郭曉平，楊 碩，許海標(biāo)

(南海發(fā)電一廠有限公司, 廣東 佛山 528211)

0 引言

2013年年中，廣東電網(wǎng)中調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)了電網(wǎng)總調(diào)《電廠安全穩(wěn)定防線優(yōu)化方案討論會(huì)議紀(jì)要》，并要求南海發(fā)電一廠有限公司在具體時(shí)間內(nèi)完成對(duì)機(jī)組失步保護(hù)定值優(yōu)化調(diào)整工作，具體原則如下：

(1)機(jī)組失步保護(hù)整定范圍延伸至電廠送出線路對(duì)側(cè)變電站，即延伸至220 kV 對(duì)側(cè)變電站；

(2)分散動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，將機(jī)組滑極次數(shù)定值分2輪整定。即不重要機(jī)組定義為第1輪跳閘對(duì)象，重要機(jī)組定義為第2輪跳閘對(duì)象，且后者滑極次數(shù)需比前者大。由于該廠未裝設(shè)失步解列裝置，2臺(tái)機(jī)組發(fā)變組保護(hù)亦未配置失步保護(hù)(機(jī)組為200 MW發(fā)電機(jī)，可不配置發(fā)電機(jī)失步保護(hù))，按中調(diào)通知要求需進(jìn)行機(jī)組失步保護(hù)定值整定并投入。

1 發(fā)電機(jī)組失步保護(hù)投入的必要性

廣東電網(wǎng)調(diào)度對(duì)全網(wǎng)電廠送出線路(同桿雙回線)故障的穩(wěn)定性進(jìn)行核算，對(duì)該廠220 kV出線(新南甲線、新南乙線為同桿雙回線)進(jìn)行分析研究，當(dāng)2回線路同時(shí)或相繼出現(xiàn)一回線路三相永久性故障與另一回線路單相瞬時(shí)故障時(shí)，線路電抗增加，回路的綜合電抗XΣ變大，且根據(jù)公式PE=U×EA/XΣ(EA為發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)；U為無(wú)窮大系統(tǒng)母線電壓； XΣ為包括發(fā)電機(jī)電抗在內(nèi)的發(fā)電機(jī)到無(wú)窮大系統(tǒng)母線的總電抗；δ為發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)EA與無(wú)窮大系統(tǒng)電壓U之間的功率角；PE為功率極限值)可知，功率極限值將變小，功角特性將由圖1的曲線1變?yōu)榍€2，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)故障時(shí)的功角特性曲線

在切除線路的瞬間，XΣ增大，發(fā)電機(jī)由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速不變，功率角δ不變，由上述公式可知，此時(shí)原動(dòng)機(jī)供給發(fā)電機(jī)的功率仍為Pm，發(fā)電機(jī)的對(duì)外輸出功率PE減少。此時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將由曲線1的a點(diǎn)落到曲線2的b點(diǎn)上。但是在b點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，功率是不平衡的，因此發(fā)電機(jī)軸上作用的原動(dòng)力矩將大于制動(dòng)力矩，故發(fā)電機(jī)加速，δ增大，運(yùn)行點(diǎn)由b點(diǎn)沿著曲線2向c點(diǎn)移動(dòng)。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度V(也可理解為動(dòng)能，指的是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)無(wú)窮大電源系統(tǒng)等效發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速)也由0逐漸增大，至c點(diǎn)時(shí)，功率Pm和PE又達(dá)到平衡。由于剩余功率為0，故轉(zhuǎn)子應(yīng)沒(méi)有加速度，但此時(shí)發(fā)電機(jī)的相對(duì)速度V為最大值，因慣性力矩作用，δ將逐漸增大。過(guò)c點(diǎn)后，由于發(fā)電機(jī)的輸出功率大于輸入功率，發(fā)電機(jī)軸上將出現(xiàn)減速的過(guò)剩力矩，故從c點(diǎn)開(kāi)始，轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度V將逐漸減小，雖然轉(zhuǎn)子速度逐漸變慢，但仍大于同步轉(zhuǎn)速，故δ角繼續(xù)增大。直至d點(diǎn)，減速面積Scde等于加速面積Sabc,轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度V減至0，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。但此時(shí)發(fā)電機(jī)軸上仍作用著減速的剩余力矩，故發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速繼續(xù)減小。從d點(diǎn)起，相對(duì)速度V變負(fù)，因而δ角開(kāi)始減小。直至δ角又?jǐn)[回c點(diǎn)時(shí)，功率又達(dá)到平衡，負(fù)的加速度為0，反向的相對(duì)速度V達(dá)到最大。在負(fù)的慣性力矩作用下，δ角將繼續(xù)減小。過(guò)c點(diǎn)后，發(fā)電機(jī)軸上又出現(xiàn)加速的剩余力矩，正向的加速度使反向的相對(duì)速度V又逐漸減小。V減至0后，由于功率不平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子又開(kāi)始新的擺動(dòng)，如此反復(fù)多次。

振蕩過(guò)程中能量的損耗，使得δ角變化逐漸衰減，最后穩(wěn)定在c點(diǎn)以δ2角運(yùn)行，這說(shuō)明發(fā)電機(jī)保持了暫態(tài)穩(wěn)定。反之，如果短路開(kāi)始時(shí)加速的剩余力矩很大，δ角擺動(dòng)超過(guò)了臨界δf(不穩(wěn)定平衡角，對(duì)應(yīng)圖1中的f點(diǎn))，則加速的剩余力矩會(huì)隨δ角的增大而越來(lái)越大，當(dāng)δ達(dá)到180°以后，PE為負(fù)值，加速度更大，直至發(fā)電機(jī)失步，電網(wǎng)處于異步振蕩狀態(tài)。

由此可見(jiàn)，當(dāng)該廠發(fā)電機(jī)組在大負(fù)荷運(yùn)行情況下，2回線路同時(shí)或相繼出現(xiàn)一回線路三相永久性故障與另一回線路單相瞬時(shí)故障現(xiàn)象時(shí)，線路的電抗增加，極易造成主網(wǎng)失步振蕩，嚴(yán)重時(shí)將威脅電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。由于現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)控措施不能維持穩(wěn)定，需增設(shè)第3道防線用以解列線路或機(jī)組，在切除故障的同時(shí)切除一部分發(fā)電機(jī)，以減少原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率，增大減速面積，保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

2 失步保護(hù)定值的計(jì)算方法

以該廠1號(hào)機(jī)組為例，根據(jù)中調(diào)提供的數(shù)據(jù)可知，該廠220 kV線路電抗參數(shù)(基準(zhǔn)值100 MVA)為：新南甲線4.23 Ω，標(biāo)幺值0.007 19；新南乙線4.21 Ω，標(biāo)幺值0.007 22。

根據(jù)中調(diào)提供的數(shù)據(jù)可知，歸算至100 MVA 下，對(duì)側(cè)站220 kV母線最大運(yùn)行方式下電抗為0.036 Ω。

該廠機(jī)組及主變壓器參數(shù)如表1所示。發(fā)電機(jī)保護(hù)由北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司CSC-306D裝置構(gòu)成，保護(hù)根據(jù)多區(qū)域特性(雙遮擋器)原理構(gòu)成。

表1 1號(hào)發(fā)電機(jī)及主變參數(shù)

2.1 失步保護(hù)原理

發(fā)電機(jī)失步保護(hù)反映發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗的變化軌跡，能可靠躲過(guò)系統(tǒng)短路和穩(wěn)定振蕩，并能在失步搖擺過(guò)程中區(qū)分加速失步和減速失步。失步保護(hù)依據(jù)多直線雙遮擋器特性，電阻直線將阻抗平面分為多區(qū)域，如圖2所示。圖2中A點(diǎn)的XA為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗Xd′；B點(diǎn)的XB為系統(tǒng)聯(lián)系電抗，含系統(tǒng)電抗Xs和變壓器電抗XT(歸算到發(fā)電機(jī)端電壓)。

若機(jī)端測(cè)量電抗小于變壓器電抗XT，說(shuō)明振蕩中心落在發(fā)變組內(nèi)部。圖2中Rs為電阻邊界定值，Rj由程序固定設(shè)成0.5 Rs。

圖2 發(fā)電機(jī)失步保護(hù)雙遮擋器特性(多區(qū)域特性)

圖2中，1～3區(qū)與6～4區(qū)在阻抗平面上關(guān)于jX軸對(duì)稱，在同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式下有：

(1)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗大于Rs，其變化軌跡不進(jìn)入2～5區(qū)內(nèi)；

(2)發(fā)電機(jī)加速失步時(shí)，測(cè)量阻抗從1區(qū)依次穿過(guò)2，3，4，5，6區(qū)，在每個(gè)區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間超過(guò)對(duì)應(yīng)的時(shí)間；

(3)發(fā)電機(jī)減速失步時(shí)，測(cè)量阻抗從6區(qū)依次穿過(guò)5，4，3，2，1區(qū)，在每個(gè)區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間超過(guò)對(duì)應(yīng)的時(shí)間；

(4)短路故障時(shí)，測(cè)量阻抗在2～5任一區(qū)內(nèi)停留時(shí)間小于對(duì)應(yīng)的時(shí)間就進(jìn)入下一區(qū)；

(5)穩(wěn)定振蕩時(shí)，測(cè)量阻抗穿過(guò)部分區(qū)后又逆向返回，而不是同向依次穿過(guò)所有區(qū)。

當(dāng)裝置檢測(cè)出發(fā)電機(jī)失步時(shí)，及時(shí)發(fā)信號(hào)。當(dāng)失步振蕩中心落在發(fā)變組內(nèi)部時(shí)，對(duì)滑級(jí)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)更新，當(dāng)達(dá)到整定的滑級(jí)次數(shù)Nsb后，發(fā)出跳閘令。失步保護(hù)內(nèi)部采用閉鎖措施，只有在兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)相位差小于90°時(shí)才發(fā)跳閘脈沖，斷路器才能在超過(guò)其遮斷容量的情況下切斷電流，從而保證斷路器的安全性。為了提高失步保護(hù)的可靠性，可增加有功功率變化為判斷依據(jù)。

2.2 失步邏輯

失步邏輯如圖3所示。

圖3 失步邏輯示意

2.3 整定計(jì)算實(shí)例

以發(fā)電機(jī)視在功率235 MVA為基準(zhǔn)值，各元件參數(shù)為：

Xs(220 kV對(duì)側(cè)站大運(yùn)方電抗)為：0.036×235/100=0.084 6 Ω；

XT(主變電抗)為：0.139 1×235/240=0.136 2 Ω；

Xl(雙回線電抗)為：0.003 6×235/100=0.008 46 Ω；

Xd′(發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗)(不飽和值)為：0.24 Ω。

由于Xt為電抗線邊界，區(qū)分震蕩中心是否在擬定的保護(hù)動(dòng)作范圍內(nèi)，保護(hù)延伸至220 kV對(duì)側(cè)站，故：Xt=XT+Xl=0.136 2+0.008 46=0.144 66 Ω。

(1)失步保護(hù)電阻邊界Rs可按躲過(guò)最小負(fù)荷阻抗整定，計(jì)算公式為：,δ1取120°(Xt，Xs分別為歸算到發(fā)電機(jī)側(cè)的變壓器電抗和系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值，Xd′為發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗)，則：

其有名值為：

Xs—220 kV對(duì)側(cè)站最大運(yùn)行方式下電抗折算至機(jī)端有名值為:

XT—主變電抗折算至機(jī)端有名值為:

Xl—雙回線電抗折算至機(jī)端有名值為:

Xd′—發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗有名值(不飽和值)為:

則計(jì)算結(jié)果為：

Xt=XT+Xl=2.184+0.135 6=2.319 6 Ω；

B點(diǎn)電抗XB=Xt+Xs=1.356+2.319 6=3.676 Ω；

A點(diǎn)電抗XA=Xd′=3.848 Ω；

Rs=2.171 Ω。

(2)失步保護(hù)變壓器電抗XSB整定。由于保護(hù)延伸至220 kV對(duì)側(cè)站，故:

XSB=Xt=XT+Xl=2.184+0.135 6=2.319 6 Ω(為變壓器電抗與線路電抗之和)。

(3)阻抗最小停留時(shí)間T1和停留時(shí)間T2。

考慮當(dāng)系統(tǒng)振蕩時(shí)，發(fā)電機(jī)功角δ勻速變化。則阻抗在2區(qū)、5區(qū)停留的時(shí)間為：

T=Ts(δ2-δ1)/360°。

其中，Ts為系統(tǒng)最小振蕩周期(由調(diào)度給出，暫定為1 s)，δ1取120°，δ2按下式計(jì)算：

系統(tǒng)振蕩時(shí)測(cè)量阻抗在3區(qū)、4區(qū)停留的時(shí)間T′=Ts(180°-δ2)/360°，整定：

(4)失步保護(hù)滑極次數(shù)Nsb。振蕩中心在區(qū)內(nèi)，失步保護(hù)滑極次數(shù)暫時(shí)整定：1號(hào)機(jī)為3次。

(5)動(dòng)作方式：機(jī)組解列。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了更好地了解電廠出線雙回路輸電線路突然切除故障跳閘，并列在電網(wǎng)上的發(fā)電機(jī)同時(shí)出線的電磁瞬變過(guò)程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)瞬變過(guò)程，以及預(yù)防因發(fā)電機(jī)失步而受到影響的電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，雙遮擋器原理失步保護(hù)及透鏡原理失步保護(hù)等均發(fā)揮了重要作用，避免了發(fā)電機(jī)失步給系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面影響，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性設(shè)立了防線。正確的整定計(jì)算是繼電保護(hù)能發(fā)揮真正作用的基礎(chǔ)。

1 謝明琛，張廣溢．電機(jī)學(xué)[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，2004.

2 DL755—2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則[S].

3 DL/T 684—2012大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則[S].

4 高春如．大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2005.