（电力系统及其自动化专业论文）自适应式大型发电机误上电保护的研究.pdf

a b s t r a c t a b s 仃a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r i cp o w e r i n d u s t r y , t h en u m b e r a n dt h ec a p a c i t yo f l a r g eg e n e r a t o r sa r e b o t hi n c r e a s i n g i th a sb e e nap r o b l e mp r e s s i n gf o rs o l u t i o nt of u r n i s hc o n s u m m a t ep r o t e c t i o no fi n a d v e r t e n t e n e r g i z i n gf o rl a r g eg e n e r a t o r s i na d d i t i o n ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c sb r i n g st h ep o s s i b i l i t yf o r a p p l i c a t i o no f n e w p r o t e c t i o nt h e o r ya n di m p r o v e m e n to f r e l a yf u n c t i o n i nt h i st h e s i s ，a ni n d e 印s t u d yi s m a d ef o ri n a d v e r t e n te n e r g i z i n go f l a r g eg e n e r a t o r t h em a i nw o r k so f t h et h e s i si sa sf o l l o w i n g ： 1 n ef u l ld e f i n i t i o no fi n a d v e r t e n te n e r g i z i n go fg e n e r a t o r si sp r e s e n t e d ，a n dt h em e a n i n go f s t u d yo np r o t e c t i o no f i n a d v e r t e n te n e r g i z i n gf o rl a r g eg e n e r a t o r si sa l s oc l a r i f i e d a f t e rab r i e f i n t r o d u c t i o no f c u r r e n tp r o t e c t i o n ，t h ed r a w b a c ko f t h e mi ss h o w n 2 a n a l y s e si n d e t a i l st h ec a u s a t i o n ，p r o c e d u r ea n de l e c t r i ec h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e ek i n do f i n a d v e r t e n te n e r g i z i n g ，v i z a c c i d e n tc l o s u r e ，s i n g l eo rt w op h a s e sf l a s h o v e ro fh i g l l v o l t a g e b r e a k e r sa n da s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i z i n go ft h eg e n e r a t o r n l es e r i o u sh a r m so fi n a d v e r t e n t e n e r g i z i n gt og e n e r a t o r sa n d o t h e re q u i p m e n t sa r ed i s c u s s e d 3 b a s e do nc u r r e n t ，v o l t a g e ，f r e q u e n c y , a n da u x i l i a r yc o n t a c t so fs w i t c h e sa n db r e a k s ，af u l l a d a p t i v es c h e m ef o ri n a d v e r t e n te n e r g i z i n go fl a r g eg e n e r a t o ri s c o n t r i v e d t h ep r i n c i p l ei s a n a l y z e da n de x p l a i n e d t h en e w s c h e m ec a l lc o n t a i na l lk i n d so f i n a d v e r t e n te n e r g i z i n gf a u l t , a n da d a p td i f f e r e n te l e c t r i cc o n n e c t i o n s 4 c o n s t r u c t s an e wh a r d w a r e p l a t f o r m b a s e do n3 2 - b i te m b e d d e d m i c r o - p r o c e s s o r t h e d o u b l e c p up r o c e s s i n gm o d em a k e st h ep r o t e c t i o nb o t hs e e a r ea n dm l i a b l e t h ep l a t f o r mi s w e l ld e s i g n e da sau n i v e r s a lo n e i tc a nf i tn o to n l yi n a d v e r t e n te n e r g i z i n gp r o t e c t i o nb u ta l s o o t h e rp r o t e c t i o n s b a s e do nt h en e wh a r d w a r e ，t h ed i g j t a lg e n e r a t o ra n dt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n d e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d a n d p r a c t i c e sh a v e s h o w ns u c c e s s f u l 5 t h ea r i t h m e t i co ft h en e w p r o t e c t i o ns c h e m ei si n t r o d u c e d o na n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a la r i t h m e t i co fc a l c u l a t i o no ff r e q u e n c y , ap r e c i s em e t h o do fe l e c t r i cf r e q u e n c y m e a s u r e m e n tb a s e do ns p e c i a lc i m u i t si sr e a l i z e d c o n s i d e r i n gt h ee r r o ro ff i x e ds a m p l e f r e q u e n c y o nc a l c u l a t i o nw h i l ee l e c t r i c f r e q u e n c y i sf a ra w a yf r o mr e f e r e n c eo n e ，a f r e q u e n c y - t r a c k i n gs o l u t i o ni sp r e s e n t e da n d v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s n l er e l i a b i l i t yo fn e w p r o t e c t i o ns c h e m ei sa l s od i s c u s s e df r o m b o t hs o r w a r ea n dh a r d w a r e 。a n dt h ec a u t i o ni sg i v e n k e yw o r d s ：i n a d v e r t e n te n e r g i z i n g ，l a r g eg e n e r a t o r , h a r d w a r e p l a t f o r m , e m b e d d e dm i c r o - p r o c e s s o r , f r e q u e n c y 东南大学硕士学位论文 一u 一 学位论文独创性声明 s 毛i l 重主 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位 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。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：! l 导师签名： 日期矗：! ! ：! ：f 第一章绪论 第一章绪论 发电机组作为电力系统的源头，是电力系统重要的组成部分。随着我国国民经济的飞速发展，对 电力的需求也与日俱增。近年来，发电机组的数量不断增多。单机容量也迅速增大。从电力系统安全 性的客观要求出发，对大型发电机组的继电保护提出了更高的要求。本课题的目的是采取一种新的方 案来实现大型发电机的误上电保护，从而消除误上电事故给大型发电机安全带来的严重隐患。由于误 上电事故跟发电机的主接线方式有很大关系，本章中将首先对大型发电机的主接线作一概述，然后对 大型发电机误上电事故的概念、研究意义、国内外保护现状。以及本论文的主要内容分别作概要的阐 述。 i i大型发电机的电气主接线概述1 l 发电机电气主接线是根据发电厂具体条件确定的，它以电源和出线为主体。电气主接线的基本要 求有： 1 1 保证必要的供电可靠性及电能质量； 2 1 具有一定的灵活性、方便性及经济性； 3 ) 具有发展和扩建的可能性。 对于大型发电机，其出线的电压等级通常高达2 2 0 k v 或以上，在电网中往往处于比较重要的位 置，所以其供电可靠性、灵活性要求也特别高。 目前大型发电机的电气主接线用得最多的方式为双母带旁母或双母分段( 见图1 1 ) 。这种接线具 有供电可靠，检修方便，调度灵活及便于扩建等优点，在我国大中型电厂中广泛采用。 ( a )( b ) 图1 1 双母带旁母及双母分段接线 ( a ) 双母带旁母( b ) 双母分段接线 一个半断路器接线( 通常也称3 ，2 接线，见图i - 2 a ) 方式在我国出线电压为2 2 0 k v 及以上的电厂 东南大学硕士学位论文 一l 一 第一章绪论 ( 站) 也得到了较多的使用。这种接线方式中，每两个元件( 发电机一变压器组或出线) 用三台断路 器接往两组母线。运行时两组母线和全部断路器都投入工作，形成多环状供电，具有较高的供电可靠 性和运行灵活性。任一母线故障或检修，均不致停电：除联络断路器故障时与其相连的两回线短时停 电外，其它任何断路器故障或检修都不会中断供电；甚至在两组母线同时故障( 或一组检修另一组故 障) 的极端情况下，仍能供电。 另外一种比较常见的接线称为角形接线( 参见图l 一2 b ) 。这种接线的最大特点是母线台成环形， 并按回路数利用断路器分段。它的优点是检修任意一台断路器时都不致中断供电，具有较高的可靠性 和灵活性，运行操作方便。在进出线较多时，又为减少开环机率，可采用双环形接线。角形接线不便 于扩建，适用于最终规模较明确的发电厂。 一 0 一一 ( a ) ( b ) 图i - 3 发电机机端装设断路器或隔离开关 ( a ) 机端装设断路器 机端装设隔离开关 东南大学硕士学位论文 一2 一 第一章绪论 1 2 发电机误上电事故概述阍 发电机误上电事故很少发生，这也是许多继电保护工作者对误上电事故没有清晰概念的原因。那 么，究竟什么是误上电事故昵? 简单地说，所谓发电机误上电，就是指发电机在不满足并网条件时， 被意外地单相、两相或三相接入电网。具体来讲，又可以细分为三种： 1 ) 发电机误合闸：主要是指发电机处于停机( 转子完全静止状态、低速盘车) 或尚在启动过程 但未加励磁( 汽轮机暖机、转子冲转过程中) 时，被意外地并入电网，使发电机带电而异步启动。 2 ) 非同期并网：主要是指发电机已经启动，并已加上励磁( 机端已有电压) ，但还不满足同期并 网的条件，被错误地并入电网。 3 ) 高压断路器闪络：主要是指主变压器高压侧的断路器在断开状态时断口被击穿，从而使发电 机单相、或两相( 不考虑三相同时击穿) 与系统相连。具体还可分为两种情况：发电机同期并网前发 生的断路器闪络和发电机刚退出系统的一段时间内发生的断路器闪络。 造成发电机误上电事故的原因主要有：人为误操作，设备工作异常绝缘损坏。大型发电机为提 高供电可靠性，较多地使用比较复杂的主接线方式，如一个半断路器接线和角形接线。这些接线方式 在提高供电可靠性和灵活性的同时，也大大增加了误操作的几率。发电机退出运行后往往只靠隔离开 关( 见图l - 2 中的s ) 与系统隔离，隔离开关的误操作极易导致发电机误合闸。发电机与主变压器间 加装出口断路器或隔离开关的接线方式，如果操作不慎，同样很容易造成误合闸。实践表明，误合闸 主要发生在一个半断路器接线、角形接线以及机端装设断路器或隔离开关的场合。高压断路器断口在 发电机并网前或在发电机刚解列后一段时间内可能会承受双倍的峰值电压，如果断口间的绝缘水平达 不到要求，很可能会造成断口闪络。目前，大型发电机的自动化程度比较高，自动同期装置的性能直 接决定了发电机能否安全地并网，非同期合闸也是发电机误上电的潜在途径之一。 1 3 研究大型发电机误上电保护的意义 大型发电机的容量大，造价高，在电网中的地位十分重要，因此在配置继电保护时必须做到尽可 能的周全和可靠。由于受到机械尺寸等影响，同小机组相比，大型发电机在增加发电容量的同时，热 容量却相对降低了。大型发变组电压等级一般都在2 2 0 k v 或以上，使断路器断口承受高压的裕度相对 降低，从而也使断路器闪络的概率相对增加。误合闸时产生的巨大的定予电流、高压断路器闪络产生 的不对称电流，以及发电机以较大频率差非同期并网时的差频电流，都会使发电机的转子表面感应出 很大的电流，从而在转子表面于很短时间内积聚大量热量，给发电机转子的安全带来很大的威胁。另 外，误上电事故可能给发电机大轴、汽轮机叶片、轴承等造成巨大的损害。误上电事故如果不及时排 除，还可能使事故范围进步扩大。 虽然通常情况下，发电机发生误上电事故时，其负序过流、过负荷、逆功率等保护有所反廊，但 是由于灵敏度偏低或动作延时过长等问题，无法满足快速识别并切除故障的要求。误上电事故已经成 为大型发电机组安全的严重隐患。国外已有多起发电机发生误上电事故的报告【6 1 j 。误上电导致发电 机、汽轮机或水轮机损坏。有的甚至是彻底毁坏，造成了巨大的直接经济损失；由此产生的一系列间 接的经济社会效益损失，更是难以估量。鉴于误上电事故的巨大危害性，美国汽轮发电机制造商们建 议必须给发电机装设误上电保护【6 】。在国内，给大机组配备误上电保护也逐渐成为继电保护界的共识。 研究大型发电机误上电保护对维护机组安全、保持电网稳定、减少电力事故造成的损失、促进我国电 力事业的顺利发展，有着非常重大的意义。 东南大学硕士学位论文 一3 第一章绪论 1 4 国内外误上电保护的现状 6 - 1 6 1 很长一段时间以来，对大型发电机保护配置中，很少考虑装设误上电保护。近年来，有少许火容 量的发电机装设了误上电保护，但对误合闸、断路器闪络和非同期只考虑其中种或两种事故，很少 同时加以考虑。主设备保护不同于线路保护，其动作机会较少，而发电机误上电事故发生的机会更是 不多，所以误上电保护的实践经验相对欠缺，实际使用中也缺乏足够的重视，有的发电机装设了误上 电保护，但在实际使用中没有真正投入使用。对误上电保护的研究还做得相当不够。 现有的误上电保护判据有机端电流、机端电压、频率、开关量( 励磁开关或断路器的辅助接点) 、 阻抗等，通过选择不同判据构成不同原理的误上电保护： 1 )目前判断发电机误合闸的方案有低频过流( 方案一，见图1 - 4 ) 、励磁开关没有合上而定子 有电流( 方案二。图1 - 5 ) 。方案一中的频率判据的测量通道取自于机端电压，当发电机正 常运行过程中，如果发生机端p t 熔丝断线，就可能导致保护误动作，因此可靠性没有充分 考虑。方案二能比较正确地反映发电机处于停机状态( 通常情况下励磁开关处于打开状态) 时的误合闸；但是如果此时励磁开关也被误台上时，该原理就不能反映；其实现过程中也 没有考虑多种主接线方式。 2 ) 图1 - 4 误合闸保护方案一 图1 - 5 误合闸保护方案二 图1 - 6 断路器闪络保护方案 高压断路器闪络保护的基本原理为高压断路器处于断开状态但仍有电流通过( 见图l - 6 ) 。 这种原理虽然抓住了断路器闶络故障的基本特征，但在实现过程中没有充分考虑一个半断 路器、角形接线及机端装设断路器或隔离开关等多种接线方式，不能满足实际应用的多种 需求。 东南大学硕士学位论文 一哇一 第一章绪论 3 ) 对于非同期合闸，国外许多保护装置都根本不予考虑。国内利用合闸瞬间阻抗判据来判断 发电机非同期并网后引起的不稳定振荡( 见图1 - 7 ) ，然而普遍反映其原理过于复杂，阻抗 元件不易整定。在反应合闸瞬间的非电量的选取上，同样没有充分考虑一个半断路器、角 形接线及机端装设断路器或隔离开关等多种接线方式。 l 盥塑1 卜廿一 l ( 打开时为) 广 ：厂 匝工卜二l 卜 匠 也 j _ 一u 图1 7 非同期合闸的保护方案 另外，目前大部分保护软件算法都基于电气频率不变的前提下计算各电气量。当实际频率偏离基 准频率时，如果不采取适当措施，可能导致较大的计算误差。 1 5 本论文的主要内容 本文详细分析了发电机误上电事故的各种故障特征、以及给机组可能造成的巨大危害，进而提出 了一套完整的误上电保护方案。为实现保护方案，基于3 2 位高性能嵌入式微处理器及大规模可编程逻 辑器件，设计了一套新颖的双c p u 并行处理模式的硬件平台，该平台经受住了实践考验。讨论了误上 电保护的软件算法，对频率测量与跟踪进行了专门的试验。文中还就软、硬件实现过程中的可靠性问 题作了详细的阐述。论文由以下章节组成： 第二章，大型发电机误上电事故分析。详细分析发电机误合闸、高压断路器闪络以及发电机非同 期合闸的起因、等值电路、严重危害，为抓住发电机发生误上事故的电气特征，构建新型保护方案的 提供理论依据。 第三章，大型发电机误上电保护新方案。根据误上电事故的电气特征，通过科学选择判据，构成 完备的大型发电机误上电保护新方案，并就如何实现对各种不同电气主接线方式的自适应、保护的整 定原则以及跳闸方式作了阐述。 第四章保护硬件平台的设计。从c p u 的选型、硬件总体结构框图、功能模块的设计、可编程逻 辑器件及其设计、双c p u 荠行处理模式等多个角度，介绍了设计的新型高性能、高可靠的数字式保护 硬件平台。 第五章，误上电保护算法及实现。讨论误上电保护新方案中所用的各种算法。着重介绍了利用硬 件测量频率判据的实现方法，并用实验进行了验证。针对固定采样率下系统频率变化对保护算法的影 响，结合测得的系统频率，利用i n t e l 3 8 6 e x 内嵌的定时，计数器实现了采样频率的跟踪，从而做到算法 对频率的自适应，并给出跟踪采样试验结果。还就保护实现过程中的可靠性问题、注意事项作了说明。 第六章结论及后续工作。对论文作了总结，并列出要进行的一些后续工作。 东南大学硕士学位论文 5 一 第二章发电机误上电事故分析 第二章发电机误上电事故分析 本章旨在分析大型发电机三种类型的误上电事故( 即发电机误合闸、高压断路器单相或两相发生 闪络，以及发电机非同期并网) 的起因、过程特点、等值计算电路，及其严重危害，从而为抓住故障 特征，选择误上电保护的有效判据，构成科学的保护方案奠定基础。 2 1 发电机误合闸 2 1 1发电机误合闸事故的起因 发电机发生误合闸的原因主要是人为误操作。显然。发电机主接线越复杂，其误操作发生的可能 性就越大。在双母带旁母或双母分段接线方式的发电机变压器组退出系统后，发电机同系统间靠断路 器及隔离开关与系统隔离；所以即使误操作将断路器和隔离开关中某一个元件误合后，发电机仍处于 断开状态。然而类似误操作发生在一个半断路器接线、角形接线、机端装设断路器或隔离开关等接线 中，情况就变得相当严重。一个半断路器接线和角形接线中，发电机退出系统后由于需要继续维持 供电可靠性和灵活性，相应的断路器在将发电机切除后往往又投入运行，发电机( 发变组) 与系统仅 仅靠隔离开关隔离：所以一旦发生对隔离开关的误合操作，将直接导致发电机误合闸事故。对于发电 机机端装设隔离开关或断路器的接线方式，当发电机退出系统后，由于需要通过主变压器倒送电或频 繁开机需要减少高压断路器的操作次数，主变压器仍带电运行，发电机与系统之间也仅靠单一的隔离 元件( 即断路器或隔离开关) 隔离，如果对此误操作同样会造成发电机误合闸事故。统计表明，误合 闸事故多发生在一个半断路器接线、角形接线、发电机机端装设断路器或隔离开关等接线中。 2 1 2 发电机误合闸的电气计算 在发电机处于停机、检修状态，或转子已经转动但还未加励磁时，励磁开关处于断开状态( 或虽 合上但无励磁电流提供) ，发电机定子三相电流为零。当主变压器高压侧或机端发生误合闸后，发电机 定子中将产生相当大的电流。在定子电流产生的旋转磁场作用下，转子中感应出电流，发电机以异步 电动机方式拖动汽轮机或水轮机一起运行，机端出现低电压。表2 1 是文献1 6 】列出的误合闸后机端电 流和电压的值，其中u 。为额定电压，。为额定电流。从表2 - 1 可以看出，i 情况下定子电流比较小， 原因是厂高变的阻抗通常比较大，这种情况对发电机的影响也相对较小。 表2 1 误合闸后的电流电压范围 注：i 系统比较大，发电机经由主变压嚣谩合闸，j j 系统比较小，发电机 经由主变压器误合闸，i i i 发电机经由厂高变误合闸 东南大学硕士学位论文 - 6 第二章发电机误上电事故分析 在发电机误合闸后感应产生的转子电流主要在槽楔、转子本体、阻尼绕组通过发电机的阻抗 大小等效为负序阻抗【6 - 8 】。图2 - 1 为发电机误合闸后的等值电路，图中：r 9 2 、x 9 2 为发电机的负序 阻抗，x ，为主变压器或厂高变等效电抗，x 。为系统电抗，e ，为系统电势，u ，为发电机机端电压，u 为主变压器高压侧或厂高变低压侧电压。 r 9 2 x g 2 lg 图2 - 1 发电机误合闸后的等效电路图 定子电流的大小可按以下公式计算： ，：二竺l 一 。x ；+ x f + r 9 2 s + 硌2 上式中，s 为转差( 转子静止时s 等于1 ) 。发电机机端电压计算的公式为： = ( r 9 2 + x s 2 ) ( 2 - 2 ) 发电机误合闸后，转子表面感应电流产生的热量迅速积聚。在发电机定子静止时或极低速转动时， 定子电流产生的旋转磁场相对转子约为同步速：而发电机正常运行时负序电流产生的旋转磁场相对转 子为两倍同步速。因此可以认为，误合闸时定子电流产生的转子热效应近似为相同大小负序电流产生 的热效应的一半”，所以最大运行时间可以按下式估算： ， ( ) 2 f 一= 4 ( 2 - 3 ) 1 p 按照规定，直接冷却的汽轮机组7 t 1 8 】：3 0 0 1 m 7 r 及以下，短时负序转子发热常数a 2 8 ；6 0 0 m w ， 常数a = 7 。参照表2 - 1 ，可以得出f 。的范围，见表2 - 2 。 表2 - 2 最大允许运行时间f 一的范围 东南大学硕士学位论文 1 第二章发电机误上电事故分析 可见系统越大，机组容量越大，误合闸后转子达到允许热极限的时间越短：大系统中的大机组如果发 生误合闸事故后，允许运行时间只有2 4 秒左右。 2 1 3 发电机误合闸的危害 发电机发生误合闸事故后，如果不及时切除，会带来严重危害。发生误合闸事故后，发电机转子 表面的温度迅速升高。一般来说，机组容量越大，转子承受过热能力相对越小，所以大型发电机的转 子更容易达到热积累极限。大型发电机的转子在发生误合闸事故后短短数秒内就可能达到热容量极限， 导致损坏。水轮发电机的阻尼绕组通常也因热容量不够而被损坏。除此之外，发电机异步启动过程中， 如果在汽轮机或水轮机的叶片将产生较大振动，尤其是汽轮机叶片如在自然频率处停留时间过长，引 起的机械共振极易导致材料疲劳，严重时叶片或拉金出现断裂。如果发电机轴承的润滑系统退出工作 ( 如在检修时) ，那么误合闸还将导致发电机的轴承损坏。可见，误合闸对大机组来说是极其严重的事 故，误合闸事故会给发电机组带来严重破坏，造成巨大损失，因此必须高度重视。 2 2 高压断路器闪络 2 2 1高压断路器发生闪络的原因 高压断路器是电力系统中极其重要的控制和保护设备。通过高压断路器的关合和开断可以把特 定的电力设备或线路投入或退出运行；在电力系统局部发生故障时还可以通过开断相应的断路器把故 障设备或线路从系统迅速切除，从而保障无故障部分的正常运行。由于受到体积结构、绝缘介质、工 艺水平等因素的限制，电压等级越高，高压断路器制造成本和技术难度也越高。一般来说，随着电压 等级的升高，断路器的工频耐受电压的裕度却相对减小。表2 - 3 是文献【1 9 】给出的2 2 0 k v 、3 3 0k v 、 5 0 0k v 等级的断路器断口工频耐受电压( 相电压) 。表中一般不采用括号里的值，只有在所用的避雷 器保护性能较差或括号内外两种水平的设备价格很接近时方才采用。 表2 - 3 不同线电压等级断路器的断口工频耐受电压 在发电机同期并网前( 或刚退出系统且励磁没有断开时) 的一段时间里，单元接线方式的发电机 变压器组仅靠高压断路器与系统隔离。然而，主变高压侧电压和系统电压并不能保证保持同步，断路 器的断口上就作用有一个大小很可观的工频电压。设e ，为折算到主变高压侧的发电机等效电势幅值， e 。为系统等效电势幅值，、：分别为两端电势的角频率，a 、办分别为两端电势的初相角，则 东南大学硕士学位论文 一8 一 第二章发电机误上电事故分析 断路器断口电压为： a u = e ，s m ( q t + 办) 一es i n ( c 0 2 t + 疵) ”( 2 4 ) 随着两端电动势之间的相位差，断路器端口承受的电压在不断变化，当两端的电势反相且都达到 幅值时，有： ；甜l 一= e ，+ e ，( 2 5 ) 当发电机电势大小和系统相等时，则有两倍的运行电压作用于断路器端口上。实践表明，高压断 路器两触点间的绝缘水平如果出现下降，则很可能在发电机并网或解列过程中发生闪络。实际中闪络 一般为单相或两相闪络门，因此此处不考虑三相同时闪络的情况 2 2 2 高压断路器闪络的电弧特性 闪络属于电弧放电现象，断路器的电弧是电弧等离子体的一种。通常情况下，无需很高的电压就 能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。不管断路器本身的熄弧能力和电弧电压如何，电流总要经过 零点，此时电弧自然熄灭，至少是暂时的熄灭。断路器在正常开断时，通过机械联动，不断向灭弧室 注入新鲜的绝缘介质( 通常为变压器油或s f 6 气体) 进行各种方式的有效灭弧( 如纵吹灭弧、横吹灭 弧) 。使电弧温度降低、断口间绝缘介质强度迅速恢复，当电弧过零后介质强度超过恢复电压时，电弧 就不再复燃。而发生闪络时。断路器始终处于断开状态，没有断路器开断时的主动吹弧过程，绝缘强 度本已降低的介质得不到更新和补充，使得断口间的绝缘强度得不到有效的恢复，即使电弧在电流过 零点时暂时熄灭，过零后电弧还会再次复燃。因此可以认为，高压断路器发生闪络后，电弧始终存在。 在电路概念上电弧属于电阻性质的导电体。电弧的伏安特性跟电弧温度( 电弧温度与电弧电流大小、 介质冷却温度有关) 和电流频率有关。 “o 厂 圹。 4 弋| u ( a ) 图2 - 2 电流频率为5 0 h z 时电弧动伏安特性 高压断路器发生闪络时，电弧电压远远低于电源电压( 2 - 4 式的电压差“) ，电弧的电阻也远远 低于系统的阻抗，电流的波形仍近似为正弦形( 电流波形畸变最为明显的时刻在过零点前后) 。因此在 工程计算上，高压断路器发生闪络可以简化为闪络相的断口间发生金属性短路- 东南大学硕士学位论文 一9 一 第二章发电机误上电事故分斩 2 2 3 高压断路器闪络的计算 1 单相闪络0 6 下面以y 0 ，d l l 接线的主变压器高压侧a 相发生闪络为例，如图2 3 所示。 设j 。、，：、，。、d 。、d ，：、d ，。分别为正序、负序、零序网络的电流、电压。可以得出单 相闪络时有如下边界条件： j 目= j r 0 ( 2 - 6 ) d h 0 ( 2 - 7 ) ，f l = j ，2 = j f o ( 2 - 8 ) 【7 f l + 口，2 + d ，。= d n 0 。( 2 - 9 ) 藁统 发电机变压嚣高压断路器 上3 l 。圣肖 。j i k 母e _ 一 a 二l o 一a j l _ 争e 9 卜一 ：趱嚣i 二：兰粒 c 血三! ：。豇。； c 犁其买孓 一 图2 3 主变压器高压侧a 相发生闪络示意图 于是有图2 - 4 所示的等效复合网络，图中：z l s 、z 2 s 、z o s 分别为系统的正序、负序、零序阻抗 东南大学硕士学位论文 一1 0 一 第二章发电机误上电事故分析 z ，g 、z 2 g 分别为发电机的正序、负序阻抗z 、z ：，、z o r 分别为变压器的正序、负序、零序阻抗。 可以推得： j f , = 瓦石j 瓦石再a u 瓦i 了瓦( 2 _ l o ) 然后根据上式可以进一步得出其它所有电气量的值。 厂一 i 1 i ；a u - _ - i 2 _ _ r 一 ；0 图2 - 4 单相闪络的复合序网 2 两相闪络 相仿，可以得到b 、c 两相闪络时的边界条件： j n 0 ( 2 1 1 ) d n = 【7 n = 0 ( 2 - 1 2 ) d ，。= d ，2 = d ，。( 2 1 3 ) j ，1 + 2 + 0 0 = 0 _ _ _ ( 2 1 4 ) 等效复合网络见图2 - 5 。于是有： 东南大学硕士学位论文 一1 l 一 第= 章发电机误上电事故分析 其它值也由此算出。 j ，：垒旦( 2 1 5 ) 0 12 瓦i i 瓦了瓦了瓦i 丽丽而旺。1 ” 厂一 i 1 i ：u 厂一 ；2 厂一 ；0 图2 - 5 两相闪络的复合序网 2 2 4 高压断路器闪络的危害 发生闪络后，发电机定子中将流过很大的负序电流，产生相对转子约两倍同步转速的磁场，进而 在转子表层产生倍频电流。倍频电流流过转子表层时，将在护环与转子本体之间和槽楔与槽壁之间等 接触面上，形成过热点，将转子烧伤。倍频电流还将使转子的平均温度升高，使转子挠性槽附件附近 断面较小的部位和槽楔、阻尼环与阻尼条等分流较大的部位，形成局部高温。从而导致转子表层金属 材料的强度下降，危及发电机组的安全。此外。转子本体与护环的温度如果超过允许值还将导致护 环松脱，造成严重的事故。国内外发电机( 尤其是汽轮发电机) 因负序电流烧伤转子的例子屡见不鲜。 闪络时，虽然发电机负序电流保护能够反应，但其动作时间偏长，如果仅靠负序电流保护可能使线路 或其它元件的后备保护抢先动作，造成事故扩大影响系统稳定j 。 闪络时，还将产生冲击转矩作用于发电机上。另外，闪络将进一步破坏断路器触头问的绝缘，损 坏断路器；如果电弧燃烧时间过长，断路器就会严重烧损甚至爆炸 2 0 l 。 2 3 非同期合闸 大型发电机并网通常采用准同期方式，准同期并网有三个条件： 东南大学硕士学位论文 一1 2 第二章发电机误上电事故分析 1 ) 发电机与电网连接相序一致； 2 ) 发电机与电网电压频率相等； 3 ) 发电机与电网电压的幅值和相位相同。 通常情况下，在发电机并网前相序都经过了检测，所以第一个条件能够满足。而第二和第三个条件不 可能完全满足因为发电机并网前的频率和电压矢量与系统总存在一定差异。因此实际中，在保证相 序一致的情况下，只能将频率差、幅值差、相位差限制在一定范围内。通常把发电机电压和系统电压 间频率差、幅值差、相位差超出允许范围时的并网称为非同期合闸。 2 3 1非同期合闸的起因 非同期合闸的起因可分为两类，即人为误操作和设备问题。人为误操作主要是针对手动同期过程 中，由于判断失误提前或滞后地将发电机并网。设备问题主要是指由于同期装置本身的原因( 如参数 设置错误或误动作) 在发电机没有满足同期的条件时将发电机并入电网。大型发电机的自动化程度普 遍较高，很少采用手动方式，一般都采用自动同期。所以，同期装置的可靠与否直接关系到大型发电 机的并网安全。 2 3 2 非同期合闸时的转矩和电流分析 1 电压电流分析 设同期开关两侧的电压瞬时值分别为u 。( 发电机侧) 、u 2 ( 系统侧电压) ，l 厂卅1 、u 。2 分别为其 幅值，( 0 1 、吐为其角频率，萌、丸为初相角。则同期开关所经受的电压为； “1 一“2 = u 。ls i n ( a t + 藕) 一u 。2s i n ( c 0 2 to r 如) ( 2 1 6 ) j 司 ； 5。 _l 谢 j l l 黼 删 8 | 。 m i ll _ _ 2 5 卜弋r 1 s 图2 - 6 非同期合闸时的发电机与系统间压差波形 东南大学硕士学位论文 一1 3 一 一?jmi0； 一 一 新可j1三乏忡抖。 i仆川川弼i；ii“，上 一 j8r_，9 u川ih川川1)：；，riiikiiir 第二章发电机误上电事故分析 图2 - 6 为u 。1 = 1 2 、u 。2 = 1 、0 ) 1 = 9 6 zr a d s ( 即频率为4 8 h z ) 、( - 0 2 = 1 0 0 zr a d s ( 即频 翠为5 0 h z ) 、矾22 2 1 3 、疵2 0 时a u = u 1 一u 2 的波形。从图中可以清晰地看到，该电压为波幅周 期性振荡的脉振波。相应地，非同期合闸后的电流和功率也将呈周期性的振荡。 非同期合闸电流的最大值出现在发电机电压与系统电压相位差占= 稿一破达1 8 0 。时。不妨设 e 柙】= u = 1 ，x ：= 0 2 ，i * 2 ，并不计系统电抗，则合闸瞬间基频电流起始值： 。等吨加， 可得，一= 1 0 ，即为额定定子电流的1 0 倍。 2 电磁转矩分析 为简化分析非同期合闸时发电机所受的电磁转矩，假设发电机直接与无穷大母线并列，并不计发 电机绕组电阻，则异步并列时的电磁转矩表达式为【”1 ： 剐2 ( 击一寺 s i n ( 2 6 + t ) 一言s 衄2 8 - 2 s t ) i n ( 2 d ；+ 2 t ) + 碥【击s m ( 1 叫r 一圭( 专一击) s 酢 t ) 】+ & 1 0 l u 【击s i n ( 占叫) - s i i l ( 8 + t ) + 畴一击) 【s i n ( 8 + 2 t ) - s 叫8 + 2 t ) ) ( 2 1 8 ) 上式中，u 为无穷大母线电压，e m 】为并网前发电机空载电势，x ：、z ：为发电机直轴和交轴 次暂态电抗，s 为转差，j 为发电机与系统电压相位差。 对于同步发电机，z 、相差很小，在实用计算中，常认为z = z 田1 。进一步假设：发 电机和系统频率相等( 即s = 0 ) ， e q 【o 】= u 于是式( 2 1 8 ) 简化为： 卜笔s m j + 争卅s 缸删 = 导s 阱等s 哮叫扣“z ，2 可8 m d 一百5 m i 。0 8 i + 佗。引 东南大学硕士学位论文 1 4 可见分蹴互= 笔s 脒矩：正一等咖知扣脉动滟当 ( 互8 t ) = 1 8 0 。时，r 达峰值： 丁= i 0 2 s i l l j + 百2 u 2 s i n 虫2 ( ：- 2 0 ) x j ：x j j 令d _ d l r j = o ，可得当j = 1 2 0 。时丁。有晟大值： 矗。，：1 5 括= - u 2 ( 2 2 1 ) 一 蜀 “1 “ 以某台2 0 0 m w 汽轮发电机为例”_ 2 1 ：x ：= 0 2 ，额定转矩m 。= 2 3 ，u = 1 ，其非同期合闸所受 的最大转矩t 。= 1 l _ 8 ，为额定转矩的5 倍多。可见该冲击转矩大小非常可规。 2 3 3 非同期合闸的危害 发电机非同期合闸是电力系统中的严重事故。上面的分析可以看出，非同期合闸时通常伴随着较 大的冲击电流和冲击转矩产生，轻则缩短发电机的使用寿命，重则直接损坏大轴1 2 4 1 。当发电机频率较 低时合闸并网，由于转子转速与同步速间存在较大差，定子电流还将在转子表面感应频差电流，导致 转子表面局部温升；转子受到的扭振转矩，同样也会使发电机的寿命缩短。 另外，非同期合闸还可能破坏电网稳定，造成事故扩大口2 6 j ，给系统带来不利影响。 2 4 小结 通过上述分析，可以看出发电机误上电事故是发电机自解列起、停机状态，一直到并网前一段时 间内发生的事故，它有别于机组保护平时较多关注的在运行过程中发生的事故，有其独有的特征。本 章有以下几个结论： 1 ) 大型发电机发生误合闸事故后，其允许运行时间通常只有几秒钟的时间，其计算过程中发电 机的阻抗可近似为负序阻抗。 2 ) 高压断路器闪络事故对发电机、高压断路器本身以及系统构成严重的威胁。虽然闪络电弧的 伏安特性极其复杂( 电弧计算至今还没有一个精确的模型) ，但其工程计算可以等效为金属性 短路。 3 ) 发电机非同期并网造成的危害极其严重。发电机非同期合闸最大电流出现在发电机侧电压和 系统电压间相位差为1 8 0 。且电压都为峰值时：当系统很大时，非同期并网最大冲击转矩出现 在发电机侧电压与系统电压相位差为1 2 0 。附近时。 本章的分析对构建新型的完备的大型发电机误上电方案具有着极其重要的意义，这正是下一章重 东南文学硕士学位论文 一1 5 一 第二章发电机误上电事故分析 点讨论的内容。 东南大学硕士学位论文 一1 6 - - 第三章大型误上电保护方案与软件实现 第三章大型发电机误上电保护新方案 在对发电机误上电事故的起因、电气特征、计算分析以及相关危害有了比较全面认识的基础上， 本章通过科学地选择保护判据，构建大型发电机误上电保护的完整方案，并就保护的整定原则、跳闸 方式作详细讨论。 3 1 判据选择 3 1 1 发电机误合闸判别 按照运行规程，发电机在停机和检修时，机端电压互感器的熔丝必须取下，保护装置无法获得机 端电压，因此误合闸保护不能以机端电压的大小作为主判据。 未加励磁是误合闸后发电机作为异步机运行的直接原因，因此励磁状态在误合闸判据中应该有所 体现。发电机停机( 如转子处于静止状态或盘车) 、启动到并网前的大部分时间内( 如汽机暖机、转子 冲转) ，励磁开关打开。很显然，对于采用准同期方式的大型发电机来说，在励磁开关合上前，禁止通 过机端断路器、机端隔离开关、或发变组的高压断路器( 参见图1 - 1 1 3 的s 和b 1 ) 合闸并网。发 电机励磁电压和励磁电流均为直流量，通过隔离放大器或霍尔元件隔离变换后才能使用，而这些器件 体积、耐压、价格都不太理想，所以可选择励磁开关的辅助接点的状态作为判据。当励磁开关打开时， 发电机被并网并在定子中产生电流，必定为误合闸。如果励磁开关处于闭合状态，则可以通过机端零 电压零电流判据确定发电机是否处于停机状态。 通过以上分析，可以选择励磁开关辅助接点、相关断路器或隔离开关的辅助接点和发电机的定子 电流、电压作为误合闸判别依据。