CN100428605C - 凸极发电机失磁保护方法 - Google Patents

Abstract

凸极发电机失磁保护方法，根据发电机机端电压、电流计算阻抗：Z_OP然后比对计算阻抗是否进入阻抗动作特性区；在当前相角上满足：|Z_op|＜|Z_zd|，判为进入发电机失磁保护静稳边界动作区；Z_zd由下式定义，从给定发电机静稳极限功角δ_j，求出相应的母线静稳导纳边界Y_s，已知Y_s，求出机端测量静稳阻抗边界为：R+jX，只需整定发电机直轴同步电抗x_d、发电机交轴同步电抗x_q、发电机组系统联系阻抗x_s，得到整定阻抗动作特性。进入凸极发电机失磁保护阻抗动作区，与无功反向判据配合，延时动作，得阻抗特性。

Description

凸极发电机失磁保护方法

技术领域

本发明涉及一种水电机组和水轮发电机的失磁保护方法，尤其是指对水轮发电机、抽水蓄能等机组的凸极发电机失磁保护的保护方法，提出一种凸极发电机失磁保护阻抗新判据。

背景技术

现有凸极发电机失磁保护原理：尽管凸极发电机失磁后静稳阻抗边界如图1，现有失磁保护阻抗判据一般采用苹果园来模拟水轮发电机的静稳边界圆，如图2中虚线阻抗特性。

很明显，苹果园阻抗特性(图2中虚线)与凸极发电机的静稳边界圆(图2中实线)不能很好地吻合，并且整定复杂，因此，采用苹果圆阻抗特性不能完全反映水轮发电机组的失磁故障。图2、凸极发电机失磁保护静稳边界阻抗特性；对于凸极发电机，部分采用异步阻抗圆来实现失磁保护，如图3中虚线阻抗特性，很明显异步阻抗圆与静稳边界圆差距更大，曾导致550MW水轮凸极发电机失磁保护的拒动，因此，选择采用合适的失磁保护阻抗判据是非常迫切的。

发明内容

本发明目的是克服现有异步阻抗圆等判据来实现失磁保护凸极发电机的不足，为了真实地反映水电机组的失磁故障，采用实际凸极发电机的静稳边界来实现失磁保护，防止了凸极发电机在轻载、进相等运行方式下的误动。也不会出现用苹果园拟合静稳边界不合理等判据可能导致失磁保护的不正确动作。选择更合理的失磁保护阻抗判据来保护凸极发电机，包括水轮发电机、抽水蓄能等机组等。

本发明目的是这样实现：凸极发电机失磁保护方法，新判据及其实现方法是：根据发电机机端电压、电流计算阻抗：

$Z_{\mathrm{OP}}=R_{\mathrm{OP}}+j{X}_{\mathrm{op}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_T}{{\stackrel{\·}{I}}_T}---\left(1\right)$

将计算出的阻抗幅值与同相角上的阻抗定值比较，判别是否进入阻抗动作特性区，在当前相角上满足：

|Z_op|＜|Z_zd|                                    (2)

判为进入发电机失磁保护静稳阻抗动作特性区；

其中

为发电机机端电压，

为发电机机端电流，R_OP为阻抗的实部，X_op为阻抗的虚部；将计算出的阻抗幅值Z_OP与当前相角上的阻抗定值Z_zd比较，判别是否进入阻抗动作特性区；在当前相角上满足阻抗判据：

Z_zd由下式定义，从给定发电机静稳极限功角δ_j，求出相应的母线测量导纳Y_s，已知Y_s，求出机端静稳边界阻抗。其中R、X如(10)、(11)式所定义。 $R+\mathrm{jX}=Z_{\mathrm{zd}}=\frac{1}{Y_s}+j{x}_s---\left(9\right)$

$R=\frac{\mathrm{atg}{\mathrm{\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j}{{\left(\mathrm{atg}{\mathrm{\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j\right)}^2+{(\mathrm{aco}{s}^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})}^2}---\left(10\right)$

$X=x_s-\frac{a{\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}}}{{\left(\mathrm{atg}{\mathrm{\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j\right)}^2+{({a\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})}^2}---\left(11\right)$

只需整定发电机直轴同步电抗x_d、发电机交轴同步电抗x_q、发电机组系统联系阻抗x_s，自动计算可以得到x_d∑、x_q∑、 $a=\frac{1}{x_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}},$ 得到整定阻抗动作特性；

进入凸极发电机失磁保护阻抗动作区，与无功反向判据配合，得阻抗特性|Z_op|＜|Z_zd|；无功反向判据的无功反向定值Q_zd范围为0-50％的发电机额定功率，发电机机端无功功率Q_OP；无功反向动作判据为：

Q_OP＜Q_zd进入凸极发电机失磁保护静稳阻抗边界动作特性区，与无功反向辅助判据配合，保护延时动作；

当无功反向定值Q_zd整定为0时，|Z_op|＜|Z_zd|阻抗动作特性相当于原静稳边界特性去除一、二相象限部分的动作区域。

$Z_{\mathrm{zd}}=R+\mathrm{jX}=\frac{1}{Y_s}+j{x}_s---\left(3\right)$

现有的水轮发电机、抽水蓄能机组等机组均为凸极发电机，其静稳边界与隐极发电机有很大差别，分析如下：对于凸极发电机，在稳态情况下，无穷大电源母线处通过的有功和无功功率为：

$P_s=\frac{E_q{U}_s}{x_{\mathrm{d\Σ}}}\sin \mathrm{\δ}+\frac{U_s^2}{2}(\frac{1}{x_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})\sin 2\mathrm{\δ}---\left(4\right)$

$Q_s=\frac{E_q{U}_s}{x_{\mathrm{d\Σ}}}\mathrm{COS\δ}-\frac{U_s^2}{x_{\mathrm{d\Σ}}}-U_s^2(\frac{1}{x_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}}){\sin }^2\mathrm{\δ}---\left(5\right)$

式中P_s、Q_s为发电机向系统输送的有功功率、无功功率，δ为发电机功角；E_q为发电机电势，U_s为系统侧电压；x_d∑＝x_d+x_s、x_q∑＝x_q+x_s，其中x_d、x_q分别为发电机直轴同步电抗、交轴同步电抗，x_s为系统联系阻抗。

一组P_s、Q_s对应于一个静稳极限角δ_j，根据式(4)、(5)可得到电压为U_s母线处的静稳边界等式：

$P_s=a{U}_s^2\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j---\left(6\right)$

$Q_s=-a{U}_s^2{\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j-\frac{U_s^2}{x_{\mathrm{d\Σ}}}---\left(7\right)$

式中 $a=\frac{x_{\mathrm{d\Σ}}-x_{\mathrm{q\Σ}}}{x_{\mathrm{d\Σ}}{x}_{\mathrm{q\Σ}}},$ 根据(6)、(7)求出给定δ_j的母线测量静稳边界导纳 $Y_s:Y_s=\frac{\widehat{\stackrel{\·}{S}}}{U_s^2}=\frac{P_s-Q_s}{U_s^2}=\mathrm{atg}{\mathrm{\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j+j(\mathrm{aco}{s}^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})---\left(8\right)$

已知母线测量导纳Y_s，可以求出机端静稳边界阻抗为(9)-(11)式。

(1)适用范围

新判据适用于水轮发电机、抽水蓄能机组等凸极发电机的失磁保护阻抗判据。

(2)新判据定值形成

只需整定发电机直轴同步电抗x_d、发电机交轴同步电抗x_q、发电机组系统联系阻抗x_s，计算可以得到x_d∑、x_q∑、 $a=\frac{1}{x_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}},$ 根据计算公式(10)、(11)得到凸极发电机静稳阻抗动作特性如图4。

本发明的改进是：为了防止其他正常工况下(如进相运行等)失磁的保护误动，失磁保护阻抗判据增加无功反向判据或电抗线判据，阻抗动作特性2~5如图5~8中阴影部分。

本发明的特点是：克服异步阻抗圆等判据来实现凸极发电机失磁保护的不足，本发明的实现，不会造成凸极发电机失磁保护的拒动或误动，实现对水轮发电机、抽水蓄能等机组等的科学保护。

附图说明

图1是凸极发电机静稳边界阻抗特性(滴状曲线)

图2是凸极发电机失磁保护静稳边界阻抗特性和现有技术虚线苹果园阻抗特性

图3是凸极发电机失磁保护异步阻抗特性和现有技术异步阻抗圆来实现失磁保护

图4是本发明凸极发电机静稳边界阻抗动作特性1，

图5是本发明凸极发电机失磁保护阻抗动作特性2，

图6是本发明凸极发电机失磁保护阻抗动作特性3

图7是本发明凸极发电机失磁保护阻抗动作特性4，

图8是本发明凸极发电机失磁保护阻抗动作特性5

具体实施方式

1、判据的实现方法

①根据发电机机端电压、发电机电流计算阻抗：

$Z_{\mathrm{OP}}=R_{\mathrm{OP}}+j{X}_{\mathrm{op}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_T}{{\stackrel{\·}{I}}_T};$

②比对当前计算阻抗是否进入凸极发电机静稳边界阻抗动作特性区；即在同一相角方向上：

|Z_op|＜|Z_zd|，判为进入凸机发电机失磁保护静稳边界动作区。

为了防止其他正常工况下保护误动，凸极发电机静稳边界增加无功反向判据，延时动作，其阻抗动作特性2如图5。阻抗判据增加电抗线，电抗线角度α可以整定，阻抗动作特性3、4、5分别如图6、7、8中阴影部分。

无功反向判据的无功反向定值Q_zd范围为0～-50％(发电机额定功率)，发电机机端无功功率Q_OP，动作判据为：

Q_OP＜Q_zd

当无功反向定值Q_zd整定为0时，阻抗动作特性2相当于原静稳边界特性去除一、二相象限部分的动作区域。

进入凸极发电机失磁保护阻抗动作区，与电抗线配合，延时动作，其阻抗特性3如图6。

失磁保护阻抗判据增加电抗线，电抗线角度α整定范围为0~30°，判据为：

$-\mathrm{arctg}\frac{X_{\mathrm{op}}}{R_{\mathrm{op}}}>\mathrm{\α}$

图6中特性由静稳边界特性和上述电抗线判据结合实现。

进入凸极发电机失磁保护阻抗动作区，与电抗线、无功反向配合，延时动作，其阻抗特性4如图7。

失磁保护阻抗判据增加电抗线和无功反向判据，电抗线角度α整定范围为0~30°，判据为：

$-\mathrm{arctg}\frac{X_{\mathrm{op}}}{R_{\mathrm{op}}}>\mathrm{\α}$

无功反向动作判据为：Q_op＜0

图7中特性由静稳边界特性和上述电抗线、无功反向判据结合实现。

进入失磁保护阻抗动作区，与两条电抗线配合，延时动作，阻抗特性5如图8。

失磁保护阻抗判据增加两条电抗线，两电抗线角度α整定范围为0~30°，电抗线1判据为：

$-\mathrm{arctg}\frac{X_{\mathrm{op}}}{R_{\mathrm{op}}}>\mathrm{\α}$

电抗线2特性为： $\mathrm{arctg}\frac{X_{\mathrm{op}}}{R_{\mathrm{op}}}>\mathrm{\α}$

图8中特性由静稳边界特性和上述两电抗线判据结合实现。

2、凸极发电机边界实例计算

某200MW水轮发电机，额定功率为200MW/228.6MVA，功率因数：0.875，直轴同步电抗x_d＝1.085(标幺值，以下同)，交轴同步电抗x_q＝0.714，系统侧联系阻抗x_s＝0.15，则x_d∑＝1.235，x_q∑＝0.864，a＝¹/_1.0-¹/_1.41＝0.348

δ_j＝30°时，根据公式(10)、(11)计算得到：R＝0.0437，X＝-0.782对不同角度进行计算，得到图1中凸极发电机静稳边界阻抗特性(滴状曲线)。

Claims (1)

1、凸极发电机失磁保护方法，其特征是根据发电机机端电压、电流计算阻抗：

$Z_{\mathrm{OP}}=R_{\mathrm{OP}}+j{X}_{\mathrm{op}}=\frac{\stackrel{.}{U_T}}{{\stackrel{.}{I}}_T};$

其中为发电机机端电压，

为发电机机端电流，R_OP为阻抗的实部，X_op为阻抗的虚部；将计算出的阻抗幅值|Z_OP|与当前相角上的阻抗定值|Z_zd|比较，判别是否进入阻抗动作特性区；在当前相角上满足阻抗判据：|Z_op|＜|Z_zd|，判为进入发电机失磁保护静稳阻抗动作特性区；Z_zd由下式定义，从给定发电机静稳极限功角δ_j，求出相应的母线静稳导纳边界Y_s，已知Y_s，求出机端测量静稳阻抗边界为：

$R+\mathrm{jX}=Z_{\mathrm{zd}}=\frac{1}{Y_s}+j{x}_s$

$R=\frac{\mathrm{atg}{\mathrm{\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j}{{\left(\mathrm{atg}{\mathrm{\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j\right)}^2+{(a{\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})}^2}$

$X=x_s-\frac{a{\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}}}{{\left(\mathrm{atg}{\mathrm{\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j\right)}^2+{(a{\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})}^2}$

其中x_d∑＝x_d+x_s、x_q∑＝x_q+x_s，x_d、x_q分别为发电机直轴同步电抗、交轴同步电抗，x_s为系统联系阻抗， $a=\frac{x_{\mathrm{d\Σ}}-x_{\mathrm{q\Σ}}}{x_{\mathrm{d\Σ}}{x}_{\mathrm{q\Σ}}};$

只需整定发电机直轴同步电抗x_d、发电机交轴同步电抗x_q、发电机组系统联系阻抗x_s，自动计算可以得到x_d∑、x_q∑、 $a=\frac{1}{x_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}},$ 得到整定阻抗动作特性；

无功反向定值Q_zd范围为0～-50％的发电机额定功率，发电机机端无功功率Q_OP；无功反向判据为：

Q_OP＜Q_zd进入凸极发电机失磁保护静稳阻抗动作特性区，与无功反向判据配合，保护延时动作；

当无功反向定值Q_zd整定为0时，失磁保护|Z_op|＜|Z_zd|阻抗动作特性相当于失磁保护静稳阻抗动作特性区原静稳边界特性去除一、二相象限部分的动作区域。

Images