（电力系统及其自动化专业论文）大型发电机失磁故障仿真及其保护研究.pdf

华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 摘要 失磁保护是发电机重要保护，发电机失磁对发电机及电力系统危害巨大。失磁 保护普遍采用异步阻抗圆、转子低电压及逆无功为主判据，当运行工况改变时，可 能降低保护可靠性和速动性。 本文详细分析了发电机失磁动态过程及失磁保护常用判据。对发电机失磁动态 过程进行分析；对失磁后电压、电流、功率、功角等进行理论分析。根据发电机不 同运行工况，重新设置与之相适应保护门槛值，使保护具有自适应性能。通过搭建 系统模型，模拟发电机失磁故障暂态过程，得到直接短路失磁时各变化量波形。与 理论分析波形进行比对，并分析原因。 根据故障数据分析验证保护新配置，结果说明，保护判据配置可靠、稳定。 关键词：失磁仿真，保护新判据，异步阻抗圆，励磁低电压判据 a b s t r a c t t h ee x c i t a t i o n - l o s sp r o t e c ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o t e c ti ng e n e r a t o rs y s t e m ， t h el o s so fe x c i t a t i o nh a sh u g eh a r mt og e n e r a t o ra n dp o w e rs y s t e m t h ee x c i t m i o n l o s s p r o t e c tu s u a l l yu s ea s y n c h r o n o u si m p e d a n c ec i r c l e ，r o t o rl o wv o l t a g ea n di n v e r s e r e a c t i v ep o w e rp r o t e c ta sm a i nc r i t e r i o n w h e nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o nc h a n g e s ，i tm a y d e b a s et h er e l i a b i l i t ya n ds p e e do fp r o t e c t i nt h i sp a p e r , t h ed y n a m i cc o u r s e ，h a r m ， a n s w e rm e a s u r ea n dc r i t e r i o no fe x c i t a t i o n l o s sp r o t e c to fg e n e r a t o ri sa n a l y z e di nd e t a i l d y n a m i cc o u r s eo fl o s e se x c i t m i o ni sa n a l y z e d t h ew a v eo fv o l t a g e ，c u r r e n t ，p o w e r ， a n g l ei sa n a l y z e di nt h e o r y a c c o r d i n g t od i f f e r e n tg e n e r a t o ro p e r a t i o n ，p r o t e c tt h r e s h o l d i sr e i n s t a l l e da d a p t i n gt oe a c ho p e r a t i o nc i r c u m s t a n c e ，t om a k ep r o t e c th a s s e l f - a d a p t a t i o n l o s se x c i t a t i o n f a u l tb e i n gs i m u l a t e di n g e n e r a t o r i n f i n i t ym o d e l ， c h a n g e sw a v ec a nb ef o u n d c o m p a r e dw i t ht h e o r yw a v e ，t h er e a s o no fs i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e sc a nb ef o u n d a c c o r d i n gt of a u l td a t a ，n e wp r o t e c tc o n f i g u r a t i o nc a nb e v a l i d a t e d t h er e s u l ts h o w st h a tp r o t e c tc r i t e r i o nc o n f i g u r a t i o na r er e l i a b l ea n ds t e a d y c h e ng u a n g ( p o w e r p l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gs h a o f e n g ，x i a o s h i w u k e yw o r d s ：e x c i t a t i o n l o s ss i m u l a t i o n ，n e wp r o t e c tc o n f i g u r a t i o n ，a s y n c h r o n o u s i m p e d a n c ec i r c l e ，l o wv o l t a g ee x c i t a t i o nc r i t e r i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文采样值相关度在微机线路保护中的应 用研究，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。 学位论文作者躲 0 ，又由于此时万尚小于静态稳定极限万赶( 汽轮发 电机万妇= 9 0 。，水轮发电机万红 0 ，且逐渐增大，转差电势e 。 0 ， 也逐渐增大，致使易下降速度减慢，比指数规律减慢，见式( 2 9 ) ，因而p 又上升， 形成在失磁初始短暂时间内p 产生的摇摆特性。从宏观意义讲，从失磁开始到临界 失步阶段，可认为有功功率p 基本保持常数。 在此阶段内，发电机电磁功率 等s i n 6 与原动机机械功率只基本保持平衡， a d + as t 则由式( 2 6 ) 可知： 害：0 ( 2 - l o ) d t 2 _ 1 4 u = 常数( 2 1 1 ) 一= 带钮y i | - _ - 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 即从失磁开始到临界失步阶段可认为转子以稍大于同步速的等角速运动，转差率s 基本平稳，不会显著上升。 2 3 2 失磁后异步运行阶段 发电机失磁后，以静态稳定破坏形式造成失步，不属于动态稳定问题。以灭磁 开关突然跳闸造成全失磁为例，虽然又励磁机供给的强迫励磁电流在定子内感生的 同步电势e 勘突然降低到零，但同步电势历并不突然降低到零，而是逐渐衰减。由 失磁开始到临界失步之间存在等有功过程；无功功率由原来的输出逐渐变为吸取。 发电机失磁后，有一渐变过程才会达到失步，属于静稳定被破坏。这与系统短路等 大干扰造成的失步不同，二者的主要差别为：系统短路时，可能万角只是短时地超 越静态稳定极限角，经过几次摇摆后，万可能自行恢复到同步，此即“动态稳定”； 自然，系统短路后可能出现“动态不稳定”造成失步，但这种失步后机组转速变化较 小。而发电机失磁后，一旦万 万打，就失步。失步后，除非采取了其他有关措施( 如 减载或恢复励磁等) 才可拉入同步，否则不会自行恢复同步，这是失磁失步的重大 特点之一；其特点之二是失磁失步后，机组转速剧烈增加。 失磁失步后，进入“异步运行阶段”，然后进入“稳态异步运行阶段”。这两阶 段内制动功率有：平均异步功率只。、以两倍转差频率变化的交变异步功率只由；若 为部分失磁，则还有以转差频率变化的同步功率弓。p ，。及片时正时负，均值为零。 异步运行阶段：原动机机械功率只大于平均异步功率尸。，转差率s 均值逐渐升 高，且由于只。及弓交变影响，致使s 随万角波动，随着s 平均值逐渐升高，只。逐 渐增大；由于变速器作用，p ，逐渐变小。发电机从系统吸取无功功率q ，；，随平均值 升高而逐步增大。 2 3 3 失磁后稳态异步运行阶段 汽轮发电机失磁后，允许异步运行时间较长，有时可达1 5 分钟或更长，这其中 大部分时间处于稳态异步运行阶段。 稳态异步运行中，实际转差率s 随时间波动，只是s 平均值为常数。在下述分 析中，首先假设s 对时间而言为常数，从而得出各参量主要变化规律，然后引入s 波 动概念。 严格讲，只是在发电机纵横轴完全对称，全部失磁达稳态异步运行后，且剩磁 也为零条件下，转差率s 才不随时间波动，为常数。显然，对汽轮发电机全部失磁 达稳态异步运行而言，上述条件近似满足。 假设汽轮发电机全部失磁达稳态异步运行。 9 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 全部失磁，强迫励磁电流感应电势e d p - - - - o ，百d 6 = i d s t = s = 常数，由公式( 2 7 ) 、 ( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 可得一阶一次线形微分方程。 堕d t + 专幺专咖& ( 2 - 1 2 ) 4 影 、7 其中：e 耐= ( 乃。一巧) 觑鲋 通解为： f 考虑t r ：( c e 彰= o ) ， 即为： 幺= p 弓防s i l l 黜+ c ) 仁 及= 万x a + 面x s t 巧 耻紫s i 妒口) ( 3 _ 1 4 ) 式甲：口= t a n l 田： 公式( 2 1 4 ) # j 并网运行汽轮发电机全部失磁达稳态异步运行后，同步电势易随 万角变化规律。推导条件是转差率对时间为常数。显然s 越大，岛波动幅值越大， 波动周期越短。 汽轮发电机输电系统功率特性为： 弓= 粤s i n 8 ( 2 1 5 ) j x d + xn 、 q ，= 最c o s 8 一矗 ( 2 - 1 6 ) 由( 2 1 4 ) 、( 2 一1 5 ) 可得： e = 若锅( s i n 2 t 罗- 墼2 i n 2 回 ( 2 _ 1 7 ) 7 ( x ：+ 爿0 ) 【1 + ( s 巧) 2 】 、 7 、7 s i n 2 万均值为1 2 ，s i i l 2 万均值为零，计及乃。= i x 而d + x j t 巧，并折算至发电机机端， e 均值为： 彰= 譬等品 仁埘 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 此推导只计及转子纵轴方向励磁绕组存在，没有计及漏磁通和阻尼绕组作用，公式 中彰只计及m ：分量。如果将转子各个回路磁通作用都计入，则平均异步转矩厶为： 厶= 彰+ 彰+ 巧 ( 2 1 9 ) 平均异步转矩为转差率s 函数，但变化特性不同。转子还承受交变异步转矩m 诂及 同步转矩m ，。 稳态运行时输出有功功率p 特性的大小和转差率s 、异步转矩特性，原动机调 速器调速特性及失励磁前有功输出大小有关。概括地讲，有功功率随时间作周期性 变化。 同理分析，由( 2 1 4 ) 、( 2 1 6 ) 得： = 一譬u f i 2 + ( 专一击) 者络 c 2 珈， 若计及纵轴阻尼绕组、横轴阻尼绕组作用，同步发电机全部失磁达稳态异步运行后， 机端吸取无功功率平均值的精确表达式为： = 一譬葛+ ( 击一击 嵩络+ ( 专一专) 青簖+ ( 玄一朝嵩络 由式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 可知： 发电机失磁后异步运行中，s 随时间上升， 频率、及无功功率平均值都将随s 上升而增大。 稳态异步运行时定子电流有效值是波动的， 机组吸收无功功率波动振幅、波动 其波动规律可由功率p 、q 有效值 及端电压甜，有效值算出。 同步发电机异步运行时定子电流大小与机组短路比有关。短路比越大，定子电 流越大。汽轮机短路比平均值为o 7 ，水轮发电机为1 。水轮机定子电流较水轮机大。 又水轮机稳态异步运行时转差率远大于汽轮机，水轮机振动较为强烈。由( 2 2 1 ) 知， 水轮机异步运行时自电网吸取无功功率较汽轮机大。所以水轮机失磁失步后不允许 长时间运行。 2 4 失磁过程转子参量变化规律 大型发电机失磁方式大致分为4 种情况【9 】： a 励磁绕组经灭磁电阻闭合短路失磁 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 经灭磁电阻闭合短路失磁后，励磁电流，下降，转子线圈内产生自感电势。 失步后，由于转子转速逐渐增加，大于同步转速，定子同步旋转磁场在转子线圈内 感应出转差频率矽的单相交流电势，此电势在第一个半波里的方向与失磁前电压同 向。失磁后，以转差率矽而交变的励磁电压的第一个周波呈现负值。随着转差率变 大，z ，变化周期( c = 去) 逐渐变小。励磁电压甜，负向峰值与转子线圈接入灭磁 影 绕组阻值心有关；r 。越大，j 三造成的压降越大，z ，负向峰值越大。“，负向峰值可 达额定励磁电压1 3 倍。通过电压变化特性可知电流变化。 b 励磁绕组直接短路失磁 转子线圈两端短路故障时，励磁电压甜r = 0 ，灭磁绕组r 。= 0 。励磁电压负向 极值振幅为零。通过电压变化特性可知电流变化。 c 励磁绕组开路失磁 开路失磁时，励磁回路开路，相当于灭磁绕组r 。= ，励磁电压材，负向峰值 最高，现代大型发电机有时可达2 千伏以上。因转子励磁回路有较大的电感，励磁 电流不可能立即减小到零，仿真中，忽略其他绕组间互感影响，近似认为励磁电流 经纵轴阻尼回路按指数规律衰减到零，故励磁回路电流方程为： 士 i f ( f ) = 0 ( o ) g 幻。 式中，f 邝) 为失磁后t 秒时的励磁电流，i f ( o ) 为失磁前瞬间( t = o ) 时的励磁电流，t d o 为纵轴阻尼回路的时间常数。 d 部分失磁 部分失磁后，励磁电压材，等于在励磁机尚能供给的强迫性直流励磁电压上再叠 加一个由定子同步旋转磁场在励磁绕组中感应的单相转差电势。虽然在部分失磁的 初始阶段中励磁电压不会下降到零，但是在失磁失步后的振荡过程中，由于励磁绕 组中转差电势的存在，致使z ，产生摇摆。 2 5 发电机失磁危害分析 在电力系统运行中，励磁开关误跳闸、励磁绕组短路或开路、交流励磁电源消 失等等都会引起发电机失磁故障。 1 2 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 发电机失磁后，将过渡到异步运行，转子出现转差，定子电流增大，定子电压 下降，有功功率下降，无功功率反向且增大；在转子回路中出现差频电流；电力系 统电压下降，某些电源支路过电流。所有这些电气量变化，均伴有一定程度摆动。 电气量的上述变化，在一定条件下，一方面威胁发电机本身安全，另一方面将 破坏电力系统稳定运行。 对电力系统而言，发电机失磁后危害，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 失磁发电机从电力系统中吸收无功功率，引起系统电压下降，如果系统无功储备 不足，将使系统中邻近某些点电压低于允许值，破坏了负荷与各电源间的稳定运行， 甚至使电力系统因电压崩溃而瓦解。 ( 2 ) 一台发电机失磁后，由于电压下降，系统的其他发电机，在自动调整励磁装置作 用下，将增加其无功功率输出，从而使某些发电机、变压器或线路过流，其后备保 护可能因过电流而动作，使故障范围扩大。 ( 3 ) 一台发电机失磁后，由于该发电机有功功率摆动，以及系统电压下降，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，使系统产生振荡甩 掉大量负荷。 ( 4 ) 发电机额定容量越大，失磁时引起的无功功率缺额越大。系统容量越小，补偿这 一无功功率缺额的能力越小。因此，发电机单机容量与系统总容量之比越大时，失 磁故障对电力系统不利影响就越严重。 对发电机本身而言，失磁产生不利影响，主要表现在以下几个方面【l 】： ( 1 ) 由于出现转差，转子回路出现差频电流。差频电流在转子回路中产生的损耗若超 出允许值，将使转子过热。特别是直接冷却高利用率的大型机组，其热容量裕度相 对降低，转子更容易过热。流过转子表层差频电流，还可能使转子本体与槽模、护 环接触面上发生严重局部过热甚至灼伤。 ( 2 ) 失磁发电机进入异步运行之后，发电机等效电抗降低，从系统吸收无功功率增加。 失磁前带的有功功率越大，转差越大，等效电抗越小，所吸收的无功功率越大。在 重负荷下失磁后，由于过电流，将使发电机定子过热。 ( 3 ) 对于直接冷却高利用率的大型汽轮发电机，其平均异步转矩最大值较小，惯性常 数也相对降低，转子在纵轴和横轴方面，也呈现较明显不对称。由于这些原因，重 负荷下失磁后，发电机转矩、有功功率要发生剧烈周期性摆动。对于水轮发电机， 由于平均异步转矩最大值更小，及转子在纵轴和横轴方面不对称，在重负荷下失磁 运行时，也将出现类似情况。这种情况下，将有很大甚至超过额定电磁转矩周期性 作用到发电机轴系上，并通过定子传递到机座。此时，转差也作周期性变化，其最 大值可达4 5 ，发电机周期性严重超速。这些情况，都直接威胁机组安全。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 ( 4 ) 失磁运行时，定子端部漏磁增强，将使端部部件和边段铁芯过热。由于发电机对 电力系统和发电机本身上述危害，为保证电力系统和发电机安全，须装设失磁保护， 以便及时发现失磁故障并采取必要措施。 2 6 失磁保护动作后应对措施 由于发电机失磁对发电机及系统本身危害，为保证发电机及系统安全，须装设 失磁保护，以及时检测失磁故障并采取必要措施。 不论何种原因造成失磁，保护装置均可有选择地、迅速地动作，这是保护基本 要求。但对于大型机组，此点难于做到。因大型机组励磁系统环节较多，灭磁开关 误动、设备故障、人员过失等造成失磁原因复杂；失磁后，发电机定子回路参数不 会突然发生变化；转子回路参数可能发生突然变化，往往又难于与其他故障和异常 工况相区别。因此，在探索失磁保护判据过程中，出现了多种原理配置方案。 失磁保护测出失磁故障后，可采取措施之一，为迅速将失磁发电机从电力系统 切除。但是，失磁对发电机本身及电力系统的危害，并不像发电机内部短路那样迅 速表现出来。另一方面，对大型机组，尤其汽轮发电机，突然跳闸会给机组本身及 其辅机造成很大的冲击，对电力系统也会加重扰动。因此，对于汽轮发电机，失磁 后还可以采取另一种措施，即监视母线电压。当电压低于允许值时，为防止系统振 荡或造成电压崩溃，迅速将发电机切除；当电压高于允许值时，则不应立即切除发 电机，而应首先采取切换励磁电源、切换厂用电源以及迅速降低原动机出力等措施， 并随即检查失磁原因和予以消除，使机组恢复正常运行，以避免不必要的事故停机。 如果在发电机允许时间内，不能消除失磁原因，则再由保护装置或由人工操作停机。 运行实践表明，此方法较为合理，在当前我国电力系统中，1 0 0 , - - 一3 0 0 m w 大型机组， 有多次在失磁之后用上述方法避免了事故停机的成功事例。 1 4 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 3 1 仿真系统模型 第三章发电机失磁故障仿真分析 - 抽d 印v 呵 卸ot m v a 叼 图3 1 单机一无限大系统图 仿真系统图如图，三台发电机通过输电线路与系统相连。 系统阻抗采用三相正序电抗，系统参数为： u = 5 0 0 k v ，r s = 0 ，x s = l o q 。 线路模型采用双万型等值电路。线路参数为： 吒= 0 1 6 3 7 0 e 一4 o h m s m ，r o = 2 6 3 4 0 e 一3 o h m s m 】； 五= 2 0 1 5 3 e 一3 o h m s m ，x o = 9 4 1 6 e - 3 o h m s m , x l c = 1 8 0 1 4 1 4 m o h m s 木m 】，x o c = 4 4 5 1 8 8 7 m o h m s 幸m 】。 线路两端采用并联高抗，参数为： q = 2 8 0 0 0m v a r 】，u = 5 5 0 k v 。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 3 2 发电机模型 图3 2 发电机一变压器联接图 发电机变压器模型如图，发电机经升压变与输电线路相连。带有机端负荷。 发电机模型包含定、转子系统，调速系统，励磁系统。 发电机参数： s = 6 6 7 m v a ，u = 2 2 k v ，i = 1 7 5 k a ； r 。= 0 0 0 0 1 p u 】，x 。= 0 1 3 0 p u 】； x d = 1 8 9 2 9 p u 】，x ：= 0 2 7 5 1 巾1 1 ，x 乡= o 1 9 8 5 o u 】； x q = 1 8 9 2 9 p u 】，= o 2 4 2 1 p u 】，群= o 1 9 8 5 p u 】； 吆= 8 4 4 6 s e e ，礁= 0 0 4 2 s e e ： = 0 9 3 8 s e c ，碟= o 0 4 2 s e c ； 1 6 华北电力大学( 北京) 硕七学位论文 励磁系统： 图3 3 励磁机图 励磁系统如图3 3 ； 励磁方式一自并励( 无励磁稳定器) ； 调速系统： 模型一s y n cm c ( 如图3 4 ) ； 转子段数一3 ； s = 6 6 7 m 瑚，刀= 3 0 0 0 r m i n ； t 转子转动惯量一乃l = 2 8 5 1 ，乃2 = 1 5 5 4 2 ，乃3 = 1 5 2 3 5 ； 发电机转动惯量一= 9 7 3 2s ； 图3 4 调速器图 转子扭矩一m 1 = 0 5 2 4 2 p u 】，鸠= 0 2 3 7 9 p u 】，m 3 = 0 2 3 7 9 p u 】； 变压器参数： s r = 7 2 0m v a ，x l ，= 0 1 4 ，x ，= 0 2 ，r = 0 ，联接方式一d ，y n 0 机端负荷参数： 最= 2 0 m w ，q = 9 9 1 6 m v a r ，c o s 吁o l = 0 8 5 1 7 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 3 3 励磁绕组直接短路失磁 3 3 1 励磁回路失磁模型： 图3 5 直接失磁模犁图 时间元件在5 s 处由0 跃变至1 ，由门电路逻辑关系可知，输出矽l = 0 ，c f l d l = 0 ； 矽l 为励磁机向发电机输送的励磁电压，c f l d l 为发电机向励磁机反馈的励磁电流， 当将其置零时，即可视为励磁绕组直接短路。 1 8 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 3 3 2 失磁波形及分析： a 有功功率 失磁波形： p o u l 1 2 0 1 0 0 - 一 0 8 0 - 3 e0 6 0 一 幔 k 霎0 4 0 ! o j 脯l 1 皿 0 2 0 - 0 0 0 。v - v 一 一 。一 一一 _ _ 。： 0 02 55 07 51 0 01 2 51 5 01 7 52 0 0 i 图3 6 有功输出波形 波形分析： 在失磁初始短暂时间，由于髟衰减时间常数巧与转子惯性时间常数m 不匹配， 造成有功功率p 略微下降，然后略微上升，继而平衡直到临界失步。再者，由于失 磁初始短暂时期，i d 8 ：0 ，转差电势e = 0 ，同步电势易衰减较快，万增加较慢， 致使局降低万还未加大，导致p 略有下降。随后，万增大，警 0 ，万尚小于静态 稳定极限万扛，s i n 8 0 ，且逐渐增大，转差电势e s 0 ，也逐渐增大，致使e d 下降 速度减慢，比指数规律减慢，见式( 2 9 ) 。因而尸又上升，形成在失磁初始短暂时间 内p 产生的摇摆特性。总体而言论从失磁开始到临界失步阶段，可认为有功功率p 基 本保持常数。 在临界异步运行阶段，输出功率尸，振荡衰减，逐渐趋于零。在此阶段，有功功 率基本保持不变时间，与发电机时间常数巧和静过载能力大小有关【1 0 】。 1 9 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 b 无功功率 失磁波形： 图3 7 尢功输出波形 波形分析： 初始同步振荡阶段，无功功率q 变化过程无摆动现象，波形为光滑曲线随时间 逐渐衰减，由失磁初始逐渐衰减到零，而后向系统吸收无功功率； 异步运行阶段，无功功率q 出现摆动，但与有功功率相比，摆动要轻微些，此 达稳定运行后，向系统吸收较多无功】 c 机端电压 失磁波形： 图3 8 机端电压波形 波形分析： 失磁过程中，机端电压三相对称，幅值振荡衰减逐渐至新稳定值，此过程中， 机端电压以两倍差频摆动，与系统联接电抗越大，摆动越明显，由于联接电抗一般 不大，故波动一般不明显。随转差增大，机端电压下降程度增大【1 2 】。 d 机端电流 2 0 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 失磁波形： c u r r e n tf o rg e n e r a t o 一嗽一 一i o a c b i i ii g a c c 波形分析： 失磁最初阶段，转差h 很小，定子电流下降，随着s 增加，从而使定子电流上升， 至新稳定值，此过程中，机端电流以两倍差频摆动【12 1 。 e 励磁电压 失磁波形： e x c i t a t i o nv o l t a g e 一 e f o 1 5 0 1 0 0 - i f 一门 f 一 i 。 “。 一- 1 r j 要 0 5 0 9 0 0 0 仁 暑0 5 0 仍 譬1 0 0 山 - 1 5 0 - v u f 一一一1 i 1 n n，een7e1 r ln4 ，e1 1 34 7 ，) nr l 。!1。，。，。，。刊 图3 1 0 励磁电压波形 波形分析： 失磁初始阶段，e ，下降，下降至极小值后，发电机失去同步，向系统吸收无功 功率，励磁电流由系统提供，励磁电压即而上升。 2 l acag一 玛 笛 。 药 巧 ， - - q y 一七o ci1。_仍ic西_j。-一亡mii 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 进入异步运行阶段， e ，作周期性摆动，此时，发电机吸收无功功率，建立旋 转磁场，向系统发送有功功率，发电机变为感应电机，即异步发电机运行”】。 转子角速度 失磁波形： 图3 1 1 角速度波形 波形分析： 失磁开始阶段，角速度略微增大，进入临界失步阶段后，角速度，由于电磁转 矩与机械转矩的相互作用，使得角速度先逐渐增大后逐渐减小，又逐渐增大直至发 电机失去同步，进入异步运行阶段14 1 。 g 功角 失磁波形： e l e c t r i ca n g l e 0 0 2 5 5 0 1 i 图3 1 2 功角波形 0 2 ， ， 一 一 一西p)|6翟l| 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 波形分析： 由于角速度变化特性，功角由失磁开始即逐渐增大，迅速达到功角极限，进入 异步运行阶段【15 1 。 h 机端测量阻抗 失磁波形： + ； o e n l ：p o l a rp l o t 。； * h w d 。一 一一。_ _ 一 xc o o r d i n a t eyc o o r d i n a t e 1 z r 。主x。蔓 _-一-_一 ； ； a p e r t u r e 一二碴 0 0 0 0 s2 0 0 0 0 s d t h 2 0 旦一2 工 p o s i t i o n0 0 0 0 图3 1 3 直接失磁阻抗变化图 波形分析 1 6 】： 失磁初始阶段，发电机机端测量阻抗从尺一工坐标平面第一象限进入第四象限。 此过程中，发电机有功功率基本保持不变( 略微波动) ，机端测量阻抗轨迹基本与理 论曲线相符，沿等有功圆运动。 在异步阶段，转子转速大于同步转速，发电机逐步达到静稳极限( 即临界失步状 态) ，接近静稳边界圆。 稳态异步运行阶段，功角不断变大，超越静稳极限后，平均异步功率与原动机 供给的机械功率相平衡，发电机进入异步运行阶段，此时机端测量阻抗在一轴附 近振动( 与一轴交点为d 、j ：) 。 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 第四章发电机失磁保护判据分析 4 1 发电机失磁保护典型判据分析 失磁后，机端测量阻抗、励磁电压、发电机与系统无功交换等都会与正常运行 有所不同，失磁保护根据这些变化分别构成定子判据、转子判据和逆无功判据。另 辅以机端低电压切换厂用和母线低电压加速跳闸判据。 a 定子判据1 7 】 定子判据阻抗特性一般选择为静稳定边界圆特性或异步阻抗圆特性，如下图。 ji j x 厂八 零吃芗一一 ji 拶 0。 童一雹歹7 a 静稳阻抗圆特性 8 异步阱抗圆特性 图4 1 失磁保护边界特性 阻抗特性在复平面上位置可任意。静稳边界阻抗动作特性为： 2 7 0 。a r g 孕訾 9 0 。( 4 - 1 ) 己3 一j aa 式中：z ，为测量阻抗。 为了防止在其他非失磁情况下测量阻抗进入动作特性内造成失磁保护误动，设 有相应的t v 和t v 断线闭锁措施；为躲过系统振荡的影响，设有延时间元件。机 端阻抗有t a ( i a - - 1 口) 和t v ( u 肋) 计算得到。 当发电机必须静相运行时，如按静稳边界阻抗圆整定不能满足要求时，一般可 采取无功进相躲开进相运行区，逆无功定值可整定，或按异步阻抗特性圆整定。 静稳定边界圆特性 优点：判据以静稳极限作为失磁保护动作必要条件，因此阻抗边界比较大，发 电机失磁后，机端测量阻抗会很快进入静稳边界内。该判据优点是能够尽快发现失 磁故障，以便及时采取切换励磁和减小有功功率的措施，为恢复正常励磁或稳定异 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 步运行创造条件1 8 1 。 缺点：由于静稳阻抗边界比较大，某些非失磁故障如三相短路、振荡都可能使 得测量发电机超越静稳极限引起保护误动。 异步阻抗圆特性 优点：能减少非失磁故障时的误动几率。此判据广泛应用于单机容量较小，处 于负荷中心附近的发电机组【19 1 。 缺点：对于远离负荷中心的大型发电机组，该判据并不合适，原因在于：异步 边界阻抗圆覆盖范围较小而且位于第三、第四象限，如上图所示，若失磁发电机与 系统之间联系电抗较大、负荷较重，其等有功阻抗圆就比较小，且主要位于第一象 限，在失磁初始阶段( 静稳极限尚未破坏之前) ，失磁阻抗轨迹可能不会与异步边 界阻抗圆相交，即使相交，停留的时间也很短，由于失磁保护的延时就不能动作2 0 1 。 b 转子判据1 7 】 等励磁电压判据的动作方程为： u ， u 疗 ( 4 - 2 ) 式中：u ，为发电机励磁电压，u 疗为发电机等励磁判据励磁电压整定值。 变励磁电压判据动作方程为： u u k s u 疗妒_ ) ( 4 - 3 ) u 疗i 、 7 式中：p 为发电机有功功率，为发电机凸极功率，k ，变励磁电压判据系数。 为保证机组空载运行及p p 轻载情况下完全失磁时保护可靠动作，在变励磁 判据中附加等励磁电j 玉判据。两者构成“或”门，它们在u ，一尸平面上的动作特性如 刚2 1 1 。 图4 2 u ，一p 动作特性曲线 优点：将励磁电压作为辅助判据，同时实现了以静稳边界作为失磁保护主判据， 主辅判据由同一判据完成，保护装置简化。反应灵敏，动作速度快。 缺点t 在实际装置应用中，由于励磁方式不同，有些励磁方式如无刷励磁不能 2 5 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 引出转子电压量，因而无法应用转子电压判据2 2 1 。 应从无功角度来考虑，以弥补采用定子判据不足。为了保证在机组空载运行及 轻载情况下全失磁时保护可靠动作，附加的等励磁电压判据即应该整定为固定且较 低值的励磁电压，如图中横线所示。 c 低电压判据 1 7 】 为避免有发电机失磁导致系统电雎崩溃威胁厂用电系统安全，还设有低电压判 据。电压取用主变高压母线t v 或t v 。 u ，。缸 之 ( 4 7 ) 4 2 发电机失磁保护新判据研究 4 2 1 发电机失磁过程机端阻抗特性 a 失磁开始至临界失步阶段 此阶段失磁发电机输出有功功率基本保持常数，无功功率由正值向负值变化， 2 6 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 机端测量阻抗z 变化规律为： z ：竺：竺墨兰茎星 = f 甍2 + 弘盯= 等2f 鼍+ 盯p j q 。j 8 2 pp j q s t 5 = 鲁c 掣警m 4 - 靠 8 ， = 一i 一- ，i l 一 j 2 p 、p 一 0 。 。 “ = 鲁等，+ j x p 鲋 2 尸、 一，p 。7 “ = 嚣+ 弘盯+ 嚣 式中 p 一发电机送至无限大系统端的有功功率，因忽略了l 中的电阻成分，故 该值也等于发电机机端送出的有功功率p = p ，= 只，； 级一失磁发电机送至无限大系统端的有功功率，其值由正变到负； z 一失磁发电机机端测量阻抗。 自发电机失磁开始到临界失步阶段，、l 、p 不随时间变化，为常数，级 随时间变化为，0 随时间变化，故公式( 5 1 ) 在阻抗平面是一个圆的方程，该圆称 为等有功圆，其圆心c 坐标为 耻箬 ( 4 - 9 ) 寥c = 以， 半径为各2 公式( 4 9 ) 表明：失磁发电机在等有功阶段中理论上机端测量阻抗随时间( 即随0 角) 的变化轨迹为等有功圆周的一部分，按顺时针方向变化。一定的等有功阻抗圆针 对某一定的有功功率p ，在圆周上各点，p 为恒定而级为变量。对应于发电机不同 的有功功率p ，可得到不同的等有功阻抗圆，其半径与p 成反比；户越小，圆半径 越大。 对除励磁线圈开路以外的其他类型失磁故障，从失磁开始到临界失步阶段中， 实测的机端阻抗随时间变化的曲线与理论的等有功阻抗圆弧相接近。对励磁线圈开 路的全失磁，实测z 与等有功阻抗圆弧差别很大。因为励磁线圈开路时，同步电机 变为感应电机，阻尼回路成了转子回路，转子速度上升很快，无功功率急速由正变 2 7 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 负，机组快速失步，且由于巧很小，失磁后日衰减很快，致使在失步以前发电机电 磁功率p 即下降，故在这种励磁线圈开路的情况下，不可认为在失步以前p 为常数， 机端测量阻抗导纳在失步以前随时间变化的轨迹并不沿等有功圆前进，而是剧烈变 化【l7 1 。 4 2 2 发电机失磁保护新判据【2 5 1 当发电机失磁后，失磁保护要迅速判断失磁故障，采取后续措施。由于失磁故 障危害巨大，失磁保护准确判断、快速动作，就成为失磁保护难点。 目前保护大多采用定子判据、转子判据和逆无功判据作为失磁保护主判据。故 判据中门槛值的整定就成为保护难点。对发电机失磁后电流、电压、功率、及功角 变化特性进行分析，针对不同运行工况，可选用不同的失磁保护门槛值，使发电机 失磁保护具有自适应性能【2 6 1 。 发电机失磁后，机端测量阻抗特性如下图。 - ，一篾亨功翻 ， 、 l o 一 ， 。-oi f 1 。2 。步 了盎 q - i喇2 q 弋 图4 - 3 机端测量阻抗特性 a 点：稳态运行点，此时： p f o 。, q 刈( 4 - 1 0 ) l 万 0 。 7 在稳态运行阶段，发电机输出有功功率越大，等有功圆越小，测量阻抗越接近 b 点。 b 点：临界进相运行点，此时： m 率 h 功功无收吸率功功有发统系 d 0 浆帆 勰 p r 一还p k 瞻进 ： 入时进此 机 ， 电点发行 ，运 后定 点稳此界过临 经 ：点 ip o ，q 0 ，x 时，瓦= 、 此处当发电机输出功率超过8 0 额定负荷时，设置也为1 2 x d ，当发电机输出功率 z ，4 口斗 ia b _ “仰_ i , i n + 图4 4 保护逻辑图 2 9 跳闸 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 v ij d 。 x | d | 2 磊： = = ( 0 3 c ：； |l | 、 u 1 2 x , 图4 5 异步阻抗圆阻抗( 抛球式保护) 特性图 图中： 1 汽轮机全失磁达稳态异步运行后机端阻抗随转差率变化的轨迹变化轨迹曲线； 2 失磁保护阻抗元件动作特性曲线( 整定规则1 ) ； 3 一失磁保护阻抗元件动作特性曲线( 整定规则2 ) ； 4 - e ，= b 、x 盯= 0 全相振荡时机端阻抗随时间变化轨迹曲线。 x b = 1 2 x d 时定值设置： i 段：x a = 寺x ：， 二 1 i i 段：以= 去彤， 动作方程为： x 6 = 互1x d + 1 ； x b = 1 2 x d i 段：z 2 + ( y + j 1a d 夕2 百1 ； i i 段：x 2 + ( y + l x a + 。6 x d ) 2 ( o 6 虬一百1a d ) 2 ； x 6 = 1 0 x d 时定值设置。 i 段：x 2 + ( 夕+ 互1a d j 2 i 1 ； i i ：x 2 地+ 丢石：+ o 5 2 ( 0 5 x d 一百1 矧2 ； 3 0 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 b 根据发电机进相情况，设置励磁电压判据门槛值【2 9 】： j q 1 0 0 o q a z v 时，u ， o 8 发电机处于进相工况下，为防止阻抗进入异步阻抗圆造成保护误动，适当降低 励磁电压判据门槛值，当发电机输出无功功率较少时，与发电机进相运行情况较为 接近，将门槛值提高1 0 3 0 1 ，进一步降低了进相运行或无功输出较少情况下保护的 误动概率，此处设置为o 6 ；发电机处于重载工况下，为提高保护动作快速性、灵 敏性，适当提高励磁电压判据门槛值，此处设置为0 8 【3 1 1 。 利用电力系统仿真平台，模拟各种运行工况下，发电机发生失磁故障时，电压、 电流、阻抗等故障波形，对保护进行校验。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第五章发电机失磁保护仿真分析 5 1 机端测量阻抗计算 机端测量阻抗可由发电机参数及有功、无功、机端电压计算得出。 一次值：z = 功= b ( s u ) = u x s ) 。= 哆磊一j q ) ； 二次值：z = z n u n i 5 一次值：，：u 撕云； 标么值：，+ = i i 。； i = i i 。； e = u + + x d ( 近似计算公式) ； 。、m 一电压、电流互感器变比； 例：发电机参数：p = 2 1 2mw ，q = 4 1 6mv a t ； 乩= 2 0k v ，i 。= 1 0 1 8 9 a ，髟= 1 8 ； 虬= 2 0 0 0 1 k v ，n i = 1 5 0 0 0 5 a 正常运行时机端测量阻抗： 一次值：z = u 2 p j q = 1 8 7 2 1 1 1 。 ( z = 折= u ( s u ) * = u x s ) 。= 川) ) 二次值：z = z n 。n i = 2 7 5 + j 5 4 一次值：，：u 西：6 2 1 z 一1 1 1 。 标么值：，= i i 。= 0 6 1 z 1 1 1 。 i = i i 。= 2 0 1 2 0 = 1 0 0 5 。 e = u + x d = 1 6 3 2 4 1 6 。( 近似计算公式) 3 2 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 5 2 保护判据a 验证 机端测量阻抗司由计算得出，也n - i 由仿真波形亘援读取。 发电机参数： x a = 1 8 9 2 9 ，彳：= 0 2 7 5 1 ； x 6 = 1 2 x d 时保护判据： i 段：x 2 m + 丢鼢2 丢； i if & ：z 2m + 言x ：+ 0 6 x a ) 2 _ ( o 6 髟一百1 剐2 ； 动作方程： i 段：z 2 + ( 少+ 0 1 3 7 ) 2 言； i i 段：x 2 + ( y + 1 2 0 4 ) 2 ( 1 0 6 7 ) 2 ； x 6 = 1 0 x d 时保护判据： i 段：x 2 + ( j ，+ j 1 a d j 2 i 1 ； i i ：x 2 + ( y + l x a + o 5 髟) 2 卿5 x d 百1 a d ) 2 ； 动作方程： i 段：z 2 + ( y + 0 1 3 7 ) 2 言； i i 段：工2 + ( ，