三元件失步保護(hù)透鏡內(nèi)角和靈敏角的校驗(yàn)方法

霍 震

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210023)

不同的電網(wǎng)具有不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及接入的發(fā)電機(jī)數(shù)量，而這些電網(wǎng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些動(dòng)態(tài)事件，如負(fù)荷的突變、系統(tǒng)內(nèi)短路沒(méi)有快速的切除、非同期重合閘以及運(yùn)行方式的改變等，這些動(dòng)態(tài)事件的發(fā)生，都可能引起系統(tǒng)的振蕩，繼而危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此有功功率的振蕩與電網(wǎng)的穩(wěn)定有重大關(guān)系，有功功率振蕩同時(shí)將可能導(dǎo)致機(jī)組失步，發(fā)電機(jī)大軸可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)振蕩，使大軸遭受機(jī)械損傷，甚至造成嚴(yán)重事故。所以大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)裝設(shè)失步保護(hù)[1]。

1 發(fā)電機(jī)失步時(shí)的機(jī)端阻抗軌跡

可以通過(guò)圖1的電力系統(tǒng)等效模型推導(dǎo)出發(fā)電機(jī)失步時(shí)的機(jī)端阻抗方程。

圖1 電力系統(tǒng)的等效模型

(1)

I(m)為振蕩電流，位置m處的電壓為：

U(m)=UG-(m·Ztot·I)(3)

將式(2)和(3)代入式(1)，并將UN與UG用極坐標(biāo)代入可得：

·Ztot(4)

式中：δ=δG-δN,是發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓之間的相角差。在正常情況下這個(gè)數(shù)值取決于負(fù)荷情況，通常是個(gè)常數(shù)。在發(fā)電機(jī)失步過(guò)程中，δ將持續(xù)波動(dòng)，范圍從0°到360°，從式(4)可以看出，發(fā)電機(jī)失步時(shí)機(jī)端阻抗的軌跡在以測(cè)量點(diǎn)的位置為坐標(biāo)軸的原點(diǎn)的坐標(biāo)系內(nèi)是一個(gè)個(gè)圓，圓心和半徑由UN/UG的值確定，軌跡圓的圓心總是位于一條斜線上，斜線的傾角取決于Ztot的阻抗角，當(dāng)UG=UN時(shí)，測(cè)量阻抗的軌跡為一條直線。

2 三元件失步保護(hù)的原理及定值整定

三元件失步保護(hù)采用基于機(jī)端視在阻抗變化軌跡的三阻抗元件構(gòu)成，圖2是三阻抗元件的典型動(dòng)作特性圖。

圖2 三元件失步保護(hù)的動(dòng)作特性圖

ZA和ZB可以直接按照系統(tǒng)聯(lián)系電抗和發(fā)電機(jī)暫態(tài)同步電抗整定(這里指標(biāo)幺值的整定)，ZC一般選定為變壓器電抗的90%，φ為保護(hù)的靈敏角，按照系統(tǒng)總阻抗的阻抗角整定。對(duì)于某一給定的ZA+ZB,透鏡內(nèi)角α即兩側(cè)電勢(shì)的擺開(kāi)角，決定了透鏡在復(fù)平面上橫軸方向的寬度Zr,由ZA、ZB和α角所構(gòu)成的三角形可知：

3 三元件失步保護(hù)校驗(yàn)方法的分析和比較

根據(jù)目前采用三元件失步保護(hù)原理的一些繼電保護(hù)裝置制造商提供的技術(shù)說(shuō)明書(shū)和調(diào)試大綱，該保護(hù)的校驗(yàn)方法大致有三種[4-5]。

第一種方法是用固定阻抗模值同時(shí)改變阻抗角度對(duì)透鏡曲線上的ZA、ZB、ZC分別進(jìn)行校驗(yàn)。ZA為阻抗透鏡的上端阻抗，是區(qū)外失步的上端邊界，校驗(yàn)時(shí)阻抗值按照95%ZA可靠動(dòng)作，105%ZA可靠不動(dòng)作進(jìn)行。

第二種方法是使用繼電保護(hù)測(cè)試儀的“振蕩”功能，通過(guò)輸入試驗(yàn)參數(shù)，使繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。此方法的原理是繼保儀根據(jù)電力系統(tǒng)等效模型模擬振蕩從而施加電壓、電流，繼保儀所施加的電壓、電流所構(gòu)成的阻抗軌跡即為發(fā)電機(jī)失步時(shí)的機(jī)端阻抗軌跡。這種方法也同樣無(wú)法對(duì)透鏡內(nèi)角和靈敏角進(jìn)行校驗(yàn)。

第三種方法是使用繼保儀的“狀態(tài)序列”功能，通過(guò)手動(dòng)添加各個(gè)狀態(tài)量，使測(cè)量阻抗的軌跡依次穿越(圖2)中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域。手動(dòng)添加的狀態(tài)量同樣是固定電壓和電流的幅值，在每一個(gè)狀態(tài)內(nèi)改變電壓的相位，這種方法的原理和第一種方法相同也是模擬阻抗圓。但是它的優(yōu)點(diǎn)是每一個(gè)狀態(tài)的停留時(shí)間可以通過(guò)設(shè)定自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，減小了校驗(yàn)過(guò)程的偶然性。但是，只能對(duì)ZA、ZB、ZC三個(gè)要素進(jìn)行校驗(yàn)，無(wú)法校驗(yàn)透鏡內(nèi)角和靈敏角；而且ZA、ZB、ZC的邊界值不一定都能測(cè)出來(lái)，這是因?yàn)槭Р降幕瑯O區(qū)域根據(jù)定值中的靈敏角和透鏡內(nèi)角不同而有很大的不同。

4 透鏡內(nèi)角和靈敏角的校驗(yàn)

通過(guò)上述比較和分析，可以看出以上三種方法都無(wú)法對(duì)三元件失步保護(hù)的透鏡內(nèi)角和靈敏角進(jìn)行校驗(yàn)，而且ZA、ZB、ZC的邊界值的準(zhǔn)確性不一定都能校驗(yàn)出來(lái)。

將透鏡曲線矩形化，將施加阻抗直線化可以使以上問(wèn)題簡(jiǎn)化。校驗(yàn)時(shí)采用狀態(tài)序列施加電壓和電流的方法，只是不再固定電壓和電流的幅值改變阻抗角即不再模擬阻抗圓，而是固定阻抗縱坐標(biāo)改變橫坐標(biāo)，即模擬阻抗直線穿越各個(gè)區(qū)域。由于靈敏角與透鏡的形狀無(wú)關(guān)只與傾斜程度有關(guān)，所以在校驗(yàn)時(shí)，為了方便計(jì)算可以先將繼電保護(hù)裝置中靈敏角的定值修改為90°，待ZA、ZB、ZC和透鏡內(nèi)角校驗(yàn)完成后，最后再對(duì)靈敏角進(jìn)行校驗(yàn)。以ZA=3Ω、ZB=3.5Ω、ZC=2Ω、靈敏角φ=80°、透鏡內(nèi)角α=120°為例說(shuō)明，如圖3。

圖3 三元件失步保護(hù)透鏡內(nèi)角的校驗(yàn)

設(shè)圖3中D1點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y),由圖可知：

圖4 三元件失步保護(hù)靈敏角的校驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

基于三元件透鏡原理的失步保護(hù)，由于動(dòng)作特性呈現(xiàn)為透鏡曲線因此難于精確計(jì)算，目前保護(hù)裝置制造廠家提供的主要校驗(yàn)方法對(duì)于該保護(hù)的透鏡內(nèi)角和靈敏角均難以校驗(yàn)[6-7]。經(jīng)過(guò)實(shí)例計(jì)算，說(shuō)明該方法可有效解決透鏡內(nèi)角和靈敏角難以校驗(yàn)的問(wèn)題。工程技術(shù)人員應(yīng)了解各種校驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)裝置和繼電保護(hù)測(cè)試儀的實(shí)際情況，用適合的方法對(duì)三元件透鏡原理失步保護(hù)的重要要素進(jìn)行正確、完整的校驗(yàn)，保證該保護(hù)的動(dòng)作可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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