（电力系统及其自动化专业论文）企业电网继电保护参数的校验与仿真.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，t h es c a l eo fe l e c t r i c a ln e t w o r ke x p a n d s c o n s t a n t l ya n di ta l s or e q u i r e sh i g h e ra n dh i 曲e rp e r f o r m a n c eo f r e l a yp r o t e c t i o n w h e t h e rt h e r e l a yp r o t e c t i o no p e r a t e sc o r r e c ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es a f e t yo p e r a t i o no fp o w e r e q u i p m e n ta n dt h es t a b i l i t yo f t b ep o w e rs y s t e m ，a tt h es a m et i m e , s o m er e s u l t sa l s oi n d i c a t e d 1 1 1 a ta l m o s ta 1 1o ft h el a r g e - s c a l ef a u l t sh a v es o m ed i r e c to ri n d i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t ht h e m a l o p e r a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o n ，s oi ti sa ne x a c tw o r kt oc h e c k i n gt h ep a r a m e t e r so ft h e r e l a yp r o t e c t i o nd u r i n gt h ef a u l t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e dt h ep r o t e c t i o no ft h eg e n e r a t o r s ，b a s e do nt h ef a u l to f t i a n j i np e t r i f a c t i o nt h e r m o e l e c t r i cf a c t o r yi n2 0 0 0 6 1 4 f i r s t , w eg o tt h ei n f o r m a t i o no ft h e k i n d sa n ds e tv a l u eo fg e n e r a t o r s p r o t e c t i o nt h o u g ht h ei n v e s t i g a t i o n ，c h o s et h ep r o t e c t i o n s w h i c ho p e r a t ei n c o r r e c t l ye a s i l yd u r i n gt h ef a u l tt os t u d yb a s e do nal o to fm a t e r i a l s ，t h a ti s o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o na n dt h el o s so fe x c i t a t i o np r o t e c t i o n a n dt h e nt h em o d e lo ft h e p e t r i f a c t i o nt h e r m o e l e c t r i cf a c t o r yw a ss c t t h es i m u l a t i o nw a sd i v i d e di n t ot w op a r t s ： w i t h o u tc o n t r o la n dw i t hs o m ec o n t r o l st oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m f o rt h e o v e r - c t l l r e n tp r o t e c t i o n , s h o r tc i r c u i ta n do p e nc i r c u i tf a u l t sw e r ec h o s e o no n eh a n d , w e u s e dp s a s pt os i m u l a t es y s t e mw h e nt h ef a u l to c c u r r e d t h e nw o r k e do u tw h e t h e ri to p e r a t e d c o r r e c t l y o nt h eo t h e rh a n d ，w ec o u n t e dt h ec u r r e n tv a l u eo ft h eg e n e r a t o rt h o u g ht h e e q u i v a l e n c eo ft h es y s t e mt oc h e c k i n gt h ep r o t e c t i o n 。f o rt h el o s so fe x c i t a t i o np r o t e c t i o n , f i r s tt h ef a c t o r sw h i c he a s i l ym a d et h el o s so f e x c i t a t i o np r o t e c t i o nm a l o p e r a t i o nw e r ed e e p l y a n a l y z e d ，t h e nt h ec h e c k i n gw o r kw a sw o r k e do u ti nt h es y s t e mw h e nt h eo p e nc i r c u i tf a u l t o c c u r r e d 。i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e rt h ec o n c l u s i o n sw e r es h o w nt h a tt h eo v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o na n dt h el o s s o fe x c i t a t i o np r o t e c t i o no ft h e g e n e r a t o r a tp r e s e n tw a s h t m a l o p e r a t i o nw h e nt h eo p e nc i r c u i tf a u l to c c u r r e di nt h eo u t w a r ds y s t e m w h e nt h es h o r t c i r c u i tf a u l to c e u r r e d ，t h eo v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nw o u l do p e r a t ei n c o r r e c t l y , s ot h ec o n t r o lo f i ts h o u l db ei m p r o v e da n dt h el o s so fe x c i t a t i o np r o t e c t i o ns h o u l db er e s e a r c h e dd e e p l yi nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n ，l o s so fe x c i t a t i o np r o t e c t i o n ，m a l o p e r a t i o n , c h e c k i n g p r o t e c t i o n , p h a s e - l e a do p e r a t i o n ，p s a s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除- 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 垂盗堡墨盘：至 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：碾忑警签字日期：渺7 年，月7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗堡兰盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨盘茎 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：丁蒗五谬 导师签名：j 与易彩习袭一 签字日期：如疗年f 月7 日签字日期：埘7 年，月g 日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 随着自动化技术的发展，电力系统的正常运行、故障期间以及故障后的恢复过程 中，许多控制操作日趋高度自动化。这些控制技术与装备大致可分为两大类：其一是 为保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术与装备，主要进行电能生 产过程的连续自动调节，动作速度相对迟缓，调节稳定性高，把整个电力系统或其中 的一部分作为调节对象，这就是通常理解的“电力系统自动化控制”；其二是当电网 或电力设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除 异常情况的技术与装备，其特点是动作速度快，其性质是非调节性的，这就是通常理 解的“电力系统继电保护与安全自动装置”。 电力系统中的发电机、变压器、输电线路、母线以及用电设备，一旦发生故障， 迅速而有选择性地切除故障设备，既能保证电力设备免遭损坏，又能提高电力系统运 行的稳定性，是保证电力系统及其设备安全运行最有效的方法之一。切除故障的时间 通常要求小到几十毫秒到几百毫秒，实践证明，只有装设在每个电力元件上的继电保 护装置，才有可能完成这个任务。继电保护装置就是指能反应电力系统中电气设备发 生故障或不正常运行状态，并能动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 电力系统继电保护泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系 统，包括继电保护的原理设计、配置、整定、调试和校验等技术，也包括由获取电量 信息的电压、电流互感器二次回路，经过继电保护装置到断路器跳闸线圈的一整套具 体设备，如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。 电力系统继电保护的基本任务主要有两个，其一是自动、迅速、有选择性地将故 障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速 恢复正常运行；其二是反应电力设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动 作于发生信号或跳闸。此时一般不要求迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危 害程度规定一定的延时，以免短暂的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动， 要实现这两方面的任务就必须对电网继电保护装置在故障情况下进行校验。 近年来，国内外发生了多起重大的停电事故，经研究分析表明，其中有一些就是 由于继电保护装置的误动作引起的，如：由于励磁涌流引起的主变压器差动保护误动 作【1 】；由于短路引起的3 0 0 m w 发电机1 0 0 定子接地保护误动作【2 】；由于整定值偏大而 导致距离保护误动作【3 】；由于备用电源切换过程中冲击电流过大而引起过流保护误动 作【4 1 等等，对电力系统来说，这些是十分危险的，因此在外部系统故障时以及在对原 电网进行改造之后对原先配置的继电保护参数进行校验，是当前保障电力系统安全运 行迫切需要进行的工作。保护装置的整定值是否准确、合理，必须经过实际系统故障 的检验才清楚，但这种事后分析是被动的，可能给系统安全稳定运行带来一定的风险。 考虑到电力工业在整个国家经济中的重要地位，避免给系统运行造成不应有的危害， 第一章绪论 不可能主动在实际系统中进行实验，解决这一问题的有效途径是利用仿真技术，用计 算机来模拟电力系统故障时继电保护装置的动作行为，以校验继电保护整定结果是否 合理。 本课题主要是针对天津石化热电厂2 0 0 0 年6 月1 4 日的停电事故提出的，天津石 化热电厂正常情况下，自备电厂通过1 1 5 、1 1 6 联络线与上古林并网，1 1 7 线路作为备 用，联络线出口断路器装有低频解列装置。在2 0 0 0 年6 月1 4 日因为上古林一台变 压器检修，另一台变k 器故障，导致系统供电中断，石化热电厂瞬间带上吉林变电站 其他负荷运行，频率骤降使联络线解列形成企业孤网，自备电厂由于没有相应的事故 处理方案，造成全厂性停电，带来严重经济损失。这种停电事故有可能是由于继电保 护装置在故障情况下的不正确动作而造成的，因此对继电保护装置在电力系统故障时 进行校验这一课题有着重要的研究意义和应用价值。 1 2 国内外研究现状综述 对于发电机过流保护和失磁保护，国内外已有一定的研究，各企事业单位和研究 机构对这两种保护的动作情况给予了足够的重视，且对引起误动作的原因和误动作时 采取的改进措施进行了研究，现综述如下。 1 2 1 电力系统过流保护综述 电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见的也是最危险 的故障是发生各种形式的短路，在发生短路时流过故障点的短路电流很大，有可能破 坏系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解，因此就需要在系统 中装设过流保护。然而，在某些情况下，即使采取的过流保护装置的动作值和时间延 迟都设计得很合理，但由于系统发生振荡或过流保护与系统中其他的保护不能很好地 配合而导致其误动作，造成整个系统稳定的破坏，损失也是非常巨大的。随着电网结 构的日趋紧密，过流保护能否正确动作对整个电力系统安全、稳定运行非常重要。 一、相关概念 l 、过流保护的工作原理【w 】和特点 过电流保护就是将被保护线路的电流通过电流互感器接入过电流继电器，当线路 中短路电流增长到超过规定值( 即保护装置的动作电流) 时就动作，并以时间来保证 动作选择性的一种保护装置，可分为定时限( 即动作时间一定，与短路电流的大小无 关) 和反时限( 即动作时间与短路电流的大小成反比) 两种特性。一般来说，当电力 系统受到很小的干扰时，由于流过电路的冲击电流很小，达不到过流保护的动作值， 此时，保护不会动作，而当系统发生大的扰动时，电流达到保护的动作值后就会经过 一定的延时动作。 过电流保护的特点是装置构成较为简单，定时限过电流保护按其动作特性与时间 元件配合可组成二段或三段过流保护，但受电网运行方式影响较大，一般只能用于 3 5 k v 及l l o k v 以下的单电源配电线的电源侧和发、变电等设备的元件保护。它与方 2 第一章绪论 向继电器组合后也可用于部分不重要1 1 0 k v 及以下电网的联络线保护。 2 、过流保护接线方式 过流保护的接线方式是指保护中电流互感器与继电器的连接方式。正确地选择保 护的接线方式，对保护的技术、经济性能都有很大影响。其基本接线方式有三种：三 相三继电器的完全星形接线方式，两相两继电器的不完全星形接线方式，两相一继电 器的两相电流差接线方式。其中三相三继电器完全星形接线方式对各种形式的短路都 起保护作用，且灵敏度高，而两相两继电器不完全星形接线和两相一继电器的两相电 流差接线方式只能对三相短路和各种相问短路起保护作用，当在没有装电流互感器的 一相发生短路时，保护不会动作。 二、过流保护误动作原因及采取的措施 l 、励磁涌流与和应涌流的影响 8 - - “】及措施 励磁涌流实质上是开关操作引起的电磁暂态现象，是由于变压器内磁通饱和而引 起的，是励磁电流的过渡过程，此外，自动励磁调节装置的自激振荡和一次设备的铁 磁谐振等因素也会造成间隙性励磁涌流，励磁涌流的大小与合闸角有关，当合闸角为 零时，变压器铁心处于高度饱和状态，励磁涌流可达额定电流的函8 倍，即使不是合 闸角为零的极端情况，也有可能使过流保护误动。对于这种误动，一般采用带有二次 谐波闭锁功能的电流保护，以防止励磁涌流导致电流保护误动。 当变电站有2 台以上主变时，一台变压器的空载合闸，会产生励磁涌流，而如果 涌流较大，将使得并列运行的其他变压器中产生和应涌流【1 2 】。和应涌流的特征如下： ( 1 ) 合闸变压器电流始终具有涌流特征，但涌流衰减速度不一致，前面很快，取决 于系统与变压器电阻之和，后面很慢，仅与两台变压器的原边等效电阻有关；( 2 ) 系 统电流大小与涌流大小相关，开始几个周波有涌流特征，随着和应涌流的出现，系统 电流逐渐对称起来，涌流特征消失，同时期衰减速度很慢，与此时变压器涌流衰减的 速度一致。和应涌流由于具有涌流特征，因此其幅值也很大，且其持续时间较长，容 易造成保护误动，对于这种情况，考虑提高电流定值或引入电压闭锁元件，防止电流 保护误动。 2 、不平衡电压、电流的影响【m 1 6 】及措施 当系统故障为电机三相绕组的中心抽头错误接地所引起的时候，电网对地电压会 出现严重的不平衡，如此不平衡的电压加在电机三相绕组上，就会出现过流保护误动 作。对于这种情况采取将绕组中心头的地线改接电机外壳，使中心头悬浮即可。 3 、谐波电流的影响f 17 】及措施 由于系统中有电力机车运行时，会向系统注入一定的谐波电流，电容器组是谐波 电流的主要负荷支路，电容器的等值阻抗比正常方式要小，因此电容器流过的谐波电 流比正常方式要大，经过c t 转变到保护装置的二次电流波形发生严重畸变，谐波与 基波幅值叠加后，出现尖峰值较高的电流，当系统中的继电器采用静态抗饱和型电流 继电器时，由于其原理是检测电流峰值，则电流波形畸变程度越大，该继电器感受到 的电流有效值比基波电流有效值大得很多，则可能造成过流保护误动。对于这种情况， 一般采用将静态抗饱和型电流继电器换成电磁型继电器来防止其误动作。 第一章绪论 4 、冲击电流的影响 4 1 及措施 电厂厂用电在与备用电源切换的过程中，在合闸瞬间会产生冲击电流，冲击电流 是一个衰减极快的电流，它的大小与合闸速度有关，合闸时间越快，其残压衰减得越 小，因此，备用变压器母线电压和电动机残压的压差也越小，这样其合闸冲击电流也 越小。当冲击电流大于备用电源变压器过流保护整定值，就会使过流保护误动。对于 这种情况，可以采用以下措施：( 1 ) 采用快速开关；( 2 ) 尽可能快地投上备用开关； ( 3 ) 备用变压器过流保护加一定的时间延时以躲过冲击电流。 5 、变压器环流的影响【1 ”o l 及措施 当变压器产生励磁涌流时，由于励磁涌流中含有大量二次谐波和三次谐波分量， 而其中的三次谐波成分将耦合到低压侧的绕组内部，在a 绕组内部形成环流；当变 压器高压侧及出线发生接地故障时，将有零序电流产生，此零序电流同样将耦合到变 压器低压侧的绕组内部，在变压器绕组内部形成环流。对于变压器低压侧过流保 护，当环流大于过流保护整定值时，将会造成过流保护误动。对于由这种因素造成的 过流保护误动，一般采用通过一定的时间延时来躲过。 6 、电机启动电流的影响【2 1 1 及措施 对于工业企业供电系统，由于其电网处于电力系统的末端，工作电压很不稳定。 在负荷高峰期，工作电压可能低于额定电压1 0 - 2 0 1 2 2 】，而在负荷低谷期又可能超 过额定电压1 0 - 1 5 ，因此，电机的实际启动电流可能大于额定启动电流，从而可 能使过流保护装置误动。 对于干线过流保护的动作电流是按躲开一台最大电机启动，其他电机正常工作的 条件整定的。这种计算方法在并联电机台数少，且各并联电机容量相差较大时是合适 的。若并联电机台数较多，各台电机容量相近时，就有可能因多台电机自启动电流( 各 并联电机之和) 大于干线过流保护动作电流而使干线过流保护装置误动作。 有些机械设备在运行中需要反向运转【2 3 1 ，有时甚至是急停急开，此时电机相当于 反接制动。在此过程中，电机电流可能会达到额定启动电流的2 倍左右，因而也可能 使过流保护误动。 对于这几种情况下的误动一般采用增大可靠系数的方法来防止其误动。 7 、弧光接地故障引起的误动f 2 牛铂】及措施 如果接地故障不是一种纯金属性质的接地，而是一种间隙性的弧光接地故障时， 当线路较短时，接地电流是不大的，在这种情况下，许多临时性的弧光接地故障，一 般能够迅速熄弧，但是随着线路的增长和工作电压的升高，单相接地电流也随之增大， 许多弧光接地故障变得不能自动熄灭。电力线路一旦发生了不能熄灭的弧光接地故 障，由于电压的升高，电容电流也会随之而增大。一旦这个电流达到了过流保护的整 定值，就会造成过流保护误动作。对于这种情况下的误动，一般采用在电力线路中并 联电抗器以及调整过流保护整定值的方法来防止其误动作。 8 、系统振荡的影响及措施 当电力系统由于输电线路输送功率过大，超过静稳定极限；或由于短路故障切除 缓慢以及非同期自动重合闸不成功等原因引起电力系统振荡时，系统中会产生幅值和 4 第一章绪论 相位随振荡角不断变化的振荡电流【2 ”，当振荡电流大于过流保护的动作值时，保护发 生误动作。但是振荡时，系统失去稳定后的第一个振荡周期较长，后来振荡发展起来， 振荡周期就缩短。因此保护的动作时问只要大于1 5 2 s ，则在振荡中虽然过流继电器 会动作，但在出口元件动作之前过流继电器又返回了，所以不会造成过流保护误动作。 还可以在过流装置中加入振荡闭锁装置【2 ”，当系统只发生振荡而无故障时，振荡闭 锁装置将过流保护可靠闭锁，振荡结束后立即将过流保护开放【3 3 】，以实现对电力系统 的保护。 除上述原因外，运行维护部门、制造部门、设计环节以及各种误差也具有使保护 装置误动的可能。如继电器误差，电磁型一次式过流脱扣器动作电流刻度误差可达 5 l o 。所以，在考虑保护动作的误动作问题时，这些方面的因素也不可忽略。 三、过流保护发展趋势 过流保护装置在整个电力系统中起着举足轻重的作用，它动作的正确与否对系统 能否稳定运行有重大影响。因此，在电力系统运行中防止过流保护装置误动作就显得 非常必要。除了对工作人员进行严格的培训，在装置设计时合理设定其动作值和延迟 时间以及在装置中加设振荡闭锁或电压闭锁装置等措施之外，今后发展的趋势是研制 新型继电器，利用系统在故障时流过电路的电流的其它特性( 如电流的不对称性等) 作为保护的信号源，提高过流保护的可靠性，以保证过流保护在不应该动作的情况下 不发生误动，从而保证整个电力系统安全运行。 1 2 2 发电机失磁保护综述 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对发电机的安全可靠运行、系统的稳定 性、输电线的输电能力、保证电能质量、限制水轮发电机突然甩负荷时电压上升、提 高带时限的继电保护的灵敏度、断路切除后加速系统电压的恢复过程、自同期并列及 实现并列机组问的无功负荷的自动分配等方面均起着非常重要的作用。由于励磁系统 相对较为复杂，主要包括励磁功率单元和励磁控制部分，因而励磁故障的发生率在发电 机故障中是较高的。 发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失，它会对发电机和电 力系统造成很大的潜在危害，主要表现在以下几个方面：( 1 ) 发生故障的发电机从系 统吸收无功功率，通常失磁前带的有功越多，失磁后吸收的无功越多，造成系统无功 缺额，引起电压下降。( 2 ) 由于电压下降，系统中其它发电机在自动调节励磁装置的 作用下，将增加无功输出，引起某些发电机、变压器或线路过流，其后备保护可能误 动。( 3 ) 失磁后，由于有功功率的摆动、系统电压的下降，可能导致相邻的正常运行 发电机和系统之间或者电力系统各部分问失步，使系统发生振荡，甩掉负荷。同时失 磁故障对发电机本身也会造成一定的危害【4 3 l ：( 1 ) 由于滑差的出现，转子表面和励磁 回路中感应出差频电流，产生附加损耗和转子表层过热。( 2 ) 进入异步运行后，发电 机等效电抗降低，从系统中吸收的无功功率增加，失磁前有功越大，转差越大，等效 电抗越小，吸收的无功越多，由于过电流将使发电机定子过热。( 3 ) 定子端部漏磁增 第一章绪论 加，引起定子端部构件发热。 在发电机各类故障中，由失磁引起的故障占6 0 以上，居于各类故障首位，且低 励失磁保护配置复杂，现在还没有完善的失磁保护主判据，大型发电机尤其难以做到 准确动作。发电机单机容量的增大使得电机参数如x 。，x 。，工。等电抗值普遍增大， 引起发电机静稳储备系数减小，在系统发生失磁故障时极易失去静态稳定。由于励磁 系统相对复杂，所以故障发生率很高，并且失磁故障难以判断，失磁保护误动情况很 多，因而加强失磁保护的研究，找到一个合理而成熟可靠的失磁保护配置方案是十分 必要的。由于失磁保护的判据较多，闭锁方式和出口方式也较多，因此失磁保护的配 置目前在所有发电机保护中最复杂，种类也最多。从电网运行中反映，失磁保护的误 动率较高。 目前现有典型失磁保护判据均存在一些问题，转子低电压判据由于无需转子的机 械过程，动作灵敏迅速，但容易造成误动；机端定子阻抗判据是通过反应发电机机 端阻抗来判断发电机的失磁故障的，由于静稳边界圆存在一、二象限的动作区，在 进相运行程度较深时容易误动，且静稳边界阻抗圆由联系电抗和发电机直轴电抗确 定，在实际运行中，联系电抗是随系统运行方式变化的，应用该判据时只能依据联 系电抗给定值整定而不能变化，因而该判据在使用时有可靠性不高、不能满足自适 应功能的缺点；三相低电压判据由于在多台发电机并列运行时，可能造成单台发电 机失磁时不能将高压侧母线电压将下来而拒动；而逆无功功率原理的判据难于区分 进相运行和失磁故障时无功功率反向的特征，因此需要在以后的工作中不断改进失 磁保护判据。不同原理的失磁保护都曾出现过误动情况，以下列举一些误动实例加 以分析，并提出改进建议。由于部分失磁问题常被忽略且其危害极大，所以进行了 重点分析。 一、机组部分失磁运行状况的实际表现 根据对发电机在不同失磁条件下所做的有功变化分析，当发电机全部失磁且发电 机有功出力不超过额定值的5 0 时，功率变化范围不大。但当发电机部分失磁时， 除由于定子和转子间转差引起的感应异步功率外，还会由于剩余励磁的存在而发出 一部分同步功率，由于发电机转子与定子间的滑差造成功角的变化，因此发电机的 同步功率也会交替变化，这部分功率将引起发电机的输出功率剧烈摇摆，这种部分 失磁与全部失磁相比，危害更大。 二、失磁保护主要判据的误动实例及其改进【4 2 】 以下就失磁保护的三个主要判据，即静态稳定极限判据、励磁电压与有功判据 和异步阻抗判据进行比较，列举其误动实例并提出改进措施。 1 、静态稳定极限判据误动情况与改进 静态稳定极限圆和励磁电压与有功判据的边界都是以保证发电机不失去静态稳 定而建立的，从这一点看，两者是一致的。但两者间也是有差别的，静态稳定极限 圆是反映发电机端的电流与电压有效值的变化，其动作时刻对应于g - - 9 0 。时，从失磁 到此判据动作，发电机要经历一个等有功过程，转子要经过一个加速过程直到功角 摆开，即要经过一段延时，其长短与发电机的工况及与系统的联系情况等因素有关。 图1 1 是某型号保护的失磁保护原理图( 只给出与静态稳定极限判据有关的部分) 。图 6 第一章绪论 中t l 为长延时，t 2 为短延时，此判据在动模实验时发生了误动作，当时发电机一变压 器组高压侧发生三相短路，由于机组转动惯量小且满负荷运行，发电机很快失去静 态稳定，满足图1 中静态稳定极限判据，且满足系统低电压条件，故障切除后电压 恢复正常，但低电压判据返回较慢，导致失磁保护误动，因此该原理失磁保护应充 分考虑外部故障时防误动措施，低电压判据应瞬时返回，同时要与有关保护在时间 上合理配合，如果机组的容量较大，动作时间可以缩短，但不宜低于l s ，对于容量 较小且所连母线及出线保护配置不强的机组，整定时间不宜低于1 5 s ，同时尽可能将 位于第一、四象限的动作区去掉，这样对防止区外故障误动有一定好处。 图卜1 某机组失磁保护静态稳定极限判据 保护动作 2 、励磁电压与有功功率( u 。- p ) 判据误动情况与改进 与静态稳定极限判据不同，u 。p 判据动作速度显然要快，因为它无需转子的机 械过程，但过快的动作速度有时会带来误动作。例如五强溪电厂的失磁保护在外部故 障引起发电机甩负荷时误动，从录波图可以看出，可控硅励磁有脉冲丢失现象，造成 励磁电压短时下降，甚至降为负值，但短时的励磁电压降低对发电机并不会有很大的 影响，属于励磁调节器的正常反应。因此使用u 。- p 判据时应注意时间上的配合，时 间长短与励磁调节器的特性有关，一般应加l s 2 s 的延时。 另外要指出的是，u 。- p 判据斜率的整定中应注意空载励磁电压一定要采用实测 值，因为设计值与实际测量值间可能存在较大的误差，而此判据的斜率与空载励磁电 压成线性关系，因此可能导致动作区有较大的扩大或缩小，往往由于机组在投产前无 法得到实测值，因此可先按制造厂提供的设计值整定，待机组并网后尽快重新整定。 襄樊电厂机组失磁保护由于未及时修正整定斜率，导致在机组负荷较大时该判据误 动。有时发电机同步电抗局的设计值也存在较大的误差，应尽可能通过实测给予修 正。 3 、异步阻抗判据误动情况与改进 与以上两种判据不同，异步阻抗判据是在发电机发生失磁故障后才动作，由于此 判据动作区小，所以在一般情况下不会误动。应注意的是，发电机从失磁到失步一般 要经过2 s - q s s ，机组容量越大，轴系转动惯量越大，经历时间也越长，3 0 0 m w 火电机 组在正常情况下通常要4 s 以上。由于会出现功率摇摆，因此与系统联系不强的机组 不宜选用。水电机组因转动惯量较小且异步运行时机组振动较大，也不宜选用。只有 在与系统联系强且机组在系统容量中占有较小比重时才可以选用，同时由于异步阻抗 判据动作慢而且较可靠，所以不应经过太长的延时。考虑到对系统及机组的影响，容 7 第一章绪论 量较大的机组不宜超过0 5 s ，小机组可以略长，但不宜超过1 s ，以九江电厂失磁保护 为例进行分析可知，九江电厂的失磁保护在整定上存在较大的问题，其失磁保护原理 如图1 2 所示，系统电压原按8 0 u e 整定，由于有机组并联运行加之系统提供无功， 低电压的条件无法满足，因此失磁保护1 0 s 后才出口跳闸，引起机组与系统及局部系 统与主电网间的剧烈振荡。事故之后将保护的出口时间改为6 s ，但仍然太长。2 0 0 0 年7 月2 4 日在2 2 0 k v 出线b 相永久接地，3 号、4 号机先后发生失磁故障( 相差约几 秒钟，经分析为励磁调节器原理不正确) ，由于切除失磁机组较慢，系统承受了较大 的冲击。 ) 图1 - 2 电j3 号机失磁保护原理 三、发电机失磁保护发展趋势 随着机组容量越来越大，发电机失磁故障不仅对机组本身有较大危害，而且对 整个系统的安全稳定也产生越来越大的影响，因此加强发电机机组失磁保护的管理 是保证电网安全稳定的一个重要环节。同时也必须加快研发新型保护的步伐，在校 验方面，应根据机组的类型、容量及在电网中的位置合理选用不同原理的失磁保护， 考虑到最不利的失磁情况下允许机组的运行时间，就功率振荡而言，应以机组满负 荷时的l | 每界低励状态进行校验，除此之外还要加强对现场人员的培训，从而保证机 组和系统的安全稳定运行。 1 2 3 小结 从以上综述可以看出，对已有系统继电保护装置在系统发生故障时的动作情况 进行校验是非常有必要的，它能够提高系统运行的稳定性，给供电的持续性和可靠 性提供保障。 1 3 本论文主要工作 本文依托中石化集团公司项目的工程研究背景，借鉴现有的研究成果和分析方 法，根据企业电网的特点，利用电力系统分析综合程序构建了企业电网及其与外部系 统互联的数学模型，在大量仿真计算分析的基础上，对企业自备电网在外部电网发生 断线和短路故障时，发电机所配置的过流保护和失磁保护的动作情况进行了校验与仿 真。 8 第一章绪论 本文完成的主要工作如下： ( 1 ) 对石化系统发电机过流保护进行了计算校验。利用电路等值原理对石化热 电厂的结构图在给定的运行方式下进行等值简化，计算出在外部系统断线故障时的发 电机机端电流，与石化系统发电机过流保护的整定值进行比较。 ( 2 ) 对容易引起发电机失磁保护误动作的因素，如外部短路故障、发电机进相 运行以及系统振荡进行了详细的理论或仿真分析。 ( 3 ) 对石化系统发电机过流保护进行了仿真校验。在石化电网外部系统发生断 线和短路故障时，选取受电量最大和送电量最大两种运行方式进行了仿真分析，受电 量最大时，对无措施的情况和加装了切负荷以及s v c 装置的情况分别进行了仿真； 而送电量最大时，对无措施的情况和紧急控制以及加装s v c 的情况同样进行了仿真。 ( 4 ) 对石化系统发电机失磁保护进行了仿真校验。在石化电网外部系统发生断 线故障时，选取引起发电机进相运行的一种运行方式进行分析，通过计算发电机进相 运行深度来对失磁保护进行校验。 ( 5 ) 对仿真曲线进行机理分析，得出了在外部断线故障的情况下发电机过流保 护和失磁保护都不会误动作的结论，但对于短路故障，则会引起发电机过流保护动作， 对这种情况下采取的措施以及在短路故障时是否会引起失磁保护动作还需要进一步 的研究。 9 第二章天津石化企业电网数学模犁 第二章天津石化企业电网的建模 对现实系统的继电保护装置在外部系统故障情况下进行参数校验是一项风险很大 的工作，如果在实际系统进行校验损失将会给系统带来巨大的影响，损失比较大，目前 一般采取计算机仿真的方法来进行，而计算机仿真首先要对实际系统进行数学建模，本 章就是在p s a s p 仿真软件环境下对石化系统进行建模。 2 1 天津石化企业电网简介 天津石油化工公司是集石油、化工、化纤、乙烯等一体的大型生产企业，属于高耗 能用电大户，建立企业自备电厂是提高企业经济效益的途径之一。天津石化热电厂作为 企业自备电厂，主要负责企业的供电、供热任务。为保证石化生产动力供应的稳定性， 机组配置采用形式多样的小容量配置，在运行上互相补充。原一期工程的设计规模为 1 0 0 m w ，共装有2 2 0 t h 高压煤粉炉四台，2 c c 2 5 8 8 3 1 2 7 o 1 1 7 + 2 x c b 2 5 8 8 3 4 0 2 l 2 7 供热机组四台。随着2 0 万吨，年聚酯项目的建设，石化热电厂相应进行扩建，扩建规 模为1 0 0 m w ，共装有4 1 0 t h 高压煤粉炉两台2 x c c 5 0 培8 3 4 1 2 1 2 7 双抽供热机组。 扩建后燃煤热电厂的总规模为2 0 0 m w ，共装有六炉六机，采用母管制运行，机组间联 系紧密。另外作为一个老厂，随着企业的发展，动力供应的扩建增容，造成设备的技术 水平、基本状况差别很大，而且整体的设备水平不高，自动化水平较低，机组的调度运 行主要依靠经验。 石化热电厂目前的电负荷包括化纤厂、炼油厂以及生活区等用电，全公司电负荷约 在8 0 1 2 0 m w ，其中工业电负荷基本常年不变，而生活区电负荷变化较大，变化范围 在8 2 0 m w 。热负荷包括长年性工业热负荷和季节性采暖热负荷两种。在煤质不好的 特殊情况下，石化企业电网需要从外部系统受电，有时达4 0 m w ，但一般受电量在2 嗍 以下；在大多数情况下，厂内发电量有一定的余量，多余电量根据电力公司要求上网， 并在夏季参与调峰，送电量最高达6 0 多m w ( 这种情况很少发生) ，因此联络线交换有 功功率变化较大。由于并网协议的约束，天津石化热电厂无功功率稍有输出，联络线无 功功率交换可以忽略。厂内机组或4 台运行( 两大机两小机、一大机三小机) ，或3 台 运行( 两大机一小机、一大机两小机) ，或2 台运行( 两大机) 。为防止企业电网被外部 系统故障拖垮，在自备电厂出口联络线上装有低频解列装置，低频整定值为4 8 5 h z ， 延时o 2 s 。 天津石化企业电网由发电、输电、变电和用电设备等组成，可以形成一个独立的电 力系统。但是与传统大电网相比，石化企业电网有其独特的特点： ( 1 ) 自备电厂建立的最初目的就是为了使电力“自给自足”，因此，系统容量较小， 一般选用中小型发电机组，其孤网运行稳定性差，在外部系统发生断线和短路故障时很 容易失去稳定，使继电保护装置发生误动，给石化系统带来严重的经济损失。 ( 2 ) 热电负荷密集，电网比较小，输配电网络比较简单。但其生产具有高压、高 1 0 第二章天津石化企业电网数学模型 温、易燃、易爆，且连续生产的特点，有些化工装置的动力负荷一旦瞬间故障停电，还 会引起装置爆炸、起火等恶性事故，因此对热、电系统运行的安全可靠性以及热、电能 源的质量要求特别高，也就是对继电保护动作的可靠性提出了很高的要求。 鉴于以上这些特点，在外部系统故障以及在加装了各种提高系统稳定措施的情况下 对石化系统继电保护装置进行校验是很有必要的，这有助于保证继电保护装置在该动作 的时候迅速可靠的动作，而在不该动作的情况下不会发生误动，从而提高石化系统的稳 定性。 图2 1 企业电网及其与外部系统互联的等值结构 天津石化企业电网等效结构如图2 一l 所示，对于天津石化自备电厂来说，随着交换 功率的大小以及方向的变化，故障后过渡过程以及控制方案会有较大的变化。在同一交 换功率下，机组开机工况( 开机组合及功率分配) 变化，也会得出不同的结论。另外企 业负荷水平的变化要影响切负荷方案的制定，上古林变电站所带外部电网负荷的变化也 会影响结果。因此，运行方式的确定要考虑交换功率大小及方向、开机工况、企业负荷 水平以及上古林电网负荷水平的不同组合。根据第一章中分析的结果，这一特殊的企业 电网具有典型性。因此，本文以天津石化企业电网作为研究对象，通过分析其内部所配 置的继电保护装置在外部系统故障时是否可靠动作，来分析企业电网现有保护和控制系 统的合理性，并得出了一些有实际意义的结论。 第二章天津石化企业电网数学模型 2 2p s a s p 环境下模型的构建 电力系统分析综合程序( p s a s p ) 是中国电科院开发的一套软件，其用数学模型和 数值方法对系统的运行特性进行研究，可用来确定规划设计方案、拟订运行方式、整定 自动装置的控制参数、进行事故分析以辅助运行人员做出正确的决策，具有潮流计算、 暂态稳定、短路计算、网损分析、小干扰稳定分析的功能，并开发了接口程序和自定义 模块等多种功能，目前该软件功能强大，应用很广。 综合程序比较注重于大型电力系统的开发，因而，比较适合省级以上的大型电网的 计算分析，而对于地区及以下电网计算分析，尚有不足之处。如文献 6 2 所说，该程序没 有考虑厂站主接线图、交流线路“t ”型接线、一个母线( 节点) 挂多台发电机组( 综合 程序中一个母线只能挂一台发电机组) 和系统等值发电机等功能。图2 1 所示的电网等 效电路实际上就是按照p s a s p 的约束修改后的图形。 外部系统故障时，企业电网的稳定性与汽轮发电机及调速、调压系统、负荷特性、 保护和操作等因素的制约，稳定计算涉及上述各个方面的模型和参数。而p s a s p 已经 基本上具备了这些元件的通用模型，我们所要做的工作是，根据电网特点和研究目的， 选择合适的模型和参数。 2 2 1 外部大电网模型 仿真分析用简化电网结构如图2 - 1 所不。外部大电网司以等效为一无穷大电源，模 型采用e 电势恒定的2 阶同步发电机模型。模型的微分方程只有2 阶的转子运动方程： 乃百d o = 告一( - 妒q l ) 一d ( 一石o ) 2 矾 ( 2 1 ) 譬：( 一1 ) 2 a f o ( 2 彩 模型采用以下参数：8 - - 9 9 9 9 m v a ，等效发电机参数为：j ，二卸1 ，t j = 1 0 0 s ，d - 2 0 。 2 2 2 汽轮发电机的数学模型 电力系统的电能主要靠同步发电机产生，电力系统的稳定性在很大程度上是同步发 电机的稳定运行问题，理解同步发电机的特性和建立其精确的数学模型是极重要的基 础。工程仿真使用的同步发电机模型为用d q 0 坐标表示的实用数学模型。天津石化热电 厂6 台发电机组的数据充分，本文仿真中所用的汽轮发电机采用e 、群、e ：、e 电 势变化的6 阶模型，是发电机最精细的实用模型。模型中发电机转子d 轴励磁绕组f 及 阻尼绕组d 的次暂态和暂态电磁过程分别以彤和e 电势变化表示；q 轴考虑阻尼绕组 q 和g 的次暂态和暂态电磁过程，分别以研和e 电势变化表示。隐极机考虑g 的电磁 暂态过程，以描述隐极转子等值阻尼绕组电感和时间常数大，对应暂态过程阻尼强的物 1 2 第一二章天津石化企业电网数学模型 理本质。 模型方程式如下： 咒鲁= 书h x a - - x a ) l a + ( k o - 1 蚓 誓叫吨h 玑+ 之+ 警 譬= 一日+ ( x q - x ：) j 石。百d e j = 一e + ( z ：一z ：) + 日+ 百d e ； ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 乃了d m = 生一( ，一_ j ，g l ) 一d ( 吐 一五o ) 2 n f o ( 2 7 ) “lc u _ d 6 = ( c o 一1 ) z n f o ( 2 8 ) a g 各方程均以标么值形式写出，其中发电机角度占的单位为弧度；角速度c o 的单位是 以额定角速度2 7 r 兀( 弧度秒) 为基准的标么值；兀为5 0 h z ：时间t 的单位为秒。饱和 系数j b = l + b a * e q 忙”，a , b , n 为饱和参数；d 为阻尼系数，单位为秒，由于本模型已 详细计入阻尼绕组的电气阻尼，仅机械阻尼很小，d 取为零，不考虑饱和影响。方程式 中其它参数的含义可以参考电力系统分析综合程序用户手册，本文不作一一介绍。 2