CN1862277A - 凸极发电机失磁的导纳判据保护方法 - Google Patents

Abstract

凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，根据发电机机端电压、发电机电流计算导纳阻抗：Y_OP，从对应角度下的定值|Y_zd|；从|Y_op|＞|Y_zd|，判为进入水轮发电机失磁保护静稳边界导纳动作区；|Y_zd|如下式定义：已知发电机直轴同步电抗x_d、交轴同步电抗x_q、系统联系阻抗x_s，求出机端静稳边界阻抗为：R+jX。由机端静稳边界阻抗可以求出机端静稳边界导纳Yzd，得到的凸极发电机导纳动作特性(1)。根据凸机发电机的静稳导纳边界特征，提出凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，采用实际凸极发电机的导纳静稳边界来实现失磁保护，防止了在轻载、进相等运行方式下的误动。也不会出现拒动。

Description

凸机发电机失磁的导纳判据保护方法

                            技术领域

本发明涉及凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，尤其涉及对水轮发电机等凸极发电机的导纳判据保护。

                            背景技术

发电机失磁保护：发电机失磁是常见的故障形式，特别是大型机组，励磁系统的环节比较多，增加了发生失磁的机会。历年全国电力系统主设备故障调查显示，发电机故障中，失磁故障所占的比重相当大。

对于水轮发电机等凸极发电机，其失磁故障的静稳边界复杂，以往失磁保护定子判据一般采用阻抗、导纳判据近似拟合的方案来实现。可能会导致保护的拒动或误动。

现有凸极发电机失磁保护原理：

尽管发电机失磁后静稳导纳边界如图1，现有失磁保护导纳判据如图2中虚线导纳特性。

很明显，图2中导纳线1、2(图2中虚线)交叉形成的导纳动作特性与凸极发电机的静稳边界特性(图2中实线)不能很好地吻合，因此，现有导纳动作特性判据，不能很好地反映水轮凸极发电机组的失磁故障。

图2、凸极发电机失磁保护导纳平面(图中虚线为现有导纳原理判据)

                           发明内容

本发明目的是：根据凸机发电机的静稳导纳边界特征，提出凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，尤其是基于凸机发电机静稳导纳边界的失磁保护定子判据。本发明目的还在于：为了真实地反映水电机组等凸极发电机的失磁故障，采用实际凸极发电机的导纳静稳边界来实现失磁保护，防止了在轻载、进相等运行方式下的误动。也不会出现用导纳线拟合静稳边界不合理等判据可能导致失磁保护的拒动。

本发明目的是这样实现的：凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，即导纳判据实现方法是：

①根据发电机机端电压、电流计算阻抗：

$Y_{\mathrm{OP}}=G_{\mathrm{OP}}+{\mathrm{jB}}_{\mathrm{op}}=\frac{\stackrel{\·}{I_T}}{\stackrel{\·}{U_T}}---\left(1\right)$

②由G_op、B_op求出|Y|_OP、tg_op

$\left|Y_{\mathrm{OP}}\right|=\frac{I_T}{U_T}---\left(2\right)$

③由tg_op或_op比对定值数据，得到对应角度下的定值|Y_zd|；

|Y_op|＞|Y_zd|，判为进入水轮发电机失磁保护静稳边界导纳动作区。

Y_zd如下式定义：已知母线测量静稳边界导纳Y_s，可以求出机端测量静稳边界阻抗Z，由机端静稳边界阻抗值可以求出机端静稳边界导纳定值Y_zd。计算过程为：

$R+\mathrm{jX}=Z=\frac{1}{Y_s}+{\mathrm{jx}}_s---\left(4\right)$

$R=\frac{{\mathrm{atg\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j}{{\left({\mathrm{atg\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j\right)}^2+{({a\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})}^2}---\left(5\right)$

$X=x_s-\frac{{a\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}}}{{\left({\mathrm{atg\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j\right)}^2+{({a\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})}^2}---\left(6\right)$

式中δ_j为发电机静稳功角；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。

由机端静稳边界阻抗值可以求出机端静稳边界导纳定值Y_zd

$Y_{\mathrm{zd}}=G+\mathrm{jB}=\frac{1}{Z}---\left(7\right)$

$G=\frac{R}{R^2+X^2}---\left(8\right)$

$B=\frac{-X}{R^2+X^2}---\left(9\right)$

根据上述公式，可得凸极发电机失磁故障静稳导纳边界如图1。

④与无功反向判据或导纳线判据(14)、(15)或(16)式结合，判别是否进入动作区。

上述新判据定值形成：

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，自动计算可以得到x_d∑、x_q∑、 $a=\frac{1}{x_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}},$ 根据计算公式(5)、(6)、(8)、(9)计算形成导纳动作特性数据，如图3中曲线外侧为导纳特性动作区。理论分析：水轮发电机、抽水蓄能机组等凸极发电机，其静稳边界与隐极发电机有很大差别。

(1)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：

$P_s=\frac{E_q{U}_s}{x_{\mathrm{d\Σ}}}\sin \mathrm{\δ}+\frac{U_s^2}{2}(\frac{1}{x_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})\sin 2\mathrm{\δ}---\left(10\right)$

$Q_s=\frac{E_q{U}_s}{x_{\mathrm{d\Σ}}}\mathrm{COS\δ}-\frac{U_s^2}{x_{\mathrm{d\Σ}}}-U_s^2(\frac{1}{x_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}}){\sin }^2\mathrm{\δ}---\left(11\right)$

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。电压为U_s母线处的静稳导纳边界：

$Y_s=\frac{\stackrel{\widehat{\·}}{S}}{U_s^2}=\frac{P_s-Q_s}{U_s^2}={\mathrm{atg\δ}}_j{\sin }^2{\mathrm{\δ}}_j+({a\cos }^2{\mathrm{\δ}}_j+\frac{1}{x_{\mathrm{d\Σ}}})---\left(12\right)$

式中： $a=\frac{x_{\mathrm{d\Σ}}-x_{\mathrm{q\Σ}}}{x_{\mathrm{d\Σ}}{x}_{\mathrm{q\Σ}}},$ 对于给定P、Q，均对应于一个静稳极限角δ_j。

已知母线测量导纳Y_s，可以求出机端测量阻抗为上述式4-9：

$R+\mathrm{jX}=Z=\frac{1}{Y_s}+{\mathrm{jx}}_s---\left(13\right)$

相应求得R、X、由机端阻抗根据(7)(8)(9)可以求出导纳机端导纳Y、G、B从而可得凸极发电机失磁故障静稳导纳边界如图1。

本发明特点是：根据凸机发电机的静稳导纳边界特征，提出凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，即基于凸机发电机静稳导纳边界的失磁保护定子判据。可以真实地反映水电机组等凸极发电机的失磁故障，采用实际凸极发电机的导纳静稳边界来实现失磁保护，防止了在轻载、进相等运行方式下的误动。也不会出现拒动。

                          附图说明

图1是凸极发电机失磁故障静稳导纳平面图

图2是现有技术失磁保护导纳判据——虚线为导纳特性

图3是本发明水轮发电机静稳边界导纳动作特性1

图4是本发明水轮发电机静稳边界导纳动作特性2

图5是本发明水轮发电机静稳边界导纳动作特性3

图6是本发明水轮发电机静稳边界导纳动作特性4

图7是本发明水轮发电机静稳边界导纳动作特性4，在阻抗平面上反映(动作特性如图中阴影部分)

                        具体实施方式

由图所示，凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，①根据发电机机端电压、发电机电流计算导纳阻抗： $Y_{\mathrm{OP}}=G_{\mathrm{OP}}+{\mathrm{jB}}_{\mathrm{op}}=\frac{\stackrel{\·}{I_T}}{\stackrel{\·}{U_T}}=\frac{I_C+{\mathrm{jI}}_s}{U_C+{\mathrm{jU}}_S};$

②由G_op、B_op求出|Y|_OP、tg_op

$\left|Y_{\mathrm{OP}}\right|=\frac{I_T}{U_T}$

③由_op比对定值数据，得到对应角度下的定值|Y_zd|；

|Y_op|＞|Y_zd|，判为进入水轮发电机失磁保护静稳边界导纳动作区；

|Y_zd|如下式定义：已知发电机直轴同步电抗x_d、交轴同步电抗x_q、系统联系阻抗x_s，可以求出机端静稳边界阻抗为：

$R+\mathrm{jX}=Z=\frac{1}{Y_s}+{\mathrm{jx}}_s$

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

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

$a=\frac{x_{\mathrm{d\Σ}}-x_{\mathrm{q\Σ}}}{x_{\mathrm{d\Σ}}{x}_{\mathrm{q\Σ}}}$

式中：x_d∑＝x_d+x_s、x_q∑＝x_q+x_s

由机端静稳边界阻抗可以求出机端静稳边界导纳Yzd

$\mathrm{Yzd}=G+\mathrm{jB}=\frac{1}{Z}$

$G=\frac{R}{R^2+X^2}$

$B=\frac{-X}{R^2+X^2}$

得到的凸极发电机导纳动作特性1即图3。

导纳判据增加无功反向判据，组成导纳动作特性2。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，如图4中导纳特性2动作区域。为了防止其他正常工况下保护误动，导纳判据增加无功反向判据，导纳动作特性2如图4中阴影部分。无功反向判据对应于B＞0；

导纳判据增加导纳线判据，组成导纳动作特性3。导纳线的判据为：

G′+jB′＝(G+jB)×e^j(90°-β)与无功反向判据或导纳线判据式结合，判别是否

B′＞0

进入动作区。导纳动作特性3如图5。

在导纳平面还可以采用不经过原点导纳线判据，组成导纳动作特性4。导纳线的方程为：

G′+jB′＝(G+jB-jY_zd)×e^j(90°-α)    (11)

B′＞0

式中α为导纳线的角度定值，Y_zd为导纳定值。导纳动作特性4如图6。

为了防止其他正常工况下保护误动，如进相运行等，阻抗判据增加电抗线，反演到了导纳特性如图5，动作特性如图5中阴影部分。图5中导纳线1、2的判据为：

G₁+jB₁＝(G+jB)×e^j(90°-β)     (14)

B₁＞0

G₂+jB₂＝(G+jB)×e^j(β-270°)    (15)

B₂＞0

为了比较好地实现失磁保护，在导纳平面还可以采用不经过原点导纳线，其动作特性如图6中阴影部分，图6中导纳线的方程为：

G′+jB′＝(G+jB-jY_zd)×e^j(90°-α)    (16)

B′＞0

式中α为导纳线的角度定值，Y_zd为导纳定值，定值范围为：0-1/x_q导纳

线在阻抗平面的反演如图7。

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：G＝0.0712，X＝1.275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 (4)

1、凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，其特征是：

①根据发电机机端电压、发电机电流计算导纳阻抗：

$Y_{\mathrm{OP}}=G_{\mathrm{OP}}+{\mathrm{jB}}_{\mathrm{op}}=\frac{\stackrel{\·}{I_T}}{\stackrel{\·}{U_T}}=\frac{I_C+j{I}_s}{U_C+j{U}_S}$

②由G_op、B_op求出|Y|_OP、tg_op

$\left|Y_{\mathrm{OP}}\right|=\frac{I_T}{U_T}$

③由_op比对定值数据，得到对应角度下的定值|Y_zd|；

|Y_op|＞|Y_zd|，判为进入水轮发电机失磁保护静稳边界导纳动作区；

|Y_zd|如下式定义：已知发电机直轴同步电抗x_d、交轴同步电抗x_q、系统联系阻抗x_s，可以求出机端静稳边界阻抗为：

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

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

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

$a=\frac{x_{\mathrm{d\Σ}}-x_{\mathrm{q\Σ}}}{x_{\mathrm{d\Σ}}{x}_{\mathrm{q\Σ}}},$ 式中：x_d∑＝x_d+x_s、x_q∑＝x_q+x_s

由机端静稳边界阻抗可以求出机端静稳边界导纳Yzd $\mathrm{Yzd}=G+\mathrm{jB}=\frac{1}{Z},G=\frac{R}{R^2+X^2},B=\frac{-X}{R^2+X^2}$ 得到的凸极发电机导纳动作特性(1)。

2、由权利要求1所述的凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，其特征是：导纳判据增加无功反向判据，组成导纳动作特性(2)；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，得到导纳特性(2)动作区域。

3、由权利要求1所述的凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，其特征是：导纳判据增加导纳线判据，组成导纳动作特性(3)；导纳线的判据为：

G′+jB′＝(G+jB)×e^{j(90°-β) B′}＞0与无功反向判据或导纳线判据式结合，判别是否

B′＞0

进入动作区，得到导纳动作特性(3)。

4、由权利要求2所述的凸机发电机失磁的导纳判据保护方法，其特征是在导纳平面还可以采用不经过原点导纳线判据，组成导纳动作特性(4)；导纳线的方程为：

G′+jB′＝(G+jB-jY_zd)×e^j(90°-α)

B′＞0

式中α为导纳线的角度定值，Y_zd为导纳定值；得导纳动作特性(4)。

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