值的建模
• 发电机失磁保护的建模 • 发电机失步保护的建模 • 低频减载及发电机频率异常保护的建模 • 发电机过励磁和过电压保护的建模
原理：逆无功式失磁保护出口逻辑
逆无功式失磁保护的原理分析
• 当发电机无功倒流同时又定子过流时，过负荷元件、过电流元件和逆
无功元件同时动作，此时若负序电压元件动作，则说明逆无功和过电 流不是由于失磁引起的，将“与 1”和“与 2”闭锁，保护不动作。若 负序电压元件不动作 说明发电机已经失磁， • 此时装置应发什么指令，还要由其它条件决定： a) 若系统电压降到 整定值以下，表明失磁影响系统运行的稳定性，此时“与 5”开放，经 延时发切机命令。 b) 若发电机机端电压降到整定值以下，表明失磁 影响厂用电，此时“与4”开放，经延时发切换厂用电命令。 c) 在发 电机失磁，定子电流达到过负荷值时，先进行减有功。为了消除由于 定子电流摆动而延缓减有功的速度，当 t1 动作之后，立刻反馈一信 号给“或 1”使得减有功连续进行，直到有功减到定值以下为止。 d) 当发电机空载或在很小的负载下失磁，发电机的定子电流可能小于定 值，但无功一定进相，此时装置只发“进相”信号。 • PSASP用户自定义的开发主要有UD建模的方式和UP编程的方式。逆 无功式失磁保护将需要利用这两种方式来进行建模。根据保护的出口 逻辑，建立了UD模型。由于UD模型的一些局限性，不能完全实现计 算过程中所需要的所有功能，在这里主要是缺少实现失磁保护减出力 过程，我们需要利用UP程序来实现这个功能。
正常运行时，如系统产生正常的有 功缺额，可以通过对有功功率的调 节来保持系统频率在额定值附近。 • 但是在事故情况下，系统有可能产 生严重的有功缺额，因而导致系统 频率大幅度下降。这是因为所缺功 率已经大大超过系统热备用容量， 系统中已无可调出力以资利用，因 此只能在系统频率降到定值以下时， 采取切除相应用户的办法来减少系 统中的有功缺额，使系统频率保持 在事故允许的限额之内。这种办法 称为按频率自动减负荷。
1.安徽电网数据的建立
• 将BPA数据进行转化为PSASP数据，对部分
参数进行辨识
• 得出各种涉网定值的数学模型及其参数 • 对省内10台大机组建立了详细的PSASP励磁
系统模型
2.涉网定值的机理分析
• 发电机保护的总体分析 • 发电机失磁保护的机理分析 • 发电机失步保护的机理分析 • 低频减载和发电机频率异常保护的机理分