（电力系统及其自动化专业论文）发电机失磁保护新判据的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电机失磁保护新判据的研究，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纽垫e t 霸；垫立：! ：监 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) e t 期：边：! ：丝 e t 期：2 哩2 ：沙 华北电力大学硕士学位论文 1 1 大型发电机的特点“2 1 第一章引言 发电机是电力系统中重要的电气设备之一。发电机的安全经济运行，对保证电 力系统的稳定性和不间断供电具有十分重要的意义。目前，我国电力系统已经进入 大机组，高电压的发展阶段。随着电力工业的发展，发电机的单机容量不断扩大， 大容量发电机所占的比重不断增加，火电已经有1 0 0 0 m w 机组的投产运行。 与中、小型机组相比，大机组具有造价低，运行效率高，经济效益明显等特点。 但同时也带来一些新的问题，由于大机组采用了比较复杂的冷却方式，使得机组的 故障率提高；由于机组有效材料利用率的提高，体积相对缩小，熟容量相对降低， 使机组承受过负荷的能力显著下降。另外，大型发电机组同时具有短路比减小，电 抗增大，时间常数增大，惯性时间常数相对减小，易于失步等特点。因此，要不断 改进和完善继电保护的功能，采取较为完善的保护配置方案，最大限度的保证电力 系统安全运行，并将故障和不正常运行方式对电力系统的影响限制到最小范围。 大型机组失磁时的阻抗参数会发生较大的变化，主要表现在同步电抗、暂态电 抗、次暂态电抗等参数的普遍增大，定子绕组和转子绕组的电阻参数相对减小，这 样就使得发电机组的平均异步转矩的降低，中小型发电机组的平均异步转矩的最大 值可达到额定转矩的2 3 倍，而大型机组一般等于或低于额定值。因此，大型机 组失磁时异步运行的滑差大，从系统吸收的感性无功多，允许异步运行的负荷小， 时间短。另外，由于大型发电机的短路水平降低，定子非周期电流的衰减变慢，从 而恶化了电流互感器的工作特性，加重了不对称短路时转子表层的附加发热，非周 期电流的长期存在使暂态短路电流在若干周期不过零点，造成保护的灵敏度下降。 大型机组同步电抗的增加，也使得发电机的静稳储备系数减小，在系统受到干扰或 发电机发生失磁故障时，很容易失去静态稳定。 1 2 失磁的现象和危害n 3 川 据我国1 9 8 2 1 9 8 5 年4 年内对i o o m w 及以上机组的故障统计中，失磁故障占 发电机全部故障的6 0 ，居各类故障首位，根据1 9 8 9 1 9 9 7 年全国发电机失磁保 护和全部保护动作次数统计，失磁保护动作次数最多，而且误动次数呈现增加的趋 势，严重影响大型机组的安全运行。1 9 9 1 年颁布的继电保护和安全自动装置技术 规程明确指出“i o o m w 以下，失磁对电力系统有重大影响的发电机和i o o m w 及以 上的发电机，应装设专用的失磁保护。对6 0 0 m w 的发电机可装设双重化的失磁保 华北电力大学硕士学位论文 护”。 发电机失磁是指正常运行的发电机励磁电流全部或部分消失，引起失磁的原因 有很多：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某 些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。失磁是发电机常见的故障形式，特别是 大型机组，励磁系统的环节比较多，增加了发生失磁的机会。发电机失磁后，励磁 电流将逐渐衰减至零，发电机的感应电势e d 随着励磁电流的减小而减小，电磁转矩 将小于原动机的转矩，因而转子加速，使发电机的功角8 增大。当功角占超过静态 稳定极限角时，发电机与系统失去同步。发电机失磁后将从系统中吸取感性无功供 给转子励磁电流，转子出现转差，在定子绕组中感应电势，定子电流增大，定子电 压下降，有功功率下降，无功功率反向并且逐渐增大；在转子回路出现差频电流； 电力系统电压下降及某些电源支路过电流，发电机的各电气量不断摆动，威胁发电 机和系统的安全运行。 1 2 1 发电机失磁对电力系统的危害 ( 1 ) 低励或失磁的发电机，将从电力系统吸收无功功率，从而引起电力系统电 压下降，如果电力系统容量较小或无功功率的储备不足，则可能使发电机的机端电 压、升压变压器高压侧的母线电压、或其它邻近点的电压低于允许值，从而破坏了 负荷与电源间的稳定运行，甚至可能使电力系统因电压崩溃而瓦解。 ( 2 ) 当一台发电机发生低励或失磁，由于电压下降，电力系统的其它发电机在 自动调整励磁装置的作用下，将增加其无功功率输出，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，故障范围也因此有可能扩大。 ( 3 ) 当一台发电机发生低励或失磁，由于该发电机有功功率的摆动，以及系统 电压的下降，可能导致相邻正常运行发电机与系统之间，或电力系统各部分之间失 步，使系统产生振荡，大量甩负荷。 ( 4 ) 发电机额定容量越大，在低励或失磁时，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就越小。因此，发电机的单机容 量与电力系统的总容量之比越大时，对电力系统的不利影响越严重。 1 2 2 发电机失磁对发电机本身的危害 ( 1 ) 由于出现转差，在发电机转子中出现差额电流。差频电流在转子回路产生的 损耗，如果超出允许值，将使转子过热。而流过转子表层的差频电流，还可能使转 子本体在与槽楔和护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤。 ( 2 ) 低励或失磁的发电机进入异步运行后，发电机等效电抗降低，从系统吸收 2 华北电力大学硕士学位论文 无功功率增加。低励或失磁前带的有功功率越大，转差就越大，等效电抗越小，所 以吸收的无功功率就越大。在重负荷失磁后，由于过电流，将使发电机定予过热。 ( 3 ) 对于直接冷却高利用的大型汽轮发电机，其平均异步转矩的最大值较小，惯 性常数相对较低，转子在纵轴和横轴方面，也呈现较明显的不对称。对于这些原因， 在重负荷下失磁后，这种发电机的转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动。在这 种情况下，将有很大甚至超过额定值的电磁转矩周期性作用到发电机轴系上，并通 过定子传递到机座上。此时，转差也将作周期性的变化，发电机周期性严重超速。 这些情况，都威胁着机组的安全。 ( 4 ) 发电机低励或失磁运行时，定子端部漏磁增强，将使端部的部件和边段铁 芯过热。 由于发电机低励或失磁对电力系统和发电机本身的上述危害，为保证电力系统 和发电机的安全，必须装设低励一失磁保护，以便及时发现低励或失磁故障并采取 必要措施。特别是水轮发电机不允许失磁异步运行。随着机组的单机容量日益增大， 失磁保护越来越显得重要，加强失磁保护的研究，找到一个合理而可靠的失磁保护 方案是非常必要的。 1 3 发电机失磁保护的研究现状 在发电机上装失磁保护的问题，很早以前就引起了电力系统专家或工程技术人 员的高度重视，有的国家早在四十年代就开始使用专门的失磁保护装置“1 。我国对 于采用直流励磁机的发电机，过去一直采用灭磁开关联跳发电机主开关的办法来联 锁，因灭磁开关误动可能出现的全失磁故障，立足点在保护发电机本身，这种反事 故技术措施一直延续下来。鉴于当代大型同步发电机的出现，灭磁开关误动不是唯 一的全失磁故障，还有多种形式的全失磁以及部分失磁故障，而且要从保护系统的 观点出发来考虑失磁保护，比如机组转异步运行后，总还可以向电网送出一定的有 功功率，尤其是大型机组送出的有功还相当大，这对维持系统有功负荷水平有一定 的好处，所以，当代对失磁保护判据的研究比较复杂了，既要考虑发电机的安全， 又要充分考虑向系统提供异步功率的时间，并利用这个时间让运行操作人员尽可能 排除故障并考虑将失磁失步后的机组恢复同步运行“，。 我国和原苏联一样，原先没有发电机的低励失磁保护，当灭磁开关动作，发电 机失磁时，由灭磁开关联跳发电机或发一变组断路器。6 0 年代我国某系统台i o o m w 汽轮发电机发生失磁故障时，由于运行人员不熟悉发电机失磁故障的物理现象和处 理对策，将健全发电机的励磁电压错误低减小，造成系统电压崩溃，大面积停电的 严重事故。以此为契机，各级电力部门和广大继电保护工作者开始重视并研究开发 华北电力大学硕士学位论文 了多种低励、失磁保护原理和装置“1 。 1 3 1 传统的失磁保护判据 发电机失磁保护中是一种比较容易误动的保护，防止失磁保护误动是失磁保护 所要解决的关键问题，实际中一般用的不只是一种判据。多年来国内外长期使用的 失磁保护判据归纳起来有以下几种： 1 、国外的失磁保护常用判据： s i e m e n s 公司等采用的主要是两种判据：一是分区导纳特性：二是通过发电机 容性无功功率的增大来确定低励或失磁”。 2 、国内的失磁保护常用判据： ( 1 ) 转子低电压判据：包括等励磁电压判据和变励磁电压判据 ( 2 ) 机端定子阻抗判据：包括异步边界阻抗圆特性和静稳边界阻抗圆特性 ( 3 ) 三相同时低电压判据：包括机端低电压判据和主变高压侧低电压判据 ( 4 ) 逆无功判据：通过逆无功和定子过电流判断失磁故障 以上是国内外发电机失磁保护的典型判据，不同产品的保护方案区别主要在于 保护出口条件、延时或判据问组合关系不同。 在发电机机端与主变高压侧发生各种短路故障以及系统发生振荡的情况下，失 磁保护采用以上的各种主判据都可能发生误动，因此，失磁保护往往是采用主判据 与辅助判据相结合的方式，失磁保护的逻辑出口比较复杂。失磁保护韵主要辅助判 据有： ( 1 ) 励磁电压下降 ( 2 ) 不出现负序分量 ( 3 ) 用延时躲过振荡 ( 4 ) 无功功率改变方向 长期以来，国内外广泛的采用机端测量阻抗构成失磁保护阻抗继电器，失磁保 护的主保护绝大部分为定子判据、转子低电压判据和三相同时低电压判据。定子判 据的主要特点：发电机失磁后，励磁电流减小，以电枢反应的效果反应到定子侧， 故定子侧反应的失磁在本质上只是反应转子侧励磁电流的减小。而转子系统是时间 常数较大的回路，发生突然性的失磁故障时，转子电压迅速降低，但励磁电流的衰 减却较缓慢。由于这种缓慢的励磁电流变化致使定子侧各参量从失磁开始变化到功 角8 = 9 0 。的阶段是渐变的，因而作为判断发电机是否失磁的定子判据在时间上有延 4 华北电力大学硕士学位论文 迟，其时间的大小取决于发电机的参数、运行方式及与系统联系的紧密程度，一般 为零点几秒至数秒。所以说，反应失磁故障的速度较慢。在实际应用中，考虑到定 子判据在系统振荡及短路等情况下误动，需采用辅助判据共同构成失磁保护，因而 实际动作时间更慢。目前对于参数较大的发电机，定子判据通常采用相位比较方案， 因此在实际应用中就会遇到系统发生频率变化时而产生误差。 系统三相同时低电压判据主要用来防止由发电机失磁故障引发的无功储备不 足情况下的系统电压崩溃。这种判据在系统容量较小、电厂与系统联系薄弱或系统 无功不足时，能可靠动作。高压侧母线三相电压严重下降将导致系统稳定运行的破 坏，因此必须快速跳闸。 微机保护多采用变励磁电压判据u f d ( p ) ，即在发电机带有功p 的情况下，根据 静稳极限所需要的最低励磁电压，来判别是否失磁。这种整定原则使变励磁电压判 据既采用了励磁电压作为辅助判据，又实现了以静稳边界为失磁保护主判据的要 求。正常运行情况下，励磁电压不会低于空载励磁电压；在发生失磁故障时该判据 灵敏度高，动作迅速，而在长线充电以及电压回路断线的情况下动作豹可能性菲常 小啪。 1 3 2 失磁保护新原理 近年来许多学者致力于失磁保护新方法和新判据的研究，以各种保护新原理形 成鲍失磁保护新判据也很多文献 8 用一个具有两个计算层的神经网络来区分同 步发电机的稳定和失磁通过选取一组表征运行状态的特征向量，经过加窗的傅立 叶变换后作为神经网络的输入，运用神经网络的模式识别功能来区分稳定和失磁。 网络有四个出口，用于区分正常还是故障；用于区分是失磁还是第一次摇摆过程的 不稳定；用于决定切除故障时间的长短；用于决定是因为励磁回路开路引起的失磁 还是短路引起的失磁。文献 9 】对发电机失磁保护薪刿据进行了探索，褥出了三个 新的判据：从无功等于0 到功角等于9 0 0 的时间内，失磁时有功功率对时间微分的 绝对值小于某个定值，系统振荡时有功对时间微分的绝对值大于这个定值；在功角 小于9 0 0 的时间内，失磁的发电机电势对时间的微分小于零，系统振荡时发电机电 势对时间微分的绝对值小于一个很小的门槛值；取系统一个最大的振荡周期t ，如 果在这段时间内。无功功率出现从负变为正的情况，则可判定为振荡，如果无功变 为负值后始终为负值，则可判定为发电机发生失磁故障。文献 1 0 由发电机p a r k 方 程式推导出发电机定子电量与功角的关系，并通过仿真计算验证了该关系式，从而 得到一种新的发电机失磁定子判据。在正常情况下0 c o s 万= c l 绞+ q 一c 3 鬈， 足、幺、u 。、艿分别为机端有功、无功、电压和功角，c l 、g ，g 为常数；令 华北电力大学硕士学位论文 矿= c i q 窖+ c 2 啦一q ，, k = c o s ，为静态稳定极限角，发电机失磁判据为： 皿 形。 1 4 失磁保护辅助判据在非正常情况下的工作情况 虽然以静稳边界、异步边界为判据的失磁阻抗继电器能正确鉴别同步发电机的 正常运行和失磁故障，但分析表明，外部短路故障、系统振荡，发电机长线充电、 发电机自同步并入系统和电压互感器断线时继电器都会误动作，为此，需要其他特 征量作为失磁保护的辅助判据，以便保证动作的选择性。 ( 1 ) 系统振荡过程中，振荡中心往往在升压变压器内或者迸入发电机内部，机 端阻抗的轨迹有可能穿过失磁阻抗继电器的动作区，导致装在机端的失磁阻抗继电 器很可能误动作。现有的失磁保护采用了延时的方法来躲过振荡的影响，这样就会 使保护的动作时间加长。 ( 2 ) 发电机外部发生短路故障时，发电机的功角会发生瞬间变化，有可能使功 角越过静态稳定极限角，造成失磁保护的误动。目前主要采取延时和负序闭锁的方 法来防止保护误动，但对于发生短路再发生失磁故障时，失磁保护就要拒动。 ( 3 ) 发电机经升压变压器向长线充电时，长线对地电容使发电机送出容性电流， 此时机端测量阻抗呈容性，可能进入失磁保护阻抗动作圆。而且，机组容量越小， 线路电压越高，则长线充电越容易造成失磁保护的误动作，可以用操作特征( 如控 制开关的状态) 来实现对失磁保护的闭锁。 ( 4 ) 自同步并列是将未加励磁的发电机投入系统，在尚未给上励磁的短暂间隔 内，失磁保护的阻抗继电器一定误动作，待给上励磁后，继电器才逐渐返回，因此， 失磁保护将影响自同步的正常操作，可采用在自同步并列操作前解除低励、失磁保 护装置的办法。 ( 5 ) 不论是一次还是二次电压回路断线，各种动作特性的失磁保护阻抗继电器 ( 尤其是按静稳边界整定的、9 0 0 接线方式的阻抗继电器) 均可能误动作。为此必须 增设电压回路断线闭锁元件来防止保护的误动作。如果失磁保护装置中已经有负序 电压闭锁元件或者具有励磁电压辅助判据，就不必再设电压回路断线闭锁的专用元 件。 表格卜1 是各种辅助判据在非正常方式下的工作情况，其中表格中的“+ ”表 示发电机在该种非正常运行方式下，对应的辅助判据能够可靠的防止失磁保护误动 作；同理，“一”表示不能防止失磁保护误动作；。”表示不能可靠地防止失磁 保护误动作“。 6 华北电力大学硕士学位论文 器 励磁低电压元负序元件延时元件电压回路断线操作闭镄 件 闭琐元件 非正常运行方式 短路故障+ 短路伴随振荡+ + 振荡 + 一 电压回路断线 + + 长线充电 + 自同步并列 + 表1 - 1非正常运行方式下各种失磁保护辅助判据的工作情况 通过上表可见，不论采用哪一种闭锁方式，均不能保证在各种非正常方式下可 靠地防止失磁保护误动作，因此一般采用两种或两种以上的闭锁方式作为失磁保护 的辅助判据。但对于防止振荡引起失磁保护误动作的有效方法，目前主要采取在保 护元件上增加延时元件。虽然延时方法可以有效地躲过振荡，但却使保护的动作时 间变长，牺牲了保护的速动性，为此，需要寻找一种能够快速区分振荡和失磁的保 护新判据研究失磁保护新判据，利用新的科学技术提出解决失磁保护的新方法，这 将推动发电机继电保护的进一步发展。 1 5 本论文的主要工作 1 、发电机低励、失磁保护在一定程度上起到了切除故障、保护发电机的作用， 但各种判据都存在着误动问题。尽管采用了励磁电压等辅助判据，但仍不能彻底消 除误动问题的影响。通过深入分析发电机失磁现象、物理过程和特征，探讨不同原 理保护判据之间的区别和联系，重点研究发电机失磁和系统振荡时机端阻抗的变化 规律，寻找新的保护判据。 2 、应用m a t l a b 中的s i m u l i n k 的电力系统模块库中的模块建立发电机一变压器一 线路一无穷大系统模型，对励磁失磁故障、短路故障、系统振荡故障进行了多种情 况的仿真，绘制故障后的电气量波形图，并对仿真结果进行分析，找出区分失磁故 障和系统振荡时发电机电气量的变化特征和规律。 3 、对各种判据进行研究分析，使多种判据做到优势互补，制定更为完整、更 为可靠的失磁保护新判据，避免了单一辅助判据不能适应各种异常情况的缺点和不 足，提高了保护的可靠性和快速性。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章发电机失磁和系统振荡的仿真和分析 众所周知，建立一个准确的控制对象的数学模型，是设计优良控制算法的关键 步骤。电力系统是由不同类型的发电机组、电力负荷和不同传输方式的输电线路所 构成的庞大和复杂的动力学系统。不仅如此，电力系统各环节和单元之间又具有复 杂的动力学特性，尤其是同步发电机包含有机、电、磁方面的过渡过程特性，这就 决定了电力系统模型是一个具有复杂非线性关系的高维状态方程组。所以在建立其 数学模型过程中，不可能十分精确的用数学语言加以描述，而只能根据建模的目的 和控制系统的机构及其工作条件做出一些假设，忽略一些次要因素建立其能够满足 工程需要的实用数学模型。 2 1 发电机数学模型的建立 2 1 1 发电机励磁系统的数学模型 励磁控制系统构成框图如下图所示，由励磁机、发电机、电压测量比较单元、 综合放大单元、功率放大单元等组成。 图2 - 1同步发电机励磁系统的数学模型 励磁机的传递函数为：q 2 i i 五1 i 石 ( 2 一1 ) 式中t 为励磁机时间常数：莲为饱和函数：鼍由励磁回路电阻和气隙特性的 斜率构成。 同步发电机的传递函数为：g g = 南 式中：乙为发电机空载转子时间常数k 为发电机的放大倍数 电压测量比较单元传递函数为：嚷= i 叁万 8 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中：z 为发电机空载转子时间常数墨为发电机的放大倍数 综合放大单元传递函数为：q = i 等右 式中：l 为放大单元的时间常数；k a 为放大倍数 功率放大单元传递函数为：呸= p t g z + l 式中：z 为最大可能滞后时间常数：丘为整流电路放大倍数 2 1 2m a t i a b 简介 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) m a t l a b 被誉为国际上仿真领域最权威最实用的计算机工具，具有强大的数值 计算功能和图形功能，具有和其他语言的接口；可在各类常用的计算机上运行，是 和机器类型和操作系统基本无关的。虽然m a t l a h 比一般高级语言豹执行效率要 低，但是其编程效率、可读性、可移植性，要远高于其他高级语言。m a t l a b 中的 s i m u l i n k 是一个庞大的仿真工具，s i m u l i n k 中的p o w e rs y s t e mb l o c k e t 电力系 统仿真模块功能强大，可用于电路、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供一 种类似于电路建模的方式进行模型描绘，在进行仿真前将自动将其变为状态方程描 述的系统形式，然后在s i m u l i n k 下进行仿真分析。本文就是通过搭建m a t l a l o 的 s i m u l i n k 中的电力系统各部分模块，建立发电机一变压器一无穷大系统模型，对 发电机的失磁故障进行仿真。 2 1 3 仿真应用到的典型模块“1 5 “们 ( 1 ) 同步发电机( s y n c h r o n o u sm a c h i n e ) m a t l a b 对其发电机模块的电磁回路计算采用的是六阶状态矢量方程，发电机模 型考虑到了定子的动态过程、励磁及阻尼绕组的影响；转子的参数和电气量都是归 算到定子侧计算的。计算方法是通过派克变换，由a b c 系统转到d q 系统进行计算。 需要设置的参数有转子类型、极对数、定子绕组阻抗、励磁绕组阻抗、阻尼绕组阻 抗、发电机容量、额定输出功率、额定线电压、频率、初始电流电压值、转子电角 度等。该模型可以输出：定子三相电流、d q 轴电流、d q 轴电压、励磁及阻尼绕组 电流、功角、转子转速和转差。 ( 2 ) 三相变压器( t h r e e - p h a s et r a n s f o r m e r ) 该模块使用三个单相变压器来仿真三相变压器，模块参数可以设定变压器的容 9 华北电力大学硕士学位论文 量、变压器的接线组别、中性点是否接地、原副边绕组的电压及变比、绕组阻抗和 漏抗数值、励磁电阻和励磁电抗，可以选择是否仿真变压器内部铁心饱和情况。 ( 3 ) 励磁系统( e x c i t a t i o ns y s t e m ) 励磁系统模块在电机模块采用发电机模式对可以调节发电机的机端电压，其基 本组成是电压调节模块和励磁模块。设置的参数有励磁系统模块传递函数的增益和 时间常数、调节器模块的增益和时间常数，暂态增益衰减时间常数，初始机端电压 和初始励磁电压( 为了使系统仿真时进入稳定状态，要设置恰当的初始值) ，励磁系 统模块的输入为发电机机端电压的d q 轴分量，输出为发电机的励磁电压信号。 ( 4 ) 汽轮机及调速器系统( s t e a mt u r b i n ea n dg o v e r n o r ) 由汽轮机模块、调速系统等模块组成，作为原动机输出给同步发电机功率，可 以设置的参数有：调速器的静态增益、时间常数、汽轮机的转速偏移衰减系数等 ( 5 ) 调节励磁装置 采用转换开关( s w i t c h ) 模块切换输入发电机的励磁电压，s t e p 是阶跃响应，用 来控制转换开关，从而实现改变励磁电压的目的。 2 1 4 发电机失磁的仿真模型“”1 图2 - 2 发电机失磁故障的仿真模型 l o 华北电力大学硕士学位论文 建立由发电机、变压器、线路、系统组成的失磁故障的仿真模型如图2 - 2 ，发 电机、变压器参数取自太原第一热电厂。仿真所用主要参数如下：发电机额定容量： 3 5 3 m v a 额定电压：1 8 k v 额定电流：1 1 3 2 k a 额定功率因数：0 8 5 额定转速： 3 0 0 0 r m i n 额定频率；5 0 h z 极对数：1 变压器额定容量：3 6 0 m v a 变比：1 8 2 4 2 “ 接线组别：i x y n 线路参数：r = o 4 0 k ml - 0 0 0 1 4 h k m 。 其中电力系统分析元件( p o w e r g u i ) 用来对仿真电路进行稳定分析，使得仿真从 稳态状态开始；示波器用于输出仿真的各个波形；发电机与变压器中间为测量模块 ( t h r e e p h a s ev im e a s u r e m e n t ) 用于观察发电机的机端电压与机端电流；三相序 分量分析元件( 3 一p h a s es e q u e n c ea n a l y z e r ) 用来从三相电压、电流中提取正序、 负序分量。仿真算法采用变步长适合刚性问题的o d e 2 3 t b 。 2 2 发电机失磁故障的仿真 2 2 1 失磁时励磁电压的变化 大型同步发电机失磁故障的种类很多，失磁时励磁电压的变化也有所不同。主 要包括以下几种：( 1 ) 灭磁开关误跳闸导致失磁( 2 ) 励磁回路开路导致失磁( 3 ) 励 磁回路短路导致失磁( 4 ) 他励静止硅整流方式下副励磁机衡压开路导致失磁( 5 ) 他励静止硅整流方式下副励磁机恒压短路导致失磁( 6 ) 他励静止硅整流方式下副 励系统自动调压器故障或硅整流系统故障导致失磁( 7 ) 副励磁系统开路导致失磁 ( 8 ) 副励磁系统短路导致失磁( 9 ) 主励磁系统硅整流故障及励磁调节器故障导致失 磁( 1 0 ) 以电动发电机为备励的电动发电机失压导致失磁。 由上可知，大型同步发电机由于励磁环节多，因而失磁的原因也很多，加到励 磁绕组上的电压因造成失磁的原因不同而有不同的变化规律。当灭磁开关动作或静 态励磁的交流电源消失时，由于自感反电动势的作用，励磁电压u f 在很短时间内反 极性；当励磁绕组突然短路失磁时，励磁电压u f 立即越变为o ，并保持不变；当消 弧栅切断失磁时，由于自感的作用，励磁电压u f 立即变为负值，并不断正负交变； 当备用励磁机交流电源消失时，励磁电压u f 逐渐下降，最后周期性正负变化；当励 磁绕组经整流器闭路引起失磁时，励磁电压u f 变为0 ，而后在o 和正值之间摆动。 总之，发电机失磁初期，励磁电压u f 或者突变到0 ，或者按指数规律下降到0 ， 或者先变到负值再缓慢上升。用式子表达，励磁电压大致有三种变化规律“。“”1 ： ( 1 ) 自动调整励磁装置故障，以及副励磁机回路故障造成失磁或汽轮发电机当 用电动发电机构成的备用励磁机运行交流电源消失，励磁电压按指数规律衰减，其 变化规律可用下式表示：c _ 【k ( o ) 一己( 。) e x p ( - t 咒) + u 肛扣) 华北电力大学硕士学位论文 其中：乙= z m 吃。吃。、上n 一是副励磁机的及副励磁绕组的电阻和电感。 汽轮发电机当用电动发电机构成的备用励磁机运行交流电源消失时，毛不仅决 定于励磁回路的参数，还与备用励磁机的惯性常数有关。因备用励磁机有相当大的 时间常数，所以这种失磁过程中励磁电压衰减缓慢。 ( 2 ) 发电机励磁回路短路导致失磁时：u 。= 0 。 ( 3 ) 磁开关误跳闸、他励静止硅整流方式、他励静止可控硅励磁方式、他励交 流机带静止可控硅励磁方式及旋转硅整流励磁方式下失磁，励磁电流经较短的时问 常数衰减为零，励磁电压则迅速为负值，之后，绕组中出现感应电压，使励磁电压 又逐渐变成正值，以典型的放电电阻灭磁方式下灭磁开关误跳闸为例，励磁电压的 变化过程为：k = 么( o ) c x p ( - t z ) 其中毛= 如( 如+ 如) ，、如是励磁线圈( 包括副励磁机) 电阻和电感，民是 放电电阻。 2 2 2 失磁的仿真图形 以下是分别对上面三种失磁情况下发电机的有功p 、功角万、功率因数角。以 及功角j 9 0 0 的机端阻抗进行仿真，同时，对失磁时发电机机端是否有负序分量也 进行了仿真验证。其中机端阻抗仿真取一定的时间段内的数据，仿真以各种失磁情 况下不同的励磁电压作为输入量，失磁前发电机带额定有功功率稳定运行，仿真时 间取6 秒。 ( 1 ) 励磁绕组短路造成失磁 。 。n ( a ) 功角 1 2 ( b ) 功率因数角 华北电力大学硕士学位论文 f ( 标么值) ( c ) 机端阻抗 互 攫 一 ( d ) 负序电压 图2 3 励磁绕组短路失磁的仿真波形 ( 2 ) 励磁开关误跳闸造成失磁 ? 。 f 捌 ! j 皋 、， 羞 ( a ) 功角 r ( 标么值) ( c ) 机端阻抗 越 v 暖 回 i 蟊 三 暑 警 ( b ) 功率因数角 ( d ) 负序电压 图2 - 4 励磁开关跳闸失磁时的仿真波形 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 他励静止硅整流方式下副励磁机衡压开路造成失磁 套 整 羞 ( a ) 功角 ( c ) 机端阻抗 ( b ) 功率因数角 ( d ) 负序电压 图2 - 5他励静止硅整流方式下副励磁机衡压开路失磁的仿真波形 由上面失磁仿真图形可以看出，并网运行的发电机失磁后初始短暂阶段，由于 转子有惯性，功角艿变化很小，但随后原动机输给转子的机械转矩大于输出有功所 对应的制动转矩，在机轴上产生过剩转矩，转子逐渐加速，功角万随时间而持续上 升，当功角占增加到静态稳定极限时，发电机临界失步，此后功角急速上升，发电 机进入异步阶段。 由于发电机失磁开始时转子的惯性，使得转子的转速在失磁的初始不能突变， 因而根据转子转速的改变才起调节作用的原动机调速器就不能立即动作，又加上原 动机的调速器本身的调节作用有不可避免的迟后，所以在此阶段原动机的输入功率 还不可能有显著的变化，失磁发电机输出的有功功率也无显著的变化，基本上保持 一个等有功过程，发电机的无功功率随着功角万的增大，由正值变为负值，即由原 来的输出电感性无功逐渐变为吸取无功的进相运行状态，功率因数角中由滞后的角 度逐渐减小到零，再变为导前的角度。 2 3 系统振荡故障的仿真 1 4 华北电力大学硕士学位论文 当电力系统受到扰动时，并列运行的两部分系统( 发电机和系统) 可能要发生振 荡，无论是稳定振荡( 万角摆动范围不超过1 8 0 0 ) 还是非稳定振荡( 占角摆动范围超过 1 8 0 0 ) ，发电机功角艿都会在o o 3 6 0 0 之间不停摆动，很可能引起失磁保护的误动。 系统稳定振荡一般是发电机受到微小的干扰造成的，发电机的转速围绕同步转速而 周期性变化，发电机的功角艿和功率因数角。也会及进行周期性的小值变化。而发 电机的非稳定振荡一般是发电机受到大的干扰造成的，同步发电机可能受到的干扰 的原因很多，一般可归结以下几种：( 1 ) 负荷的突变( 2 ) 传输线路或变压器被切除 ( 3 ) 相邻的发电机的切除( 4 ) 短路故障，包括单相接地故障、两相短路故障和三相 短路故障。其中短路故障造成系统振荡较多，尤其是三相短路时机端电压急剧下降， 会使发电机和系统之间的联系大大减弱，破坏系统的稳定性o “2 1 o 下面分别对系统 稳定振荡和非稳定振荡时发电机的功角万、功率因数角。以及在功角8 s 9 0 0 的机端 阻抗进行仿真。仿真基本模型仍采用上述失磁仿真的模型，采用三相断路故障发生 器切换线路元件模拟振荡故障，模型中各模块的参数保持不变，发电机仍带额定功 率稳定运行。因系统振荡引起发电机失去稳定的时间可能较长，发电机仿真记录波 形时间取8 秒。 2 3 1 系统稳定振荡的仿真 ( a ) 功角 ( c ) 机端阻抗 世 v 般 藏 目 静 雷 图2 - 6 稳定振荡仿真 时间( s ) ( b ) 功率因数角 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 系统非稳定振荡的仿真 ( 1 ) 主变高压侧出口甩掉总负荷的三分之一 ( a )功角 ( c ) 机端阻抗 划 v 援 赫 困 * 奄 时可6 ) ( b ) 功率因数角 图2 7 主变高压侧出口甩三分之一负荷时非稳定振荡仿真 ( 2 ) 主变高压侧出口甩掉总负荷三分之二 冀 _ 矗 ( a )功角 1 6 世 v 曩 妊 暇 埒 6 ( b ) 功率因数角 华北电力大学硕士学位论文 鼍 螈 、， 兰 r ( 标么值) ( c ) 机端阻抗 图2 - 8 主变高压侧出口甩三分之二负荷时非稳定振荡仿真 ( 3 ) 发电机出口两条线路，线路阻抗相同，甩掉一条线路 ( a ) 功角 r ( 标么位) ( c ) 机端阻抗 毪 v 娥 妊 园 静 雷 ( 1 ，) 功率因数角 图2 - 9 切除阻抗相同的一条输电线路非稳定振荡仿真 1 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 发电机出口两条线路，甩掉线路2 ( 线路1 阻抗是线路2 阻抗两倍) ( a )功角 ( c ) 机端阻抗 ( b ) 功率因数角 图2 1 0 切除阻抗不同的一条输电线路非稳定振荡仿真 ( 5 ) 切除一台容量相同发电机 c a )功角 1 8 ( b ) 功率因数角 华北电力大学硕士学位论文 ( c ) 机端阻抗 图2 1 i 切除容量相同发电机非稳定振荡仿真 由上面系统振荡的仿真图可知：系统发生振荡时，发电机和系统之间的功角万不 停摆动，而功率因数角也随着功角万的变化而不停摆动，稳定振荡时摆动的幅度较 小，而非稳定振荡时摆动的幅度较大。分析如下胁：设振荡电流的正方向是由发电 机侧流向系统的，且视系统为一个无穷大电源，则振荡电流 j r = 扣幽专妒1 ) 发电机侧端电压以：e , - 雩- ( i 一刍宫。 所以发电机侧端电压与振荡电流问 一： 淞鹕孚。a r s 铧刮z x 业蹇茅 神z 一( 9 0 0 + 8 ) + 嘴主笔 1 一加 上面式子； z 一系统综合阻抗 层，、b 一发电机和系统的等值电动势 万一发电机与系统之间的功角 z ，一发电机侧系统阻抗 m ，一系统综合阻抗的阻抗角 所一发电机侧系统阻抗与系统综合阻抗之比 由上可见，在1 1 1 值一定的条件下，功率因数角中随功角万变化而发生变化。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 2 4 发电机失磁故障和系统振荡故障的仿真分析结论 结论1 ：发电机发生失磁故障后，功角万是增长的，尽管在万 f x 6 + 丢五。1 时，z 钟进入第四象限，阻 - 抗继电器可能误动作，由于变压器高压侧单相接地时的接地电阻一般较大，所以有 误动的实际可能。 9 0 0 接线的阻抗继电器的测量阻抗如下； 乙= 警= 罡弓+ 去b + 芝1 川1 簟5 辱一k + 五毛而 乙= 警书吩专b 毛) 吖降弓+ k + 五毛) 。删 乏：堡垫：。 i b 由以上5 且抗公式可以得出：只要巫2 妒( 啦+ 三2 ) 时一就会进入 7 i 。 4 ” 4 第四象限，阻抗继电器就可能产生误动。如前所述，因为变压器高压侧单相接地时 的接地电阻一般较大，所以失磁保护存在误动的可能。 3 2 2 发电机出口两相短路 假设发电机出口b 、c 相间经过渡电阻2 r ，短路，其中、一：分别为发电机 的正序电抗、负序电抗。正序、负序电流、厶大小相等，方向相反，即= 一厶 其复合序网图如图3 - 8 ： u 2 图3 - 8 发电机出口两相短路复合序网图 华北电力大学硕士学位论文 由复合序网图3 - 8 可以得到： ，l = - 1 2 i)ii“eii2-：jij,xl：f。,：=。2i：,(2jrlf、+：。j2xf2 d 一；移t + d ：= 2 ( 母+ j ：) 抄。= 口2 痧t + 口移：= j t ( 2 墨口2 一j 嘭：) i id c = 口口- + 口2 d ：= ( 2 哆a s x + ：) fl = j t + j r 2 = o j 。：口：五+ 口j ：一，；j 。 i o ij c ：出，+ a ：j ：_ ，压j 。 对于0 0 接线的阻抗继电器，根据上面( 3 - 8 ) 、 求出继电器的测景阳杭： ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 9 ) 式的电压、电流表达式可以 = 娑掣：( 哆+ , f i x ：) 一_ ，如 一丑 = 警= 髟 (3_10)i s - ，c ”“7 乙= 芋= - ，岛+ r ：- , f i x ：) 1 c 一1 0 f h 式( 3 1 0 ) l ：b 、c 两相经2 r ，过渡电阻短路，由于z 么中的一- ，撕t 项 在一x 轴上，使z 0 落在阻抗平面的第四象限内，只要r ，足够大，按静稳边界或按 异步边界整定的阻抗继电器均可能误动作。 对于9 0 0 接线的阻抗继电器，同理可以求出继电器的测量阻抗： 华北电力大学硕士学位论文 乙= 兰盟= ( 髟+ 出，：) 一j , f i r ，= z 。 1 c z b u b - u c od(3-11) i z c = 鼍盟= ( 叔，2 r ，) - ，鹄= 一z 翻 。 暑 另外，注意到平面的9 0 0 接线的阻抗继电器，在阻抗平面的动作特性，是按同 名相的电压与电流的比值定义的，因此，把继电器的测量阻抗放在同一坐标上表示 时，要乘以压，因此有 z # 刊z a 3 - - r ( 蝎：) 夺嘉一 伊蚴 z ：= 丽z c 砷一，( _ ：) 由此可见，9 0 。接线的阻抗继电器只有在髟远大于历t ：的条件下，乏才进入 第四象限，可能使继电器误动作，实际上相间短路过渡电阻母很少可能大于j 巧：， 所以9 0 0 接线的阻抗继电器不易在机端两相经过渡电阻短路而误动，这一性能优于 0 0 接线的阻抗继电器 3 2 3 主变压器高压侧两相短路 假设变压器高压侧b 、c 相经过渡电阻彤短路，复合序网图见图3 - 9 ： u 2 五 图3 - 9 变压器高压侧两相短路复合序网图 2 8 华北电力大学硕士学位论文 假定变压器绕组的连接方式仍为1 一1 1 ，其正序、负序电抗分别为五。、五：且 有咒。= 五：= 蜀。正序、负序电流、g x d , 相等，方向相反，即= 一l ，其中如、 z 分别为发电机的正序电抗、负序电抗。 根据复合序网图，并考虑到变压器绕组的连接方式，可以导出机端的正序、负 序电流和正序、负序电压的表达式： i，l = j 。坩 ， k 矗，3 0 0 ：上。 。q 3 l r - i = j r t 2 r f + ，( 2 五+ 彳，：) p 力0 0( 3 一，4 ) 【d ，2 = ，j l z ，2 e - 7 3 0 0 = i t i x ，2 6 0 。 由e 面公式( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 导出a 、b 、c 相电压、电流表扶式如下： u a = u ，l + d ，2 - 2 ( 母+ j x b ) e + j , f 3 x f ： d 口= 口2d ，i + a u y 2 = 2 ( 2 x , - j r ，1 ( 3 - 1 5 ) d c = 口巩+ 口2 d ，2 - 屯化+ j x b ) e j 础- j , j 3 x f ： ，= i f l + i f 2 = j h 占= 口2 i y l + 口j ，2 = 一j 2 ) l - l c 亍a l ，什舻j l 、 根据表达式( 3 - 1 5 ) 、( 3 - 1 6 ) 可以导出0 0 接线阻抗继电器的测量阻抗为： ( 3 - 1 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 乙= 警导2 一+ 万1 + 去五 一，( 击吩一五 2 尝警2 ( 髟一万1 一：一击咒) + ( 去母+ 五) c s ， 毛：粤单一 可见在母 4 9 x 。的条件下，z 0 将进入第四象限，继电器有可能误动。实际上 相间短路的过渡电阻q 很少可能大于, g x b ，所以这种误动的可能性不大，特别是按 异步边界整定的阻抗继电器和准静稳边界阻抗继电器更不致误动。 对应9 0 0 接线的阻抗继电器，同样可以求出其测量阻抗如下： 乙= 业= 3 z 仰 i c 乙= 半一3 z 鲇 ( 3 _ 1 8 ) z c = 攀= 以( 墨+ 乃：) 一，凰 。 口 乏2 参2 ( 譬一4 9 x b ) + ，( 趣+ 五) 乏2 彘2 ( 哆+ 慨) 一( 晦一五一勘) ( 3 - 。9 ； 。乏2 嘉母肥+ 勘) 由上面的z ；等式中可知：当强r ( k + x ，：) 时，磊将在第四象限，继电 器可能误动，但考虑到实际； ( 五+ 一：) 的可能性不大，所以保护误动的几 率也不大。 从上面测量阻抗的表达式可以看出，发电机出 2 1 - - 相短路时，无论是0 0 接线的 继电器还是9 0 。接线的继电器，机端测量阻抗都在横轴上，因此，无论是静稳边界 华北电力大学硕士学位论文 阻抗圆还是异步边界的阻抗圆，继电器都可能误动。 上面分析的两相短路及单相接地等故障都是在短路后不失步的情况下而言的， 短路后机端阻抗不随时间变化而变化。实际上发电机出口或主变高压侧三相短路多 数会造成发电机与系统失步，这种短路引起的失步可能是转差率很小的稳定振荡， 则机端阻抗随时间变化的轨迹为圆周特性。所以上述对短路测量阻抗的分析只限于 发生短路瞬间。 为了使失磁继电器在发生短路故障时不误动，通常选用负序分量作为闭锁元件 来闭锁失磁保护，这是因为失磁故障对于定子回路来说，仍然是对称的，不会产生 负序分量( 见第二章失磁仿真图) 。而在短路故障过程中，总是要短时或整个过程 中产生负序分量，所以可用负序分量作为辅助判据来区别失磁故障和短路故障。 失磁保护所用的负序分量闭锁元件都应具有瞬时测定回路，这是因为三相短路 只有短时的负序分量，如果没有带瞬时记忆回路，那么当三相短路还在继续，闭锁 元件将因为负序分量的消失而解除对失磁保护的闭锁，失磁保护将会误动。所以闭 锁元件要具有瞬时测定回路，而且返回延时要大于消除短路故障和躲过振荡所需要 的时间。带瞬时测定的负序闭锁的返回延时取多长，要因电网的具体情况而定o “。 华北电力大学硕士学位论文 第四章发电机失磁和系统振荡机端阻抗的分析 4 1 发电机失磁后机端阻抗的变化特性“。町 z = 等= 堡号丝= 争+ = 考+ 弘，= 若产学 + 弘， =旦(1+p+一_，jqqij+jx，=基+jx2p,，+ 鸶e 归l一_ ，q j2 只。2 只 ( 4 - 1 ) 自发电机失磁开始到临界失步的阶段里，以、x ，、及不随时间变化，而q 随 时间变化，则口角也随时间变化，故式( 4 一1 ) 在机端阻抗平面上是一个圆的方程，该 厂rr、r ， 圆称为等有功阻抗圆，其圆心坐标为l 嘉，x ，j ，半径为嘉 - j - 由上面的公式可以得出，发电机失磁时