ARAS2741B数字式发电机失磁保护原理分析微型直放站

ARAS2741B数字式发电机失磁保护原理分析

ARAS2741B数字式发电机失磁保护原理分析 2011： 摘要：为了确保电力系统及发电机的稳定运行，本文介绍一种新型数字式发电机失磁保护装置的构成及基本原理。关键词：低励 异步运行 静稳边界 凸极功率0 导言发电机发生失磁故障后，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，无功功率反向并且增大；在转子回路中出现差频电流；电力系统的电压下降及某些电源支路过电流。由此可见发电机失磁故障严重影响大型机组的安全运行。ARAS2741B数字式发电机失磁保护装置（以下简称装置）主要是用于同步发电机的失磁保护。1 电气原理分析本装置由励磁电压检测元件、励磁电压-有功功率元件、阻抗元件、系统电压检测元件、负序电流、负序电压、过电流等元件组成。装置的保护功能方框图如图1所示。

图1 装置的保护功能方框图

当励磁电压Ufd降低或励磁电压－有功功率判据Ufd（P）有一个满足时，即发出失磁信号，使得系统管理人员能在发电机失去稳定之前及早采取措施，以免事故扩大。延时tfd和t2的作用是防止外部振荡等情况引起误动作。当励磁电压降低或励磁电压－有功功率判据与系统低电压（Uhl）判据均满足时，表明失磁已经危及到电力系统的安全，则迅速发出跳闸命令。延时t1是为了防止异步运行时系统电压短时降低而造成误动作。若励磁低电压判据或励磁电压－有功功率判据及阻抗判据得到满足，说明失磁故障已造成失去静稳，故发出失稳信号。为了防止励磁低电压判据和励磁电压－有功功率判据在转子绕组内部断线时拒绝动作，阻抗元件可经延时单独发出失稳信号，延时t3用于防止系统振荡时测量阻抗进入动作区误发失稳信号。失稳信号发出后，对于水轮发电机不允许异步运行，故经短延时（tTZ整定为短时间）发出跳闸；对于汽轮发电机，允许失磁后异步运行一段时间，同时监视定子电流，若定子电流大于1.05倍额定电流（该定值可整定），表明平均异步功率超过0.5倍额定功率，发出压出力命令，为发电机继续运行创造条件。稳定异步运行一般允许2～15min（即tTZ＝2～15min），过后再发跳闸命令以保证发电机本身安全。一般取t4=10s。如果失稳信号发出后，系统低电压元件动作，也将迅速发跳闸命令，以保证系统安全。为了防止在PT断线，系统短路故障，强减励磁，自同期并列及长线充电等异常工况下保护误动作，装置中采取了相应的闭锁措施。1.1励磁电压检测元件 (等励磁电压判据)励磁电压检测元件是一个低电压检测元件，当励磁电压满足下式时动作：Ufd≤(0.2～0.8)Ufd0 Ufd0为空载励磁电压大多数情况下失磁故障时，Ufd将下降为零或负值，而很多外部短路系统振荡等情况下Ufd有较高的数值。1.2励磁电压－有功功率元件 (变励磁电压判据Ufd(P))励磁电压－有功功率元件Ufd（P）检测发电机机端输出的有功功率P和励磁绕组两端的励磁电压Ufd。其整定值Ufd.set自动随P变化。设发电机失磁初始的有功功率为P，失磁后到静稳边界之间为等有功过程，故达到静稳边界时的有功功率也为P。汽轮发电机的稳态输出有功功率为：

水轮发电机的稳态输出有功功率为：

式中Ux－系统电压　　Ed－发电机电势　　　Xs－系统电抗XdΣ＝Xd＋Xt＋Xs　XqΣ＝Xq＋Xt＋Xs　　　Xt－变压器电抗式(2)中的为水轮机凸极功率，则式（2）可写为：

当发电机失磁达到静稳极限边界时，功角δ＝90°由此可得出如下边界方程：对于汽轮发电机对于水轮发电机式中：Edj－发电机静稳极限电势当不计磁路饱和时，发电机的同步电势与励磁电流成正比，而励磁电流与励磁电压成正比，所以同步电势与励磁电压成正比。设Edj＝K1·Ufdj（Ufdj为极限励磁电压），代入（4）和（5）式中，分别得到下面两个方程：对于汽轮发电机

对于水轮发电机

式中k1可以从发电机空载特性曲线的直线部分得到，不同的机组k1值不同；相对于不同机组作为定值输入。由以上分析可知：静稳极限时，励磁电压与输出有功功率之间是线性关系，斜率为K。汽轮发电机的励磁电压－有功功率特性是通过原点的一条直线。水轮发电机机端输出功率中含有凸极功率PT一项，因此水轮机励磁电压－有功功率特性是通过PT的一条直线，如图2所示。直线下方为发电机失步区，也即为保护动作区。励磁电压－有功功率元件的整定值Ufdset就是极限励磁电压Ufdj。它自动按图2中的直线关系随有功功率P变化，因此可得出下列动作判据：汽轮发电机Ufd≤K·P　　　　 (8)水轮发电机Ufd≤K·(P－PT) 　(9)

a) 汽轮发电机 b) 水轮发电机图2励磁电压-有功功率特性

1.3阻抗元件阻抗元件作为失磁保护的定子判据是同步发电机中常用的判据，即利用定子回路的参数变化来鉴别发电机的失磁故障。当发电机正常运行时，机端测量阻抗为负载阻抗，当发电机失磁后，随着无功功率输出方向的改变，机端测量阻抗的轨迹由第一象限逐步进入第四象限。进入静稳边界，此时发电机的机械功率与电磁功率失去平衡。一旦进入静稳边界后，发电机将不可避免地进入异步运行状态。在其它条件相同时，失磁前有功功率越大，到达失步所需的时间越短。当发电机失磁后，功角δ逐渐增大，当δ＝90°时，处于临界失步状态。发电机的机端测量阻抗为：

由功角特性可知

在临界失步（即δ＝90°）时，发电机送至系统的无功功率为：

将式(11)代入式(10)得：

式(12)是一圆的方程，圆心为。除发电机电抗外，不同的系统阻抗Xs，变压器电抗Xt决定了阻抗圆的位置和大小。阻抗圆特性如图3所示。苹果圆形阻抗特性是由两个圆心坐分别为[R0,-jX0]和[-R0,-jX0]两个圆构成，如图4所示。

图3阻抗圆特性 图4苹果圆形阻抗特性

系统电压检测元件检测变压器高压侧电压，其动作判据为：U≤(0.5-1.0)Uhn式中Uhn为变压器高压侧额定电压。发电机失磁以后，发电机从系统中吸收无功功率，引起系统中电压变化，尤其是大容量发电机经长输电线与小系统相联系，发电机的失磁导致系统电压严重下降，系统不能稳定运行，威胁系统安全，此时必须将发电机从系统中切除。2异常工矿的处理2.1系统故障当系统发生不对称短路或系统短路或短路切除后引起振荡时，都伴随有负序分量的出现，而失磁过程中，没有负序分量，因此装置中设有负序分量检测元件和装于A相的电流检测元件用以判别系统的故障。当检测到同时有负序电流和负序电压时闭锁本装置保护出口。当A相的电流超过本装置的整定值时，也闭锁本装置保护出口。2.2　系统振荡防止系统振荡导致本装置误动，除了采用负序分量元件外，还采用延时来躲过震荡。振荡时只是周期性的进入阻抗动作区，而不长期停留在动作区内。考虑较长振荡持续时间情况，阻抗元件采用t3=1.5s延时。励磁电压－有功功率元件采用t2=0.35s延时。2.3　强减励磁如果测量到机端电压高于本装置的给定定值时，而励磁电压低于本装置的给定定值，则确认为是强减励磁工况。闭锁本装置保护出口。2.4　长线充电发电机对长线充电进行零起升压实验时，机端测量阻抗是容性阻抗，线路越长，阻抗的绝对值越小，越易误动，实验表明，线路电压等级越高，机组容量越小时，误动的可能性越大，装置采用开入量的方法闭锁保护。2.5　自同期自同期并列，是把转差|S|<0.1，未加励磁的发电机投入系统，当出口断路器合闸后，立即合灭磁开关，给上励磁，把发电机拉入同步，因而自同期过程是失磁的逆过程。当合上出口断路器之后，机端测量阻抗的端点位于异步阻抗圆内，使装置误动，因此本装置采用开入量的方法来闭锁保护。当长线充电或自同期开入任一条件满足时，发同期充电数字信号。2.6　PT、CT断线PT断线时，阻抗变小，导致阻抗元件误动，励磁电压－有功功率元件中有功功率受到影响，功率减小，不会误动，因此，PT断线闭锁主要是对阻抗元件而言。机端PT断线判断采用负序分量的方法，计算机端电压，电流的负序分量，当负序电压大于本装置的给定值，而负序电流小于本装置的定值时，认为PT断线，发信号，并闭锁阻抗元件。当负序电压小于给定值，而负序电流大于定值时，认为CT断线。3结束语1991年颁布的《继电保护和安全自动装置技术规程》明确指出“100MW以下，但失磁对电力系统有重大影响的发电机和100MW及以上发电机，应装设专用的失磁保护。对600MW的发电机可装设双重化的失磁保护”。由此可见，这种保护的重要性。【参考资料】[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.中国电力出版社,1996[2]王广延.电力系统继电保护原理与运行分析.中国电力出版社(end)

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