三元件失步保护透镜内角和灵敏角的校验方法

霍 震

(国电科学技术研究院，江苏 南京 210023)

不同的电网具有不同的系统结构以及接入的发电机数量，而这些电网经常会发生一些动态事件，如负荷的突变、系统内短路没有快速的切除、非同期重合闸以及运行方式的改变等，这些动态事件的发生，都可能引起系统的振荡，继而危及电网的稳定运行，因此有功功率的振荡与电网的稳定有重大关系，有功功率振荡同时将可能导致机组失步，发电机大轴可能发生扭转振荡，使大轴遭受机械损伤，甚至造成严重事故。所以大型发电机组应装设失步保护[1]。

1 发电机失步时的机端阻抗轨迹

可以通过图1的电力系统等效模型推导出发电机失步时的机端阻抗方程。

图1 电力系统的等效模型

(1)

I(m)为振荡电流，位置m处的电压为：

U(m)=UG-(m·Ztot·I)(3)

将式(2)和(3)代入式(1)，并将UN与UG用极坐标代入可得：

·Ztot(4)

式中：δ=δG-δN,是发电机机端电压和系统电压之间的相角差。在正常情况下这个数值取决于负荷情况，通常是个常数。在发电机失步过程中，δ将持续波动，范围从0°到360°，从式(4)可以看出，发电机失步时机端阻抗的轨迹在以测量点的位置为坐标轴的原点的坐标系内是一个个圆，圆心和半径由UN/UG的值确定，轨迹圆的圆心总是位于一条斜线上，斜线的倾角取决于Ztot的阻抗角，当UG=UN时，测量阻抗的轨迹为一条直线。

2 三元件失步保护的原理及定值整定

三元件失步保护采用基于机端视在阻抗变化轨迹的三阻抗元件构成，图2是三阻抗元件的典型动作特性图。

图2 三元件失步保护的动作特性图

ZA和ZB可以直接按照系统联系电抗和发电机暂态同步电抗整定(这里指标幺值的整定)，ZC一般选定为变压器电抗的90%，φ为保护的灵敏角，按照系统总阻抗的阻抗角整定。对于某一给定的ZA+ZB,透镜内角α即两侧电势的摆开角，决定了透镜在复平面上横轴方向的宽度Zr,由ZA、ZB和α角所构成的三角形可知：

3 三元件失步保护校验方法的分析和比较

根据目前采用三元件失步保护原理的一些继电保护装置制造商提供的技术说明书和调试大纲，该保护的校验方法大致有三种[4-5]。

第一种方法是用固定阻抗模值同时改变阻抗角度对透镜曲线上的ZA、ZB、ZC分别进行校验。ZA为阻抗透镜的上端阻抗，是区外失步的上端边界，校验时阻抗值按照95%ZA可靠动作，105%ZA可靠不动作进行。

第二种方法是使用继电保护测试仪的“振荡”功能，通过输入试验参数，使继电保护测试仪进行自动测试。此方法的原理是继保仪根据电力系统等效模型模拟振荡从而施加电压、电流，继保仪所施加的电压、电流所构成的阻抗轨迹即为发电机失步时的机端阻抗轨迹。这种方法也同样无法对透镜内角和灵敏角进行校验。

第三种方法是使用继保仪的“状态序列”功能，通过手动添加各个状态量，使测量阻抗的轨迹依次穿越(图2)中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域。手动添加的状态量同样是固定电压和电流的幅值，在每一个状态内改变电压的相位，这种方法的原理和第一种方法相同也是模拟阻抗圆。但是它的优点是每一个状态的停留时间可以通过设定自动实现，减小了校验过程的偶然性。但是，只能对ZA、ZB、ZC三个要素进行校验，无法校验透镜内角和灵敏角；而且ZA、ZB、ZC的边界值不一定都能测出来，这是因为失步的滑极区域根据定值中的灵敏角和透镜内角不同而有很大的不同。

4 透镜内角和灵敏角的校验

通过上述比较和分析，可以看出以上三种方法都无法对三元件失步保护的透镜内角和灵敏角进行校验，而且ZA、ZB、ZC的边界值的准确性不一定都能校验出来。

将透镜曲线矩形化，将施加阻抗直线化可以使以上问题简化。校验时采用状态序列施加电压和电流的方法，只是不再固定电压和电流的幅值改变阻抗角即不再模拟阻抗圆，而是固定阻抗纵坐标改变横坐标，即模拟阻抗直线穿越各个区域。由于灵敏角与透镜的形状无关只与倾斜程度有关，所以在校验时，为了方便计算可以先将继电保护装置中灵敏角的定值修改为90°，待ZA、ZB、ZC和透镜内角校验完成后，最后再对灵敏角进行校验。以ZA=3Ω、ZB=3.5Ω、ZC=2Ω、灵敏角φ=80°、透镜内角α=120°为例说明，如图3。

图3 三元件失步保护透镜内角的校验

设图3中D1点的坐标为(x,y),由图可知：

图4 三元件失步保护灵敏角的校验

5 结语

基于三元件透镜原理的失步保护，由于动作特性呈现为透镜曲线因此难于精确计算，目前保护装置制造厂家提供的主要校验方法对于该保护的透镜内角和灵敏角均难以校验[6-7]。经过实例计算，说明该方法可有效解决透镜内角和灵敏角难以校验的问题。工程技术人员应了解各种校验方法的优缺点，结合现场保护装置和继电保护测试仪的实际情况，用适合的方法对三元件透镜原理失步保护的重要要素进行正确、完整的校验，保证该保护的动作可靠性。

参考文献：

[1]王维检.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京:中国电力出版社,2002.

[2]高有权,高 华,魏 燕,等.发电机变压器继电保护设计及整定计算[M].北京:中国电力出版社,2011.

[3]DL/T684-2012,大型发电机变压器保护整定计算导则[S].

[4]南京南瑞继保电气有限公司.RCS-985系列发电机变压器成套保护装置技术说明书[R].南京:南瑞继保电气有限公司,2013.

[5]深圳南瑞科技有限公司.PRS-785整机现场调试大纲[R].深圳:深圳南瑞科技有限公司,2007.

[6]毛光辉,朱建军,丁五行,等.SF6互感器带电检测的多参数快速测量系统设计[J].电力科技与环保,2016,32(2):45-47.

[7]张 顺,郭 涛,葛智平,等.大规模新能源接入系统调峰能力与电源开机方式研究[J].电力科技与环保,2016,32(2):48-51.