失步保护

水电站发变组失步保护动作分析

蒋琛１，闫涛１，张强１

（１.江苏省方天电力技术有限公司，江苏 南京 211100）

摘要：介绍国内外主流发变组失步保护动作原理，分析一次水电站动作数据,分析了动作机理，并对同类型的失步保护应用提出建议。

关键词：水电站 发变组 失步保护

水轮机组的失步保护。其动作逻辑见图2-1。

针对江苏省内近年基建项目中大机组上的

当系统发生振荡，且阻抗轨迹进入OUTER动作特性圆（图2-1）后，与门AND61的一个输入来自OUTER，另一输入来自MIDDLE从或门OR61输入，如果阻抗轨迹在OUTER和MIDDLE中间停留的时间超过时间启动整定值TLOS1后，则TLOS1动作并使得AND61的一个输入为1，只要OUTER动作，TLOS1就将一直保持在动作状态。

当发生短路故障，由于OUTER，MIDDLE同时动作，MIDDLE动作信号通过NOT61闭锁，TLOS1将不动作。

1．引言

较多的情况，如扬州二厂600MW×2（已投运），华润常熟电厂660MW×2（其中1#机已投运），张家港华兴电厂395MW×2（燃机），戚墅堰电厂395MW×2（燃机），望亭电厂（395MW×2燃机），镇江电厂三期（660MW×2），常州国电（660MW×2），太仓环保电厂四期（660MW×2）、华能太仓（660MW×2）、等厂，以及一批正在基建和已经运行的大型机组的发变机组保护都按稳定导则和设计规程的要求配置了失步保护，但也有例外的是华能南通电厂的350MW机组未配置发电机失步保护。

因此我们认为有必要对这些失步保护的性能进行研究，通过现场试验来分析这些失步保护在系统受到扰动时，是否存在不正确动作的可能行，以杜绝影响电网安全、稳定和不必要跳机的不利因素。

2．各保护原理分析

LPS失步保护原理（录自GE公司LPS保护说明书）

沙河电站的发变机组保护RS489中不具备失步保护的功能，故外方采用微机型线路保护LPS（为GE公司的早期产品，需要说明的是：

图1. LPS失步保护的动作逻辑

振荡的阻抗轨迹将进入MIDDLE（图2-2），但还停留在INNER外时，AND62的一个输入被TLOS1触发，另一输入则是MIDDLE本身，第三个输入则由INNER的非门NOT62决定，

用于线路保护的失步判别元件主要是防止线路保护的阻抗元件发生误动，当系统发生扰动，即使失步判别元件误动，也只是短暂闭锁这套线路保护，而用于大型发变机组和水轮机组的失步保护则是不允

许这种不应该的误动）中的振荡闭锁元件作为

如果振荡引起的阻抗轨迹在MIDDLE和

INNER之间的时间超过时间整定的启动值TLOS2，TLOS2输出为1，并通过OR66 OR62进行自保持。AND62有与OUT相关联的TLOS1决定。

振荡阻抗的轨迹进入INNER（图2-2）时，AND63的一个输入是由TLOS2，另一输入则是INNER本身。如果振荡引起的阻抗轨迹在INNER特性里面停留的时间超过整定时间值TLOS3时，TLOS3将提提供一个触发信号输入到AND64。此时将输出跳闸命令，如整定TRIPIN_OUT＝IN，失步保护将立即输出动作于跳闸的命令。

振荡轨迹无论从哪个方向离开INNER区域时，但还在OUTER特性里面，AND64的一个输入是TLOS3，第二个输入是OUTER，第三个输入由OR64，NOT62构成，如果在INNER圆与OUTER圆中间停留的时间超过TLOS4，TL64动作并且通过OR64，OR68自保持，TLOS4触发AND65。

如果保护设置整定 TRIPIN_OUT＝OUT，保护不会跳闸，直到振荡阻抗轨迹离开OUTER特性。当OUTER重新RESET，AND65的第二个输入是由NOT63，AND65动作，将自保持，同时送到OR65，OST发出跳闸信号，这个输出的宽度为阻抗轨迹离开OUTER后TLOS1。 显然，从上述逻辑可以看到，当电网因故障产生扰动时，如果失步保护感受到的测量阻抗分别进入Outer，Middle，Inner动作特性圆，并分别在各圆中停留超过一定的时间，那么失步保护在阻抗轨迹离开Outer圆的时候就会动作，导致失步保护误动。

图2. LPS失步保护的阻抗特性圆 通过对沙河电站的保护动作行为的分析，我们看到沙河电站使用的LPS失步保护如图3-3所示，存在着无法区分振荡是穿越性振荡(轨迹1、2)还是恢复性振荡（轨迹3,4），也无法区分振荡中心是发生在发变机组范围内还是系统内的问题。

4312 图3.不同类型振荡失步的阻抗轨迹

G 60失步保护原理

图4. G 60失步保护的动作逻辑

从图2-4所示的逻辑可知，G 60失步保护

虽然向用户提供了如图3-5、6和7的几种整定特性，但动作逻辑与LPS失步保护的逻辑功能几乎是一样，同样也存在不能区分振荡类型的

问题。

构成原理

DGT801A型装置中提供的失步保护，反应发电机机端测量阻抗的变化轨迹，动作特性为双遮挡器。见图3-8所示。

jXXB

图5. G 60圆特性失步继电器特性

XtR4R3R20R1?4?3?2?1RIV区III区减速失步0区I区II区I区0区加速失步II区XAIII区IV区

图8. DGT801A发电机失步保护动作

特性及过程图

在图3-8中的Xt——电抗整定值； R1、R2、R3、R4——电阻整定值；

图6. G 60遮挡器失步继电器特性

XB =Xs+Xt（Xs——系统电抗；Xt——主变电抗）；

?Xd?XA??Xd（——发电机暂态电抗）。

由图3-8可知：电抗线R1、R2、R3、R4

及Xt将阻抗复平面分成0~4共5个区域。当发电机失步后，机端测量阻抗较缓慢地从+R向-R方向变化，且依次由0区→I区→II区→III区→IV区穿过时，判断为加速失步；而当测量阻抗由-R方向向+R方向变化，且依次穿过各区时，就判断为减速失步。

如上所述，测量阻抗依次穿过五个区后记录一次滑极。当滑极次数累计达到整定值时， 便发出跳闸命令。

图7. G 60四边形失步继电器特性

南自凌伊公司DGT-801发变机组的失步保护原理（摘自DGT-801说明书）

引入保护的电压为机端电压互感器三相电压，电流为发电机电流互感器三相电流。

逻辑框图

双遮挡器原理的失步保护逻辑框图

如图3-9所示。

机端TV二次电压机端测量阻抗发电机TA二次电流失步类型判据减速失步加速失步加速信号减速失步jxUDOLILZaZcα Φ 信号累计次数&Ib<出口3图9. 失步保护逻辑框图

由上面的分析可知，机端测量阻抗依次穿过5个区域后，才记录一次滑极，而当测量阻抗轨迹穿越几个区之后以相反的方向返回，则不计滑极。这样就有效的将发电机失步与可恢复性的摇摆区分开来。

当振荡中心落在线路上时，由于机端测量阻抗轨迹在图3-8中的电抗Xt之上变化，故保护装置不计滑极数。

另外，当系统发生短路故障时，机端测量阻抗变化极快，失步保护不会动作。 南瑞继保公司RCS－985发变机组失步保护原理（摘自RCS－985说明书）

失步保护只在失步振荡情况下动作。失步保护动作后，由系统调度部门根据当时的情况采取解列、快关、电气制动等技术措施，只有振荡中心位于发变机组内部或失步振荡持续时间过长、对发电机安全构成威胁时，才作用于跳闸，而且应在两侧电动势相位差小于90°的条件下使断路器跳开，以免断路器的断开容量过大。RCS－985失步保护特性由以下三部分组成：

1IR0OR1RZbLR2

图10. RCS-985失步保护动作特性 遮挡器特性的整定：Φ＝80°～85°

2Ugn?naZa?XS?Sgn?nv

'Zb??Xd?2Ugn?naSgn?nv

Zc?0.9?Xc?2Ugn?naSgn?nv

式中：Xd’、Xs、Xc分别为发电机暂态电

抗、主变电抗、系统联系电抗标幺值（基准容量为发电机视在功率）；Φ为系统阻抗角。Ugn、Sgn、为发电机额定电压和额定视在功率；a、

nnv为电流互感器和电压互感器变比。

α角的整定

??180??2arctan2ZrZa?Zb

式中：

Zr?1RL.minR1.3，L.min为发电机最

小负荷阻抗，建议整定120°

电抗线Zc的整定

电抗线是失步振荡中心的分界线，一般选取变压器阻抗Zt的0.9倍。

跳闸允许电流的整定

装置自动选择在电流变小时作用于跳闸，跳闸允许电流定值为辅助判据，根据断路器允许遮断容量选择。

失步保护滑极定值的整定

振荡中心在区外时，失步保护动作于信号，滑极可整定2～15次，动作于跳闸。振荡中心在区内时，滑极次数一般整定2次。 从上面可以看出，RCS-985能区分恢复性振荡与发散性振荡，并且还能区分振荡中心在系统还是在发变组保护内部。

北京四方公司发变机组失步保护原理（摘自四方发变机组保护说明书）

保护构成原理

发电机失步保护采取电阻直线多区域特性。其特性如图3-11。图中Xt为变压器电抗（已归算到发电机机端侧），Rs为电阻边界定值，

系统正常运行时，测量阻抗>Rs，不会进

入2~5区内；

发电机增速失步时，测量阻抗会依次穿过1区、2区、3区、4区、5区、6区，经过每个区的时间都大于一个?T；

发电机减速失步时，测量阻抗会依次穿过6区、5区、4区、3区、2区、1区，经过每个区的时间都大于一个?T；

系统故障时，测量阻抗会突然落入2~5区（或者就在2～5区以外），而不会依次穿过1区、2区、3区、4区、5区、6区。

发电机失步后，该保护将发出失步信号。若测量电抗小于Xt，则说明振荡中心落在发变机组内，此时，由控制字选择，是否经滑级次数判别再发跳闸命令。当测量阻抗滑入1区或6区，且达到预定的滑极次数，同时，电流小于闭锁电流（Ibs）时，发出跳闸命令，这样可以避免断路器切断过大的电流。

阻抗元件电压取自发电机机端电压互感器，电流取自发电机机端或中性点电流互感器。

R2Rj内部自动调整为S。

jXXt0RjRs1.1.1 保护动作逻辑

加速信号加速时阻抗R、X减速信号减速时No次滑极跳闸R 6区5区4区3区2区1区图12.发电机失步保护逻辑框图 3、对G60失步保护的现场检查与故障回

图11.发电机失步保护的多区域特性

对图11的说明如下：

放试验

根据以上分析，我们对G 60的失步保护进行了现场试验，并将沙河电站05年1月4日所

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