1、淺談大型發電機失步保護龔劍超陳靈峰（浙江華電烏溪江電廠浙江衢州324000）【摘要】簡述了幾種發電機失步保護的基本原理和工程實現，介紹了典型的整定計算方法，并簡要介紹了失步保護的調試方法和注意事項。【關鍵詞】發電機保護失步保護整定調試0.概述隨著電力系統容量不斷增加，大型發電廠高壓母線的系統阻抗較小，一旦發生系統非穩定性振蕩，其振蕩中心很容易進入失步發電機變壓器組內部，這將嚴重威脅失步的發電機和系統的安全運行，所以自20世紀90年代以來，我國大型發電機組均加裝發電機失步保護，并有多種不同類型判據的失步保護。1.失步保護的基本原理失步保護的基本原理主要是通過測量阻抗的軌跡變化情況來檢測是否失步。

2、其主要指標有三點，一是測量阻抗軌跡為自左向右或自右向左依次穿越整定阻抗區域，穿越一次則記錄為滑極次數加一；二是每穿越一個區域都大于一定延時，以區別于故障以及區分失步振蕩和穩定振蕩；三是滑極次數達到一定值時，則動作出口。失步保護要求在短路故障、系統振蕩、電壓回路斷線等情況下，保護不誤動作。國內失步保護主要采用三阻抗元件失步保護動作特性或雙遮擋器失步保護動作特性。這里僅介紹南瑞RCS985保護的三阻抗元件失步保護動作特性。1.1國產南瑞RCS985發變組保護：失步保護反應發電機失步振蕩引起的異步運行，失步保護阻抗元件計算采用發電機正序電壓、正序電流，阻抗軌跡在各種故障下均能正確反映。 保護采用三阻

3、抗元件失步繼電器動作特性, 如下圖。圖1.南瑞三阻抗元件失步保護特性圖第一部分是透鏡特性，圖中，它把阻抗平面分成透鏡內的部分I和透鏡外的部分O。第二部分是遮擋器特性，圖中，它把阻抗平面分成左半部分L和右半部分R。 兩種特性的結合，把阻抗平面分成四個區OL、IL、IR、OR，阻抗軌跡順序穿過四個區（OLILIROR或ORIRILOL），并在每個區停留時間大于一時限，則保護判為發電機失步振蕩。每順序穿過一次，保護的滑極計數加1，到達整定次數，保護動作。第三部分特性是電抗線，圖中，它把動作區一分為二，電抗線以上為I段（U），電抗線以下為II段（D）。阻抗軌跡順序穿過四個區時位于電抗線以下，則認為振蕩

4、中心位于發變組內，位于電抗線以上，則認為振蕩中心位于發變組外，兩種情況下滑極次數可分別整定。保護可動作于報警信號, 也可動作于跳閘。失步保護可以識別的最小振蕩周期為120ms。失步保護邏輯框圖如下：圖2.南瑞失步保護邏輯圖1.1.3其整定計算為：三阻抗元件Z1、Z2和Z3的整定計算。第象限最遠點整定阻抗第象限最遠點整定阻抗遮擋器直線阻抗元件Zab阻抗線和R軸的夾角式中：發電機暫態電抗相對值（發電機額定值為基準值）；主變壓器電抗相對值（發電機額定值為基準值）；最小方式時系統電抗相對值（發電機額定值為基準值）；系統阻抗角（一般為8085°），取90°；發電機額定二次阻抗有名值（

5、）；發電機額定電壓（kV）；發電機額定視在功率（MVA）；發電機電流互感器變比；發電機電壓互感器變比；發電機額定二次電壓（V）；發電機額定二次電流（A）；電抗線Zc的動作阻抗整定值Zc.set計算。一般取1.1.3.3透鏡內角set整定計算。透鏡內角set越小，透鏡越大，保護計時越準確，但必須保護發電機組正常運行時的最小負荷阻抗ZL.min位于透鏡之外，以保證保護動作選擇性要求。為此選擇透鏡寬度，透鏡內角整定值set為式中：最小負荷阻抗相對值；發電機額定功率因數。1.1.3.4跳閘允許電流的整定計算。1.1.3.5滑極次數整定計算。振蕩中心在區外時，滑極次數可整定215次（一般整定5次），動作

6、于信號。振蕩中心在區內時，滑極次數根據發電機實際能夠承受的失步滑極次數整定（一般為23次），我國在整定中一般取12。1.2奧地利ELIN的ME311失步保護ME311失步保護所取為一個偏移阻抗圓，并在以ZS、XT和Xd合成的綜合阻抗上以內角取得一組平行于綜合阻抗的遮擋器。奧地利ELIN的ME311失步保護原理圖圖3.ELIN失步保護特性圖ME311失步保護取以X軸（2XT3Xd）為直徑的一個偏移阻抗圓，并根據Xd和XTZS所形成的綜合阻抗，取內角為的兩條平行于綜合阻抗的直線為一組遮擋器，從而取得三個阻抗區域。當測量阻抗依次穿越R1右R1（R1R2）R2R2左這五個區域并滿足停留時間設置要求時，

7、被認為是一次有效的滑極次數計數。計數達到整定值，保護動作出口于信號或跳閘。ME311失步保護邏輯圖圖4.ELIN失步保護邏輯圖ME311失步保護的整定1.2.3.1阻抗折算經折算后，綜合二次阻抗值為1.2.3.2遮擋器R1及R2的整定考慮到綜合阻抗的阻抗角一般接近于90°，因此采用以下近似算法1.2.3.3偏移阻抗圓的整定圓心直徑1.2.3.4滑極次數的整定同國內，取2。1.2.3.5時間整定t1R1R2間滑行最短時間，取0.1秒；T1R1R1（全周）的滑行最長時間，取3秒；t2第二次滑極時R1R2間滑行最短時間，取0.1秒；T2第二次滑極時R1R1（全周）的滑行最長時間，取2秒；T

8、3鎖定時間，即最大啟動時間，取5秒；1.2.3.6其它整定最大負序允許值：10%電流聯鎖：I1.2IN一種情況是，電流聯鎖應使保護在電流過高時動作，另一種情況是電流聯鎖應使保護在任何滑行軌跡上動作，在此時應置0A。跳閘延時：delayed保護在阻抗圓內不出口，待振蕩軌跡滑出圓時出口。方向：direction1/direction2，指加速或減速失步。矢量方向：Left/Right，指在發電機方向或電動機方向。1.3GE公司G60發電機保護1.3.1這里僅介紹GE公司的G60發電機失步保護的圓形特性，該保護特性和國內的三阻抗元件失步保護有些類似，由發電機、主變和系統阻抗形成一個綜合阻抗，并以此阻

9、抗按不同的阻抗圓限制角在兩邊形成外環、中環、內環三組圓弧，本保護以正序阻抗軌跡穿越外圓和中圓的時間段的長短，來區分系統短路與振蕩，以阻抗軌跡穿越外圓和中圓的時間段和穿越中圓和外圓的時間段的長短來區分失步振蕩與穩定振蕩。圖5.GE失步保護特性圖GE公司G60發電機失步保護的整定、功率振蕩正向阻抗及阻抗角該定值適用于全部三個阻抗特性，正向阻抗應大于變壓器和系統的正序阻抗之和。FWD REACH=式中：系統最大運行方式下的最小系統阻抗。阻抗角選為75°。.2、功率振蕩反向阻抗及阻抗角該定值適用于全部三個阻抗特性，反向阻抗應大于發電機的正序阻抗。發電機二次基準阻抗 REV REACH=阻抗角

10、選為75°。1.3.3.3、阻抗圓限制角設P為最大負荷點，則外圓限制角（OUTER LIMIT ANGLE）：在最大負荷條件下對應的限制角，外圓限制角應留有20°的安全裕量。OUTER LIMIT ANGLE=130°中圓限制角（MIDDLE LIMIT ANGLE）：按照說明書推薦值，應接近外圓限制角和內圓限制角的平均值。MIDDLE LIMIT ANGLE=內圓限制角（INNER LIMIT ANGLE）：動穩極限角（由系統調度部門給出，一般為120°140°），取INNER LIMIT ANGLE=1.3.3.4、功率振蕩動作時間計算公式

11、：、代表外圓、中圓、內圓的限制角。為系統最小振蕩周期，由調度部門給出，取0.4S。動作延時1應小于在最快的功率振蕩時，阻抗軌跡在外圓和中圓之間所需的時間。，取PICKUP DELAY1=0.04S動作延時2應小于在最快的功率振蕩時，阻抗軌跡在中圓和內圓之間所需的時間。，取PICKUP DELAY2=0.04S動作延時3失步保護在跳閘前，阻抗軌跡需在內圓之間花費時間。它為失步保護發出跳閘命令提供了額外的安全度。取PICKUP DELAY3=0.04S動作延時4用于延時跳閘方式。失步保護在跳閘前，阻抗軌跡在內圓以外、外圓以內所花費時間，需考慮可能的最快功率振蕩。，取PICKUP DELAY4=0.

12、06S復位時間阻抗軌跡離開外圓后，振蕩閉鎖的復歸時間。取出廠設置值RESET DELAY 1=0.05S自保持時間對短時跳閘信號的擴展。取出廠設置值SEAL-IN DELAY 1=0.4S1.4其它失步保護原理圖ABB失步保護特性曲線見圖6，與南瑞RCS985保護比較相似。圖6.ABB失步保護特性圖SIEMENS公司7UM516失步保護，采用多邊形特性，特性曲線見圖7，相當于透鏡形狀的失步保護的一個變形。圖7.SIEMENS失步保護特性圖2失步保護的調試由于失步保護基本原理就是判斷測量阻抗在阻抗平面不同位置，以及在特定區域停留的時間長短，因此失步保護的調試主要目的是檢測失步保護是否能正確識別測

13、量阻抗的運動軌跡。首先要確定測量阻抗在不同位置時，保護是否能準確判斷。以下僅以G60保護為例：可實際模擬某個特定的邊界點，當阻抗在邊界點附近滑動時，保護應當可以準確判斷出阻抗是否進入保護阻抗圓區域，可經計算得到失步阻抗圓上的特定點的極坐標值，從而取得阻抗模值和矢量方向，GE保護也可在調試軟件ENERVISTAUR的振蕩元件定值處點選查看并在自動生成的定值阻抗圓上以鼠標停留顯示出該點阻抗值，并經計算得到阻抗模值和矢量方向，以調試裝置加三相正序電壓和電流模擬該點阻抗，即，結果可以在阻抗平面上觀察。然后要觀察失步保護的保護邏輯動作是否正常。模擬失步的過程，在保護裝置上加入電壓VA=57.7V0

14、76;，VB=57.7V240°，VC=57.7V120°，電流IA=2A0°，IB=2A240°，IC=2A120°，即在保護裝置內模擬出一個28.85ohm0°的正序阻抗，然后逐步降低A，B，C三相電壓，采用GE調試軟件ENERVISTAUR的Product setupFlex states監視OST outer,OSTinner參數位，當降到特定值，即正序阻抗值恰好通過定值圓環時，可以看到阻抗由OUTER到INNER的變化。（將OST的動作模式設置為EARLY即阻抗從圓外進入圓內滿足時間要求就動作出口，不必等阻抗滑出圓外。）阻抗

15、進入內圓后保護動作出口。不同的失步保護因邏輯不同，可以采用不同的調試方法。具體可以根據保護邏輯說明來設計。3多種失步保護的比較綜合前文所提到的多種失步保護，可知現在微機失步保護的基本原理就是根據發電機測量阻抗在運行中遇到振蕩時，阻抗在振蕩過程中順序滑過由發電機阻抗、主變阻抗和系統阻抗構成的綜合阻抗所生成的特定阻抗區域，并在各區域停留相應時間這一特點，監測發電機阻抗變化軌跡從而判斷發電機是否失步。從阻抗區域來看，上述三種失步保護各有特色。南瑞的三阻抗元件失步保護計算相對簡單，并有區內振蕩與區外振蕩的區分電抗線，可以分別整定，有利于設備的優化運行。ELIN的ME311失步保護在判斷失步時只選擇加速或減速失步，對設備運行不太有利，但ME311可以根據矢量旋轉方向整定分別保護發電機和電動機，符合抽水蓄能機組的特點，因此桐柏抽水蓄能電站采用了該保護。GE的G60發電機保護的振蕩元件在阻抗圓的設置上包含了外、中、內三組圓弧，振蕩過程判斷十分細致，但沒有設置區內區外判斷電抗線，這也是國內