发电机失磁保护和失步保护的冲突与协调

发电机失磁保护和失步保护的冲突与协调

徐　健,徐　金,王　翔

(南京南瑞继保电气有限公司,江苏省南京市211100)

摘要:发电机失磁和失步保护都运用故障时的阻抗变化轨迹特性作为阻抗判据,因而两者的动作

阻抗区域可能会有部分重叠,造成失磁和失步保护的逻辑运算冲突。文中提出通过修正阻抗圆或增加方向闭锁判据来解决失磁和失步保护在阻抗坐标平面第三象限可能会发生冲突的问题,具体做法是削去失磁阻抗的左半圆或者在阻抗坐标平面第三象限通过判断阻抗变化方向来防止失磁保护在失步故障时抢动。

关键词:失磁保护;失步保护;阻抗动作特性;冲突;协调中图分类号:TM772

收稿日期:2006212208;修回日期:2007203227。

0　引言

由于现在的发电机都允许一定程度的进相运行,一般选择异步圆作为失磁保护的动作阻抗区域。一旦发电机的测量阻抗进入失磁保护阻抗圆且其他辅助判据也满足,则经一小的延时失磁保护即动作。失步保护所用动作阻抗区域为一叶形区域,发电机和系统间发生失步振荡时,一旦测量阻抗变化曲线顺序穿过叶形区域的次数达到允许穿越的最大次数时,失步保护即动作,但如果阻抗变化轨迹在穿越失步区域次数不满足动作条件之前已穿进失磁异步圆并停留较长时间时,失磁保护就可能抢先动作。失磁保护除了阻抗判据外还有其他一些判据,其中用于区分失磁和失步故障的判据是失磁保护的转子电压判据。转子电压降低是失磁故障的一个显著特征,但对于无刷励磁机组,转子电压根本无法测得,而对于有刷励磁机组,在失磁保护的几段保护中,可能有1段或2段用户选择不采用转子电压判据,所以单独分析比较失磁和失步保护的阻抗判据还是非常有必要的。

本文研究的失步故障主要是指在发电机有励磁情况下发生的系统振荡,通过对发电机失磁和失步保护的特性进行仔细分析,提出可以协调解决2个保护冲突问题的方法[128]。

1　失磁和失步保护阻抗动作特性分析

111　失磁保护阻抗动作特性

发电机失磁保护主要通过判断测量阻抗的位置是否进入阻抗圆来监测发电机失磁故障,一些辅助

判据包括转子电压、无功反向等。本文主要研究失磁和失步保护的阻抗判据可能存在的冲突,不考虑其他辅助判据的影响。选用异步圆作为失磁保护阻抗圆,当发电机发生失磁故障时,机端电压等级无法维持,发电机输出无功下降,电压和电流的夹角发生变化,电压相位从正常情况下超前电流相位30°左右减小至0°。如果发电机输出无功不能在短时间内提高,发电机就会进入进相运行状态,从系统吸收无功,电压相位变为滞后于电流相位。在此过程中,发电机测量阻抗的变化趋势为从阻抗坐标平面的第一象限逐渐减小,穿过横轴进入第四象限。进入第四象限后的测量阻抗一旦进入设定好的异步阻抗圆,失磁保护经一小的延时就动作。

对于不同机组的不同工况,失磁故障后发电机测量阻抗的变化轨迹是不一样的,但大体趋势相同,大部分都是从阻抗坐标平面的第一象限直接进入第四象限,不穿过第二和第三象限,偶尔也有一些阻抗变化曲线会在进入第四象限后拐进第三象限,但进入第三象限的深度都很小,而且都会很快再返回第四象限。失磁故障后几种阻抗变化趋势如图1所示[1]。图中:a 为失磁保护异步阻抗圆;b 为阻抗圆右半圆中的椭圆区域;曲线1,2,3为具有代表性的失磁阻抗轨迹曲线;曲线1为灭磁开关误动造成失磁的阻抗变化趋势,在失磁后013s ～015s 进入异步圆a ,在015s 以后进入椭圆b ;曲线2为故障前励磁较低(进相运行)造成失磁的阻抗变化趋势,在失磁后012s 前进入异步圆a ,在015s 左右进入椭圆b ;曲线3为故障前轻载、励磁绕组短路造成失磁的阻抗变化趋势,在失磁后3s ～4s 才进入异步圆a ,在415s ～5s 进入椭圆b 。所有失磁情况下的阻抗曲线最终会进入椭圆b [1]。文献[1]中提及用椭圆b

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6第31卷　第17期

2007年9月10日

Vol.31　No.17

Sept.10,2007

作为失磁保护阻抗动作区域,因为失磁故障后阻抗

的变化曲线最终总会落在椭圆b 内。但由于b 的椭圆方程不是常规方程,不容易确定,而且b 太小可能会影响保护的可靠性,所以微机保护装置很少采用椭圆b 作为失磁保护的动作区域

。

图1　失磁故障的几种典型机端阻抗轨迹Fig.1　Typical imped ance trajectories

for loss 2of 2excitation

112　有励磁情况下失步保护阻抗动作特性

发电机在有励磁情况下发生系统振荡时,机端阻抗的变化曲线如图2中的曲线5和曲线6。曲线4为失磁故障时的机端阻抗变化趋势。可以看出,在有励磁情况下发生失步振荡时,阻抗曲线在进入异步圆a 之前先进入阻抗坐标平面的第三象限,曲线5、曲线6和曲线4的明显区别在于曲线5和曲线6是在第三象限进入异步圆a 的,而失磁故障阻抗曲线很少进入异步圆a 的左半圆,在左半圆内可能会发生失磁保护在失步故障时抢动的情况

。

图2　机端振荡和失磁轨迹比较

Fig.2　Comparison of imped ance trajectories for

out 2of 2step and loss 2of 2excitation

失步保护的阻抗判据如图3所示。保护采用三元件失步继电器动作特性,第1部分是透镜特性,如图中曲线1,它把阻抗平面分成透镜内的部分I 和透镜外的部分O ;第2部分是遮挡器特性,如图中曲线2,它把阻抗平面分成左半部分L 和右半部分R 。2种特性结合,把阻抗平面分成L O ,L I ,R I ,R O 共4个区域。阻抗轨迹顺序穿过4个区域(L O →L I →R I →R O 或R O →R I →L I →L O ),并在每个区域停留时间大于一限定时间,则保护判为发电机失步振荡。每顺序穿过一次,保护的滑极计数加1,到达整定次数,保护动作

。

图3　失步保护阻抗判据

Fig.3　Imped ance criterion for out 2of 2step protection

第3部分特性是电抗线,如图中曲线3,它把动作区域一分为二,电抗线以上为Ⅰ段(区域U ),电抗线以下为Ⅱ段(区域D )。阻抗轨迹在电抗线以下顺序穿过4个区域时,认为振荡中心位于发变组内;位于电抗线以上,认为振荡中心位于发变组外。2种情况下的滑极次数可分别整定。

2　2种保护冲突的产生

2种保护的阻抗动作区域的一种可能的相对关

系如图4所示。异步圆为图4中的区域a ,失步保护所限定的阻抗区域为图4中的区域c 。图4中,如果失步故障时的阻抗变化曲线6在顺序穿过一次区域c 之前已经进入失磁保护的异步圆a ,且失磁保护的延时不够长,则失磁保护就可能抢先动作。图4中的曲线5也是失步故障的一条典型阻抗变化曲线,它在进入第四象限之前没有能够顺序穿过一次c 的区内区域,这种情况下失磁保护也可能会抢先动作,而现在发生的不是失磁故障,是失步故障。目前的定值整定计算为了更大范围地保护发电机,更关心区内振荡情况,Z a 往往比较小,Z b 比较大。

综上所述,如果发生上述情况,失磁保护就有可

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