CN105355245B - 核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：利用汽轮发电机的功率方程组求解静稳定极限的导纳特性和低电压，从而求得汽轮发电机失磁保护动作的定值，具体步骤如下：1)求解汽轮发电机的机端测量导纳Y_G，2)汽轮发电机机端低电压闭锁失磁保护，求解汽轮发电机的机端低电压；3)确定汽轮发电机失磁保护动作的定值，当汽轮发电机发生失磁故障，为了是保护具有选择性，设定机端低电压闭锁失磁保护；即失磁保护的低电压闭锁值设定为U_los，m，机端相间电压低于U_los，m时闭锁失磁保护，大于或等于U_los，m时开放失磁保护。本发明具有计算精度高，社会效益好的特点。

Description

核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法

技术领域

本发明涉及一种核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，是根据发电机静稳定极限导纳原理的失磁保护。属于核电厂发电机失磁保护技术领域。

背景技术

核电厂汽轮发电机都为同步发电机，需要装设失磁保护装置。所述失磁保护装置有二种：一是根据汽轮发电机异步边界阻抗圆原理，二根据汽轮发电机静稳定极限阻抗圆原理。对于现代电力系统的大机组，尤其是核电机组，其安全稳定运行对电厂和电网至关重要。目前核电厂汽轮发电机所选的失磁保护装置大多采用静稳定极限导纳原理，失磁保护装置的特征参数设定一般按经验式子计算求得。在我国，汽轮发电机失磁保护装置的动作判据有两种：一是异步边界阻抗圆，二是静稳定极限阻抗圆。阻抗特性参照图1。

异步边界阻抗圆需要整定阻抗X_a和X_b，算法如下：

式中，X_d′为发电机直轴暂态电抗，标幺值；X_d为发电机直轴同步电抗，标幺值；U_N为发电机额定电压，单位kV；S_N为发电机额定视在功率，单位MVA。

该技术方案存在以下的缺点：

仅适应异步边界阻抗圆和静稳定极限阻抗圆原理的保护装置，不适应静稳定极限导纳原理的保护装置。

静稳定极限阻抗圆需要整定阻抗X_c和X_b，算法如下：

式中，X_con为发变组与系统间的联系电抗，标幺值。

采用静稳极限导纳原理，其动作判据是三个导纳特性，失磁保护装置本身提供一种经验算法；汽轮发电机运行极限以及失磁保护导纳特性参照图2。

导纳特性1算法如下：

y₁＝80°

式中，X_d为发电机直轴同步电抗，标幺值；U_N为发电机额定电压，单位kV；I_N为发电机额定电流，单位kA；n_vp为发电机机端电压互感器额定一次电压，单位kV；n_ip为发电机机端电流互感器额定一次电流，单位kA。

导纳特性2算法如下：

B₂＝-0.9B₁

y₂＝90°

导纳特性3算法如下：

导纳特性3在同步发电机直轴同步电抗的倒数(1/X_d)和直轴暂态电抗倒数(1/X_d′)之间，其值应大于1.0。

且B₃＞1.0

y₃＝100°

该技术方案存在以下的缺点：

第一，计算结果不精确、误差大，仅适应于对于中小型机，对于百万核电机组因计算误差容易给机组和系统的稳定运行带来不良影响；第二，发电机与系统联网运行，计算电抗已经不再是发电机本身的电抗，现有技术二的技术方案仅仅使用发电机电抗，没有使用发电机与系统之间的联系电抗，不能真实反映发电机与系统之间的真实导纳特性关系；第三，未提供发电机失磁保护动作时机端电压的整定计算方法。

发明内容

本发明的目的，是为了解决现有的导纳特性计算结果不精确、误差大及易造成核电机组和系统不稳定等问题，提供一种核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法。

本发明的目的可通过以下技术方案达到：

核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：利用汽轮发电机的功率方程组求解静稳定极限的导纳特性和低电压，从而求得汽轮发电机失磁保护动作的定值，具体步骤如下：

1)求解汽轮发电机的机端测量导纳Y_G

首先确定发电机的机端测量阻抗Z_G，以无穷大系统母线为参照，确定发电机的机端测量阻抗Z_G表达式为：

然后确定汽轮发电机的机端测量导纳Y_G表达为：

经演算得：

式中：

K_c＝K_aX_d∑

K_d＝K_bX_con-X_dΣ

式中：X_con为发电机与失磁保护系统之间的联系电抗；Y_s,lin为无穷大系统母线的测量导纳极限；X_d∑为发电机和保护系统的总电抗；上式机端测量导纳Y_G中虚部为失磁保护动作特性1的电纳设定值；P_s.lin为发电机输出静稳态极限功率，Q_s.lin为发电机吸收静稳态极限功率；

2)汽轮发电机机端低电压闭锁失磁保护，求解汽轮发电机的机端低电压

所述机端低电压表达式为：

式中：U_los,m为发电机失磁时机端电压值；P_los,m为发电机失磁时输出有功功率；Q_los,m为发电机失磁时吸收无功功率；δ_los,m为发电机失磁时的功角；X_d∑为发电机和保护系统的总电抗；

3)确定汽轮发电机失磁保护动作的定值

当汽轮发电机发生失磁故障，或者机端发生对称、不对称短路时，或者相邻元件升压变压器高压侧发生对称短路时，汽轮发电机的机端电压必然降低，但失磁故障和短路故障机端电压不同，为了使失磁保护具有选择性，设定机端低电压闭锁失磁保护；即失磁保护的低电压闭锁值设定为U_los,m，机端相间电压低于U_los,m时闭锁失磁保护，大于或等于U_los,m时开放失磁保护。

进一步的，机端电压与功角有关，其设定值按照失磁时跳闸特性不拒动和不误动为原则进行整定；跳闸特性对应的功角为：静稳定特性90°；动稳定特性100°。

进一步的，失磁保护的低电压闭锁值设定为60V，机端相间电压为低于60V时闭锁失磁保护，大于或等于60V时开放失磁保护。

进一步的，机端测量导纳的求解方法如下：

发电机低励或失磁时，发电机发出有功功率P，吸收系统的无功功率Q，其有功功率P和无功功率Q落在其运行图的第二象限；规定由发电机发出功率输送至系统的方向为正方向，则机端测量阻抗Z_G求解表达式如下：

机端测量导纳的表达式为：

上述式子中S²为发电机的视在功率S的二次方；P为发电机低励或失磁时发电机的有功功率；Q为发电机吸收的无功功率；U为发电机机端电压；I为发电机机端电流；R为发电机机端电阻；X为发电机机端电抗。

进一步的，机端测量导纳Y_G求解方法如下：

式中：g为发电机机端电导；b为发电机机端电纳，g＝P/U²,b＝Q/U²。

进一步的，发电机和保护系统的总电抗表达式为：

X_d∑＝X_G+X_con

式中，联系电抗X_con的表达式如下：

式中：X_s为保护系统电抗；X_G为发电机同步电抗；X_t为发电机的升压变压器电抗；n为发电机运行数量；所有电抗都采用标幺值，并以发电机的容量为基准。

进一步的，发电机的等值电势E_G的表达式如下：

式中：U_s为保护系统电压标幺值；I_G为发电机所处负荷状态幺值；cosФ为功率因数；X_G为发电机同步电抗。

进一步的，当汽轮发电机到达静稳定边界时，功角δ＝90°，发电机输出静稳定极限功率到无穷大系统母线处：

两式相除得：

进一步的，无穷大系统母线的测量导纳极限Y_s,lin的表达式如下：

以无穷大系统母线为参照，则发电机的机端测量阻抗Z_G为：

令

K_c＝K_aX_d∑

K_d＝K_bX_con-X_d∑

于是

机端测量导纳为：

经过演算得

上式机端测量导纳Y_G虚部即为所求的失磁保护动作特性1的电纳设定值。

进一步的，发电机机端低电压闭锁失磁保护，机端低电压值求解方法如下：

解方程组得：

式中：P_los.m为发电机失磁时的有功功率；Q_los.m为发电机失磁时的无功功率；U_los.m为发电机失磁时的机端电压；δ_los.m为发电机失磁时的功角；X_d∑为发电机和系统的总电抗。

本发明具有以下突出的有益效果：

1、本发明利用汽轮发电机功率方程组求解其静稳定极限的导纳特性和低电压，从而求得汽轮发电机失磁保护动作的定值，能够解决现有的导纳特性计算结果不精确、误差大及易造成核电机组和系统不稳定等问题。

2、具有确保失磁保护与发电机的低励限制配合，使失磁保护不拒动、不误动，充分发挥发电机的静稳定储备能力，保证核电厂机组和系统的安全稳定运行等有益效果。

3、发电机失磁保护的准确动作，避免发电机处于长时间吸收系统的无功功率，导致发电机定子端部过热而受损，系统无功储备不足而影响系统安全，避免因机组受损和系统不稳定而带来的经济损失和社会影响，意义重大。

附图说明

图1为现有技术的阻抗特性图。

图2为现有技术的汽轮发电机运行极限以及失磁保护导纳特性图。

图3为本发明的发电机变压器组与系统的简化图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施例1：

本实施例涉及的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：利用汽轮发电机的功率方程组求解静稳定极限的导纳特性和低电压，从而求得汽轮发电机失磁保护动作的定值，具体步骤如下：

1)求解汽轮发电机的机端测量导纳Y_G

首先确定发电机的机端测量阻抗Z_G，以无穷大系统母线为参照，确定发电机的机端测量阻抗Z_G表达式为：

然后确定汽轮发电机的机端测量导纳Y_G表达为：

经演算得：

式中：

K_c＝K_aX_d∑

K_d＝K_bX_con-X_dΣ

式中：X_con为发电机与失磁保护系统之间的联系电抗；Y_s,lin为无穷大系统母线的测量导纳极限；X_d∑为发电机和保护系统的总电抗；上式机端测量导纳Y_G中虚部为失磁保护动作特性1的电纳设定值；P_s.lin为发电机输出静稳态极限功率，Q_s.lin为发电机吸收静稳态极限功率；

2)汽轮发电机机端低电压闭锁失磁保护，求解汽轮发电机的机端低电压

所述机端低电压表达式为：

式中：U_los,m为发电机失磁时机端电压值；P_los,m为发电机失磁时输出有功功率；Q_los,m为发电机失磁时吸收无功功率；δ_los,m为发电机失磁时的功角；X_d∑为发电机和保护系统的总电抗；

3)确定汽轮发电机失磁保护动作的定值

当汽轮发电机发生失磁故障，或者机端发生对称、不对称短路时，或者相邻元件升压变压器高压侧发生对称短路时，汽轮发电机的机端电压必然降低，但失磁故障和短路故障机端电压不同，为了使失磁保护具有选择性，设定机端低电压闭锁失磁保护；即失磁保护的低电压闭锁值设定为U_los,m，机端相间电压低于U_los,m时闭锁失磁保护，大于或等于U_los,m时开放失磁保护。

进一步的，机端电压与功角有关，其设定值按照失磁时跳闸特性不拒动和不误动为原则进行整定；跳闸特性对应的功角为：静稳定特性90°；动稳定特性100°。

进一步的，失磁保护的低电压闭锁值设定为60V，机端相间电压为低于60V时闭锁失磁保护，大于或等于60V时开放失磁保护。

进一步的，机端测量导纳的求解方法如下：

发电机低励或失磁时，发电机发出有功功率P，吸收系统的无功功率Q，其有功功率P和无功功率Q落在其运行图的第二象限；规定由发电机发出功率输送至系统的方向为正方向，则机端测量阻抗Z_G求解表达式如下：

机端测量导纳的表达式为：

上述式子中S²为发电机的视在功率S的二次方；P为发电机低励或失磁时发电机的有功功率；Q为发电机吸收的无功功率；U为发电机机端电压；I为发电机机端电流；R为发电机机端电阻；X为发电机机端电抗。

进一步的，机端测量导纳Y_G求解方法如下：

式中：g为发电机机端电导；b为发电机机端电纳，g＝P/U²,b＝Q/U²。

进一步的，发电机和保护系统的总电抗表达式为：

X_d∑＝X_G+X_con

式中，联系电抗X_con的表达式如下：

式中：X_s为保护系统电抗；X_G为发电机同步电抗；X_t为发电机的升压变压器电抗；n为发电机运行数量；所有电抗都采用标幺值，并以发电机的容量为基准。

进一步的，发电机的等值电势E_G的表达式如下：

式中：U_s为保护系统电压标幺值；I_G为发电机所处负荷状态幺值；cosФ为功率因数；X_G为发电机同步电抗。

进一步的，当汽轮发电机到达静稳定边界时，功角δ＝90°，发电机输出静稳定极限功率到无穷大系统母线处：

两式相除得：

进一步的，无穷大系统母线的测量导纳极限Y_s，lin的表达式如下：

以无穷大系统母线为参照，则发电机的机端测量阻抗Z_G为：

令

K_c＝K_aX_d∑

K_d＝K_bX_con-X_d∑

于是

机端测量导纳为：

经过演算得

上式机端测量导纳Y_G虚部即为所求的失磁保护动作特性1的电纳设定值。

进一步的，发电机机端低电压闭锁失磁保护，机端低电压值求解方法如下：

解方程组得：

式中：P_los.m为发电机失磁时的有功功率；Q_los.m为发电机失磁时的无功功率；U_los.m为发电机失磁时的机端电压；δ_los.m为发电机失磁时的功角；X_dΣ为发电机和系统的总电抗。

本实施例中：

X_con为发电机与失磁保护系统之间的联系电抗；Y_s.lin为无穷大系统母线的测量导纳极限；上式机端测量导纳Y_G虚部为失磁保护动作特性1的电纳设定值。

U_los.m为发电机失磁时机端电压值；P_los.m为发电机失磁时输出有功功率；Q_los.m为发电机失磁时吸收无功功率；δ_los.m为发电机失磁时的功角；X_dΣ为发电机和系统的总电抗。

参照图3，合上发电机机端断路器后，发电机通过升压变压器与系统连接，发电机发生低励或失磁时，发电机发出有功功率P，吸收系统的无功功率Q，其P、Q运行图落在第二象限。现规定由发电机发出功率输送至系统的方向为正方向，机端测量阻抗通过上述表达式Z求解。

表达式Z中S²为发电机的视在功率S的二次方；P为发电机低励或失磁时发电机的有功功率；Q为发电机吸收的无功功率；U为发电机机端电压；I为发电机机端电阻；X为发电机机端电抗；式中虚部为失磁保护动作特性1的电纳设定值。

机端测量导纳Y_G求解方法如下：

式中：g为发电机机端电导；b为发电机机端电纳，g＝P/U²,b＝Q/U²。

进一步的，发电机和保护系统的总电抗表达式为：

发电机和保护系统的总电抗表达式为：

X_d∑＝X_G+X_con

式中，联系电抗X_con的表达式如下：

式中：X_s为保护系统电抗；X_G为发电机同步电抗；X_t为发电机的升压变压器电抗；n为发电机运行数量；所有电抗都采用标幺值，并以发电机的容量为基准。

无穷大系统母线处,汽轮发电机(隐极式)的输出功率：

式中：δ为发电机电势与系统电压之间功角；E_G为发电机的电势。

发电机的等值电势E_G的表达式如下：

式中：U_s为系统电压标幺值；I_G为发电机所处负荷状态幺值；cosΦ为功率因数；X_G.d为发电机同步电抗。

当汽轮发电机到达静稳定边界时，功角δ＝90°，发电机输出静稳定极限功率到无穷大系统母线处：

两式相除得：

因此，无穷大系统母线的测量导纳极限Y_s.lin的表达式如下：

以无穷大系统母线为参照，侧发电机的机端测量阻抗Z_G为：

机端测量导纳为：

经过演算得

其中：

上式机端测量导纳Y_G虚部为失磁保护动作特性1的电纳设定值。

下面论述这种导纳特性设定方法的合理性。

汽轮发电机的低励限制曲线是一个圆，其曲线方程为：

式中：P_lin为发电机低励限制的有功功率；Q_lin为发电机低励限制的无功功率；U_lin为发电机低励限制的电压。低励限制一般可按静稳定极限值留10％左右的储备系数整定，低励限制曲线通常按照发电机静稳边界极限值的90％到95％设定，因此，对于采用导纳特性原理的保护装置，其失磁保护特性1可直接采用发电机与系统之间的静稳定边界极限值，确保与低励限制配合。

发电机机端低电压闭锁失磁保护，机端低电压值求解方法如下：

解方程组得：

式中：U_los.m为发电机失磁时机端电压值；P_los.m为发电机失磁时输出有功功率；Q_los.m为发电机失磁时吸收无功功率；δ_los.m为发电机失磁时的功角；X_dΣ为发电机和系统的总电抗。

下面论述这种机端低电压设定方法的合理性。

1)在发电机的P、Q功率运行图中，发电机低励限制线的轨迹是一个圆中的一段弧线，根据上述提供式子可求得：

发电机低励限制线所对应的机端相间电压不低于86％到87％额定电压。

2)发电机机端三相短路、两相短路或两相接地短路时，发电机纵联差动保护或接地故障保护将可靠动作，可以不考虑这种机端短路情况。

3)发电机复合电压过电流保护：根据主变压器高压侧母线发生最严重的金属性三相短路时，发电机机端相间最大残压，使得相间低电压元件灵敏系数不小于1.2，这个相间低电压元件可设置为50V～60V，为保证保护具有足够的灵敏系数，通常设定为60V。即机端相间电压低于为60V时，启动发电机复合电压过电流保护，大于等于60V时闭锁发电机复合电压过电流保护。

综上所述，失磁保护的低电压闭锁值也设定为60V，即机端相间电压低于为60V时闭锁失磁保护，大于等于60V时开放失磁保护。

Claims (9)

1.核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：利用汽轮发电机的功率方程组求解静稳定极限的导纳特性和低电压，从而求得汽轮发电机失磁保护动作的定值，具体步骤如下：

1)求解汽轮发电机的机端测量导纳Y_G

首先确定发电机的机端测量阻抗Z_G，以无穷大系统母线为参照，确定发电机的机端测量阻抗Z_G表达式为：

然后确定汽轮发电机的机端测量导纳Y_G表达为：

经演算得：

式中：

K_c＝K_aX_d∑

K_d＝K_bX_con-X_dΣ

式中：X_con为发电机与失磁保护系统之间的联系电抗；Y_s,lin为无穷大系统母线的测量导纳极限；X_d∑为发电机和保护系统的总电抗；上式机端测量导纳Y_G中虚部为失磁保护动作特性1的电纳设定值；P_s.lin为发电机输出静稳态极限功率，Q_s.lin为发电机吸收静稳态极限功率；

2)汽轮发电机机端低电压闭锁失磁保护，求解汽轮发电机的机端低电压

所述机端低电压表达式为：

式中：U_los,m为发电机失磁时机端电压值；P_los,m为发电机失磁时输出有功功率；Q_los,m为发电机失磁时吸收无功功率；δ_los,m为发电机失磁时的功角；X_d∑为发电机和保护系统的总电抗；

3)确定汽轮发电机失磁保护动作的定值

当汽轮发电机发生失磁故障，或者机端发生对称、不对称短路时，或者相邻元件升压变压器高压侧发生对称短路时，汽轮发电机的机端电压必然降低，但失磁故障和短路故障机端电压不同，为了使失磁保护具有选择性，设定机端低电压闭锁失磁保护；即失磁保护的低电压闭锁值设定为U_los,m，机端相间电压低于U_los,m时闭锁失磁保护，大于或等于U_los,m时开放失磁保护。

2.根据权利要求1所述的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：机端电压与功角有关，其设定值按照失磁时跳闸特性不拒动和不误动为原则进行整定；跳闸特性对应的功角为：静稳定特性90°；动稳定特性100°。

3.根据权利要求1所述的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：失磁保护的低电压闭锁值设定为60V，机端相间电压为低于60V时闭锁失磁保护，大于或等于60V时开放失磁保护。

4.根据权利要求1所述的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：机端测量导纳的求解方法如下：

发电机低励或失磁时，发电机发出有功功率P，吸收系统的无功功率Q，其有功功率P和无功功率Q落在其运行图的第二象限；规定由发电机发出功率输送至系统的方向为正方向，则机端测量阻抗Z_G求解表达式如下：

机端测量导纳的表达式为：

上述式子中S²为发电机的视在功率S的二次方；P为发电机低励或失磁时发电机的有功功率；Q为发电机吸收的无功功率；U为发电机机端电压；I为发电机机端电流；R为发电机机端电阻；X为发电机机端电抗。

5.根据权利要求4所述的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：机端测量导纳Y_G求解方法如下：

式中：g为发电机机端电导；b为发电机机端电纳，g＝P/U²,b＝Q/U²。

6.根据权利要求1所述的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：发电机和保护系统的总电抗表达式为：

X_dΣ＝X_G+X_con

式中，联系电抗X_con的表达式如下：

式中：X_s为保护系统电抗；X_G为发电机同步电抗；X_t为发电机的升压变压器电抗；n为发电机运行数量；所有电抗都采用标幺值，并以发电机的容量为基准。

7.根据权利要求6所述的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：发电机的等值电势E_G的表达式如下：

式中：U_s为保护系统电压标幺值；I_G为发电机所处负荷状态幺值；cosФ为功率因数；X_G为发电机同步电抗。

8.根据权利要求7所述的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：当汽轮发电机到达静稳定边界时，功角δ＝90°，发电机输出静稳定极限功率到无穷大系统母线处：

两式相除得：

9.根据权利要求7所述的核电厂发电机失磁保护导纳特性整定方法，其特征在于：无穷大系统母线的测量导纳极限Y_s,lin的表达式如下：

以无穷大系统母线为参照，则发电机的机端测量阻抗Z_G为：

令

K_c＝K_aX_d∑

K_d＝K_bX_con-X_dΣ

于是

机端测量导纳为：

经过演算得

上式机端测量导纳Y_G虚部即为所求的失磁保护动作特性1的电纳设定值。