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結構原理
同步發電機三阻抗元件失步保護原理的改進
頁面更新時間:2016-02-20 09:41

      

  (1.清華大學電機工程與應用電子技術系,北京100084;2許昌繼電器研究所,許昌461000)。隨著我國電力系統c中組和線路的不以蔬gHouse.ngxhebookmark1步保護原理進行了分析和評價,在此基礎上提出了具有多重啟動元件、可根據頻率變化量自動調節失步保護與預測啟動角、并利用最小二乘法預測功角變化軌跡的改進方案。改進后的失步保護方案能夠區分故障、靜穩破壞以及動穩失步等情況,并實現發電機的失步預測功能,提高了失步保護的性能。對振蕩中心在發電機變壓器組外部與內部等情況進行了發電機失步預測試驗,試驗結果驗證了改進方案的正確性與可行性斷發展,失步保護的重要性日益突出由于機組的慣性系數相對減小電抗較大,相對系統的等值電抗減小,以及故障清除時間較長等因素加了同步發電機組失步的可能性失步將導致發電機的電流劇烈振蕩,機端電壓波動在失步期間產生的機械力和熱效應可能損壞發電機的轉軸和定子線圈,并且一臺發電機的失步可能擴展到其它發電機,如果不及時采取措施,最終將導致大面積停電因此,對大型發電機組宜裝設失步預測及保護元件。

  目前保護失步及預測原理主要有:基于機端視在阻抗變化軌跡的保護原理,基于間接反映功角變化的保護原理,基于直接測量功角或角速度的保護原理以及基于能量平衡的保護原理就目前國內發電廠和主要制造廠家而言,在發電機一變壓器組微機保護中應用比較成熟和廣泛的是基于機端視在阻抗變化軌跡的三阻抗元件失步保護。但三阻抗元件失步保護原理本身存在一定的不足,所以有必要對其加以分析和改進,以提高其在現場應用的性能1三阻抗元件失步保護的評價基于單機-無窮大系統()的發電機三阻抗元件失步保護動作特性線如所示,對其作簡要評述如下:三阻抗元件失步保護不具有失步預測功能,當它動作之后,從避免失步來看,己為時太晚,保護動作結果只能是切機或解列,而沒有時間采取相應的抑制失步措施保持系統穩定。

  透鏡特性元件右側的內角整定后,左側的內基金項目:國家重大科技項目(攻關)計劃子課題基金項目:畢大強(1973-),男(漢),河北,博士研究生通訊聯系人:王祥珩,教授,角也相應確定,即兩側內角只能整定為一相同的固定值,但這樣整定不利于切機時刻的選取在發電機第一次擺過180*時,三阻抗元件原理不能區分是靜穩破壞還是動穩失步。

  2三阻抗元件失步保護的改進2.1系統功角的計算假設系統各元件阻抗角相同,則發電機與系統之間的功角W由機端測量阻抗Z和發電機暫態電抗zg以及發電機與系統的聯系電抗Zst所組成的封閉阻抗三角形來決定各阻抗分別乘以電流可得到如所示的各電壓向量,圖中發電機電勢Eg與化,功角的計算對失步保護的改進有重要作用。

  2.2增設失步保護與預測啟動元件為使失步保護與預測裝置可靠啟動,當滿足下列情況時啟動失步與預測:保證裝置正常工作的計算精度,最小電流必須大于0.1/N,否則失步保護閉鎖。

  失步過程中電壓幅值發生變化,電壓降到小于0.92Un是趨向失步的一個伴隨特征。

  失步過程伴隨著頻率的偏移,通過檢測發電機滑差頻率下限是否大于0.2Hz來區分靜穩破壞還是動穩失步;滑差頻率上限是否小于8Hz用來區別短路與振蕩。

  發電機功角W大于額定運行功龜上述4個啟動元件的邏輯關系是(1AND 4,從而保證失步保護與預測裝置的可靠啟動2.3動作特性的改進系統電勢Es之間的相角差就是功角W即率fs=應該注意在穩態時求功角應使用發電機的同步電抗Zg,而不是zg透鏡特性左半部的內角完全是根據有利于斷路器斷開的功角整定,切機角與啟動角沒有關系,更有利于斷路器跳閘和預測報警。對于失步以后的滑極次數的記錄與原來的保護方案相同。

  4失步預測算法振蕩過程中,功角W隨時間在0~ 360*之間變不穩定,在暫態過程的短時間內發電機與系統之間與原三阻抗元件動作特性相比,改進后的動作特性如所示,它保留了阻擋器直線阻抗元件B和電抗線阻抗元件C,改進的關鍵在于把透鏡特性阻抗元件A左側的內角整定為失步后切機角,而把右側放開右側啟動角由啟動條件3或4決定,因為在不同的運行條件下對應啟動條件3的功角是不同的,這樣可以根據滑差頻率大小自適應調節失步保護與預測裝置的啟動角。

  的功角可以看成是一個隨時間連續變化的過程,功角預測可以采用多項式回歸模型:數a,a\,…,a,m根據功角歷史觀測數據計算出,在開始預測之前己經觀測到N+1個功角值W(),W(At),…,W(NAt)(At為采樣間隔)根據最小二乘法,預測模型中參數向量的計算式為:記T=,(k=N+1,…,N+i)由式(2)計算出多項式參數,再由式(1)計算出以后不同時刻的功角預測值:…+bNkW(NAt)。因為H(N)是一個常數陣,所以B(N)可事先離線計算出來再根據預測時刻kAt,可離線計算出所有不同預測時間對應的預測方程系數向量及=r B(N)=,預測方法的在線計算量小。為提高預測計算精度,采用滾動預測,不斷采集新數據,用最新的采樣值更新預測數據窗的數據25不同運行工況的區別為提高預測的可靠性,必須正確區分短路故障與振蕩、靜穩破壞與動穩失步。

  正常運行時機端阻抗較大,當發生短路故障時,機端阻抗將變得很小,即發生躍變這樣按照機端阻抗變化軌跡計算的功角也將發生突變,由功角變化率計算出的相應滑差頻率也將突變按照要求檢測的最大滑差頻率,整定規定時間內功角的最大變化范圍,用以區分短路與失步。因為靜穩破壞的過程比較緩慢,相應滑差頻率很小,利用功角變化率小于最低滑差時對應功角的變化率,可以區分靜穩破壞與動穩失還須區分由于短路時間比較長,導致阻抗軌跡停留在一點不動時的情況通過區分短路與振蕩的情況后,再利用區分靜穩破壞與動穩失步的條件就區分發電機加速失步與減速失2.6失步預測判據當預測的功角值大于預先整定值時(通常為180*),則預測發電機即將失為提高失步預測的可靠性,可采取多次表決的方式,在連續幾次預測出失步時,則判斷為發電機即將失步。

  預測出失步后,發失步報警信號,同時提供相應的繼電器出口,并可與安全自動裝置相結合,通過快關氣門、電氣制動等措施來提高系統的運行穩定性,盡可能避免發電機失3失步預測的試驗結果利用改進后的三阻抗元件失步保護與預測裝置,在動模試驗機組上驗證了失步保護的預測功能其中發電機的主要參數是:S 36.GQ;變壓器的主要參數30kVA,Zt=2.們,n=1.1kV/400V;振蕩中心在發變組外時,線路參數是:Zs=16.6,85";振蕩中心在發變組內時,線路參數是:Zs=2.幻,h=85:300ms計算出功角的變化來預測發電機是否將要失試驗中采用二階曲線預測模型,取預測時間為230ms,利用每隔10ms觀測的12個數據組成歷史數據窗,連續3次預測出失步后發出告警信號。為及早開始預測,試驗中采用當功角大于一較小值時啟動預測針對振蕩中心在發變組外與發變組內分別進行了試驗,限于篇幅此處僅給出振蕩中心在發變組外的三種試驗工況下機端三相電壓與電流錄波圖,以及失步保護啟動與失步預測判據的動作情況。工況可判斷出此種情況1:增加有功輸出使發電機的靜穩被破壞,保護在功角為102*時(見),提前210ms預測出發電機將要失步;工況2機端發生三相短路,故障被清除后護在功角為84*時(見),提前200ms發出失步報警故障后穩定故障后失步當振蕩中心在發電機組內時,試驗發電機失步很快,導致預測量較小。因為試驗中功角的計算都采用發電機暫態電抗,所以當發電機靜穩失步時,雖然能夠反應功角變化的趨勢,但功角的計算值偏小。

  試驗過程中,改進的保護方案能夠正確地預測出發電機的失步情況,失步預測的時間提前量將為抑制失保持發電機穩定提供可能4結論本文對三阻抗元件失步保護原理存在的不足進行了分析,提出了改進方案根據發電機失步過程的特征增設了多重啟動判據,能夠區分故障與振蕩,靜穩破壞與動穩失步等運行情況,提高了失步保護啟動的可靠性通過對失步保護動作特性的改進,使保護能夠根據滑差頻率大小自適應調節失步保護的啟動角。引入功角的計算與預測,使三阻抗失步保護裝置增加了失步預測功能,可以提高發電機與系統的運行穩定性實驗結果驗證了改進后原理的失步預測功能致謝:試驗過程中得到了許繼集團有限公司電力系統動模試驗室俞鏞偉高級工程師的幫助,在此表示感謝。

 

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