一种失磁保护原理

一种失磁保护原理

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第31卷第22期

2019年11月25日Vol. 31 No. 22

Nov. 25, 2019

同步发电机失磁保护的改进方案

林莉1, 牟道槐1, 孙才新1, 马超2, 成涛3

(1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆市400044)

(2. 重庆市电力公司调度通信中心, 重庆市400014; 3. 重庆市电力公司北碚供电局, 重庆市400700)

摘要:在电力系统继电保护中, 同步发电机失磁保护是最为重要的保护之一。励磁故

障涉及发电

机的大干扰稳定性, 也是一个较为复杂并难以解决的问题。目前所用的励磁保护的动作效果并不理想, 尚需进一步改进。分析了目前所用的3种励磁保护判据存在的不足, 指出这些保护判据或基于小干扰稳定性原理而未考虑发电机动态功角特性的严重变形, 或未考虑发电机完全失磁后的测量阻抗与正常励磁下扰动后的测量阻抗具有较大的公共区间, 从而可能使保护误动或拒动。基于对同步发电机失磁后动态行为的仿真分析, 提出了同步发电机失磁保护的改进方案, 通过直接测量功率角判断同步发电机的失磁故障, 提出了其整定条件和计算方法。仿真计算证明该方案能可靠、快速地反映各种励磁故障, 动作稳定且整定灵活、方便。关键词:同步发电机; 励磁系统; 失磁保护; ; 中图分类号:TM614; TM772

0 引言

磁, , 。统计数据表明, 励磁故障约占发电机总故障的60%以上[122]。因此, 更深入地研究发电机励磁故障特征, 提高发电机励磁保护与控制水平, 对保证机组本身和电力系统的安全稳定具有十分重要的学术意义与工程实用价值。

在电力系统继电保护中, 发电机失磁保护是最为重要、复杂的保护。目前, 以定子回路参数特征为判据的失磁保护通常在阻抗平面上实现, 用机端测量阻抗来反映励磁故障仍是当前同步发电机失磁保护的主流, 具体可反映励磁故障后出现的如下3种状态:①发电

机大量吸收无功; ②功率角越过静稳定边界; ③发电机进入稳定的无励磁运行状态, 机端测量阻抗的轨迹进入异步边界。由此可鉴别发电机是否失磁。

目前, 大容量发电机失磁保护判据有3种[228]:①静稳极限阻抗圆判据; ②静稳极限有功与最小励磁电压关系判据; ③异步边界阻抗圆判据。本文通过对励磁故障后发电机端的相关参数的变化进行仿真计算分析后发现, 这些判据都存在一些不足。

现行发电机失磁保护的阻抗分析, 其实质也在于反映功率角和转差率的变化。这种间接测量功率角和转差率的方法使保护的灵活性下降, 受到很多限制。

收稿日期:2019203222; 修回日期:2019207201。

, 励磁故障后发电机的行为是一个十分复杂的过程。采用直接测量功率角的发电机失磁保护, 其优势不仅在于将间接测量改为直接测量, 而且是按稳定性原理, 在分析励磁部分消失或完全消失后发电机的行为特征基础上, 提出灵活的保护与控制策略, 因而可使发电机失磁保护更加完善。

1 同步发电机现行失磁保护判据分析

1. 1 由等无功阻抗圆表达的静稳定边界判据

此判据用于隐极发电机, 以临界功率角δcr =

π/2为条件, 得到发电机静稳定阻抗边界见图1[1]。图中:Z G 为临界状态下发电机端测量阻抗; φS 为临界状态下等效无穷大系统母线处的功率因数角; X t 为输电网络的等效电抗; X d 为发电机的同步电抗

。

图1 静稳极限阻抗圆

Fig. 1 Imped ance circle at the static stability limit

・研制与开发・林莉, 等同步发电机失磁保护的改进方案89

实际上, 由于汽轮发电机具有很强的产生异步

功率的能力, 特别是对于大容量机组, 在1%转差率之内, 异步功率即可达到发电机的额定功率[9], 因此, 这种忽略了异步功率的判据存在相当大的误差。

附录A 给出了汽轮发电机失磁后动态功角特性的仿真计算结果。仿真分析表明, 励磁衰减和异步功率的出现使发电机的动态功角特性已完全不是正弦曲线, 临界功率角已显著向前移动。1. 2 由励磁电压与有功的函数关系表达的静稳定边界判据

凸极同步发电机发出的有功功率P e 可分解为励磁功率分量P L 和反应功率分量P F :

(1) P e =P L +P F

P L =

P F

sin δS

X t +X d

2

图2 忽略X 2的等值电路

Fig. 2 Equivalent circuit ignoring X 2

(2) (3)

δ=sin 2S

2(X t +X d ) (X t +X q ) (d q ) P t =

2(X t +d (t 2

计算转差率变化时图2虚线框内测量阻抗的变化轨迹的方法是:对于一个给定的电压U , 当s 从0向∞变化时, 其有功P 变化而无功Q 不变, 因此, 虚线框内的阻抗轨迹是一个等无功阻抗圆, 该圆的直径是X a d , 圆心坐标是(0, -j X a d /2) 。

在圆心纵坐标上叠加-j X 1X 2

记反应功率的峰值为P t , 其计算公式为:

)

P e [10212]:

E q min =P e 3

U S sin δcr

δcr =arcsin 2

3

3

2

1+

2

2

+

2

27

+

(5)

图3 忽略X 2的异步阻抗圆

Fig. 3 Imped ance circle at the asynchronous

bound ary ignoring

X 2

k =

P t

2

1-+

显然, 此判据与前述由等无功阻抗圆表达的静稳定边界判据的保护原理相类似, 会产生相同问题。此外, 此种保护判据还存在下述问题:

1) 以励磁电压为判据, 不能反映励磁回路电阻异常(如接触不良或绝缘损伤) 引起的故障。

2) 励磁一定时, 发电机接入系统的等效电压和传输阻抗的变化将使发电机的临界功率发生变化。1. 3 由等无功阻抗圆表达的无励磁异步运行状态的动作判据

此种保护判据就是通常所说的异步边界阻抗圆判据, 是当前大容量汽轮发电机组失磁保护广泛采用的判据。