发电机失步运行保护的应用与实现

有各种原因可引起运行中的发电机与系统发生失步。当出现小的扰动和调节失误使发电机与系统间的功角δ大于静稳极限角时，发电机将因静稳破坏而发生失步；当出现某些大的扰动（如短路故障）处理不当，此时，若发电机与系统间的功角δ大于动稳极限角时，发电机将因不能保持动态稳定而失步。发生失步时，伴随着出现发电机的机械量和电气量与系统之间的振荡。这种持续的振荡将对发电机组和电力系统产生下述具有破坏性的影响。

①单元接线的大型发变组的电抗较大，而系统规模的增大使系统等效电抗减小，因此，振荡中心往往落在发电机附近或升压变压器内，使振荡过程对机组的影响大为加重。由于机端电压周期性的严重下降，使厂用辅机工作稳定性遭到破坏，甚至导致停机、停炉和全厂停电这样的重大事故。

②失步运行时，电机电势与系统等效电势的相位差为180°的瞬间，振荡电流的幅值将接近机端三相短路时流经发电机的电流值。对于三相短路故障均有快速保护切除，而振荡电流则要在较长的时间内反复出现，若无相应保护会使定子绕组遭受热损伤或端部遭受机械损伤。

③振荡过程中产生对轴系的周期性扭力，可能造成大轴严重机械损伤。

④振荡过程中，周期性转差变化使转子绕组中感生电流，引起转子绕组发热。

⑤大型机组与系统失去同步，还可能导致电力系统解列甚至崩溃事故。

由于上述原因，大型发电机组需要装设失步异常运行保护（简称失步保护），以保障机组和电力系统的安全。

对于失步保护的基本要求为：失步保护应能鉴别短路故障、稳定振荡和非稳定振荡，且只在发生非稳定振荡时可靠动作，而在发生短路故障和稳定振荡情况下，不应当误动作。另外，失步保护动作于跳闸时，如在δ=180°时使断路器断开，则会因遮断电流最大而对断路器熄弧最为不利，因此失步保护应尽量躲过这种情况。

失步保护基本的原理之一是以机端测量阻抗运行轨迹及其随时间的变化特征来构成失步保护判据。下面通过分析发生振荡时机端测量阻抗变化的特点来说明失步保护基本原理。

图6.33　两机系统失步阻抗振荡轨迹

发电机与系统等值电路图以及失步时机端测量阻抗的轨迹如图6.33（a）、（b）所示。图中和分别表示发电机电势与系统等效电势，XG为发电机电抗，XT为变压器电抗，ZS为系统等值阻抗，和分别为机端测量电压和电流，假定正向如箭头所示，令

若假设超前的功角为δ，则有：

机端测量阻抗Z可表示为：

当发生振荡时，电势夹角δ不断增大。若假设EB/EA不变，仅δ发生变化，式（6.76）所示的测量阻抗Z的轨迹在复平面上为一圆，指向圆心的相量ZC及圆半径R分别为：

测量阻抗振荡轨迹的一部分如图6.33（b）虚弧线所示。当EB/EA＞1时，为上面那条虚弧线；EB/EA＜1为下面那条虚弧线。发生振荡时，测量阻抗Z即为从原点O指向圆弧的相量。(www.xing528.com)

发电机正常运行时，送出有功功率和无功功率，测量阻抗Z在第一象限。设正常运行时Z的终端为P点。发生短路故障时，Z的终端由P点突变到K点；当故障切除后，Z的终端则由K点突变到G点，然后随功角δ的增大，Z的终端沿圆弧从右向左运行。如果不能保持稳定振荡，δ角将逐渐大于180°，即Z的终端沿圆弧越过连线继续向左运动，如图中箭头2所示；如果能保持稳定（稳定振荡），δ角不大于180°，Z的终点运行到某点S后，将向反方向摆动，如箭头3所示，可能经多次摆动后，最终达到新的稳定运行点。对于不稳定振荡，在与反相（δ=180°）的瞬间，测量阻抗Z的终端轨迹通过BA连线，意味着失步已发生。因此，可以把BA连线作为一个判据（称为阻挡器）；不过，当系统发生短路（不管后果是否发生失步）时，Z的终端也会瞬时越过阻挡器；但发生不稳定振荡时，Z的终端越过阻挡器则需一定时间。

实际上，正常运行发电机的电势与系统等效电势间的功角δ也是随着运动点的变化而不断变化的，启动计时的时刻必须按躲开正常运行时可能的最大功角δ确定，并保证一定的安全裕度，设满足此条件的功角δ=δ0，为了使此比值EB/EA为任何值时，阻挡器都在时启动，动作边界必然是过连线的一段圆弧，这是因为圆弧上任一点分别与B及A点连线间的夹角保持为δ0，如图6.33（b）中圆弧所示。在实际中，还在AB连线上的左侧再构造与右边圆弧完全对称的圆弧形成了一个透镜形状的动作区。由这两个圆弧和阻挡器以及在复平面上Z由右到左穿过这两个半透镜所需的时间，共同构成了失步保护的动作特性。

如果测量阻抗Z由右到左穿过透镜，并且由右圆弧进入阻挡器的历时不小于给定的t2，则判断为失步，否则均不认为是失步。

下面说明如何利用可测量的量来实现上述透镜形阻抗特性。根据最初的定义，应有：

由图6.33中的系统等效电路不难确定：

于是，式（6.78）可改写为：

或

通常使用判据式（6.80），而式（6.81）则说明了动作方程所反映的阻抗之间的关系。保护装置用可以整定的模拟阻抗ZmB和ZmA来取代ZSA和ZSB。另外，δ0也是可整定的，它将决定透镜的宽度。

发生失步振荡时，功角δ的变化是周期性的，测量阻抗Z在复平面上从右至左穿过透镜之后，还将继续沿圆弧运动，若不采取任何措施，Z的终端轨迹将再次从右至左穿过透镜，周而复始。Z的轨迹每穿过一次透镜表示失步发电机的转子磁极相对系统同步旋转磁场的磁极运动360°电角度，称为一次滑极。在实际运行中，有时为了使发电机能在采取某些措施（如通过调节调速器和励磁装置）后重新拉入同步，并不是发生一次滑极后就动作跳闸，而往往根据发电机与系统具体情况允许几次滑极。因此，保护要求能记录滑极次数，以在达到规定值时才动作跳闸。

在振荡过程中，电势源和的联系阻抗上电压幅值最低的一点称为振荡中心。振荡中心的电压与其他各点的电压一样，其幅值随功角δ而变，通常在δ=180°时达到最低点。振荡中心的位置与比值有关，当时，振荡中心固定在系统等效阻抗ZΣ的中点[即图6.33（b）中连线的中点]，并不随角δ而变；若，振荡中心是变动的，其位置与比值及功角δ均有关，但进一步分析表明，通常比较接近于1，而在所检测的δ变化范围内（90°＜δ＜270°），振荡中心位置变动不大。前面已介绍振荡中心落在发电机端附近，对发电机及其辅机稳定工作影响最大，需要失步保护尽快动作。反之，若振荡中心落在机端以外较远的地方（这种情况与运行方式有关，有些时候是可能发生的），则可根据系统稳定要求适当延缓跳闸，以便采取措施恢复同步运行，因此要检测振荡中心位置。可以证明，测量阻抗Z在系统综合联系阻抗ZΣ，即图6.33（b）中连线上的投影即为振荡中心位置（用阻抗表示），于是，可在连线上选择某点把透镜分作上下两个区域，若测量阻抗Z仅穿过上部区域，即振荡中心落在机端以外较远的地方，则可适当放宽动作的滑极次数；若Z穿过下部区域，则以较小的允许滑极次数动作。

图6.34　失步继电器特性

发生失磁故障时也会引起发电机失步，对于这种特殊的失步现象，已有完善的失磁保护。为明确职责，便于分析事故，故不希望由失步保护动作，为此，失步保护还需引入失磁闭锁信号，即当失磁保护动作时闭锁失步保护。

另外，因为在δ=180°时，振荡电流最大，所以保护动作于跳闸的时机应避开δ=180°附近的一段时间，最简单的方法是采用低电流动作元件或过电流闭锁元件，当失步保护已判断为必须跳闸之后，若电流过大，则由电流元件闭锁，直到电流值低于某定值时，开放出口跳闸。

综合以上各点，就构成了较为完善的失步保护。