同步发电机的失磁保护课件

, , , , , ,*,同步发电机励磁保护,林莉，牟道槐，陈刚，唐毅,1.,同步发电机励磁系统的结构,图,1,同步发电机励磁系统的结构,统计数据表明，同步发电机励磁系统故障约占发电机总故障的,60%,以上。,同步发电机励磁系统故障分为部分失磁与完全失磁，导致发电机失步，进入有励磁异步运行状态或无励磁异步运行状态。,如果保护与控制不当，将对发电机造成严重损害，并威胁电力系统的安全。,2.,同步发电机励磁系统故障保护的重要性,现行发电机失磁保护的判据有两类三种：,1,）静稳定边界判据,用等无功阻抗圆表达的静稳边界判据,用励磁电压与有功函数关系表达的静稳边界判据,2,）异步边界阻抗圆判据,3.,现行主流励磁保护在原理上存在的缺陷,3.1,系统母线处测量阻抗,图,2,系统等值电路,1),R-X,并联电路的等效串联阻抗图及其与功率的关系,I,&,jX,sh,U,&,P+,jQ,sh,I,&,jX,se,U,&,P+,jQ,se,阻抗,与功,率的关系,A）,R,sh,=const,下的恒有功阻抗圆电路,分子、分母,同乘以,2,P,I,&,jX,sh,U,&,P+,jQ,sh,I,&,jX,se,U,&,P+,jQ,se,e,s,e,s,e,s,jX,R,Z,+,=,恒有功电路的,等效串联阻抗,圆,图,图,4,当,U=const,时,恒有功电路的等效串联阻抗为一个以,R,轴对称的圆图,e,s,e,s,e,s,jX,R,Z,+,=,B）,X,sh,=const,下的恒无功阻抗圆电路,分子、分母,同乘以-,j2,Q,e,s,e,s,e,s,jX,R,Z,+,=,恒无功电路的,等效串联阻抗,圆,图,图,6,当,U=const,时,恒无功电路的等效串联阻抗为一个以,X,轴对称的圆图。,e,s,e,s,e,s,jX,R,Z,+,=,0,jX,se,R,se,Z,se,S,j,Q,U,j,2,2,Q,U,j,2,2,-,2,S,j,0,0,P,Q,0,0,P,Q,0,0,P,Q,0,0,P,Q,汽轮发电机的,静稳定边界条件,：,3.2,用等无功阻抗圆表达的,(,反应无功边界的）,汽轮发电机的静稳边界判据,因此可,用等无功阻抗圆表达汽轮发电机的静稳边界,：,（吸无功量增大）,（与有功无关）,用,系统母线处等无功阻抗圆,表达汽轮发电机的静稳边界,用,发电机出口处等无功阻抗圆,表达汽轮发电机的静稳边界,用等无功阻抗圆表达的,汽轮发电机的静稳边界判据,用等无功阻抗圆表达的,汽轮发电机的静稳边界判据,图,7,用,出口处等无功阻抗圆,表达的汽轮发电机静稳边界,圆心,半径,缺陷,以,小干扰稳定性概念,提出来的；,建立在静态功角特性的基础上：,功角特性为正弦曲线,稳定破坏角度为,cr,=,/2,用等无功阻抗圆表达的,汽轮发电机的静稳边界判据,1.098874,0.676806,图,8(a).,失磁后由于励磁电流急剧减小,使发电机的同步功率与功角的关系（同步功角特性）不是正弦曲线.,图,8(a),完全失磁的同步功率动态过程,用等无功阻抗圆表达的,汽轮发电机的静稳边界判据,图,8(b)。,异步功率出现,。,1.098874,0.165228,1.098874,0.842036,图,8(b),完全失磁的,异步功率动态过程,图,8(c),完全失磁的,总电磁功率动态过程,图,8(C)。,总功率非正弦变化,用等无功阻抗圆表达的,汽轮发电机的静稳边界判据,3.,用(,U,f,.min,P,e,),表达的水轮发电机的静稳边界判据,1）水轮发电机的有功算式,反应功率峰值,电磁功率,=,励磁功率,+,反应功率,励磁功率,反应功率,图,9(a),UG =1,Eq,=1,图,9(b),UG =1,Eq,=0.1,凸极机临界点的（,Eq,，,Pe,.,cr,，,cr,）关系,U,G,/p.u,P,t,/p.u,E,q,/p.u,P,e,.,cr,/p.u,cr,/,rad,1.0,0.080665,1.0,1.076853,1.425001,1.0,0.080665,0.1,0.163082,0.974991,2）失步功角与同步电势的关系,用(,U,f,.min,P,e,),表达的水轮发电机的静稳边界判据,3）失步点同步电势、总功率、失步功角的关系式,用(,U,f,.min,P,e,),表达的水轮发电机的静稳边界判据,（,1,）,（,2,）,在系统电压和阻抗确定的条件下,由（,1,）（,2,）式，给出功率,可解失步功角和同步电势,从而得出 的制约关系。,4）图,10,临界状态下电磁功率与同步电势的对应关,系,用(,U,f,.min,P,e,),表达的水轮发电机的静稳边界判据,令直线穿过两点,图,11,线性化静稳边界,5）将同步电势转换为励磁电压并线性化,用(,U,f,.min,P,e,),表达的水轮发电机的静稳边界判据,）系统电压与电抗变化时,P,e,.,cr,的相对误差算例,励磁电压,0.25,0.5,0.75,1.0,系统电压与阻抗变化时的,临界有功,值,U,S,=1.1,X,t,=0.14,0.358875,0.590824,0.826602,1.069113,U,S,=1.0,X,t,=0.28,0.261729,0.453445,0.647269,0.845486,临界有功误差百分值,37.12,30.33,27.71,26.45,用(,U,f,.min,P,e,),表达的水轮发电机的静稳边界判据,励磁功率,总功率,反应功率,原推导,:,凸极机中的功率关系,原推导,:,直接由,Xt,（不由,Xd,、,Xq,）算凸极机临界点功率、电势、功角关系,因此可直接由,P,t,（不由,X,d,、,X,q,）算凸极机临界点功率、电势、功角关系,（,1,）,（,2,）,原算式,用,Pt,代换,原推导,:,凸极机临界点,功率、电势、功角关系,原推导,:,F,t,为已知条件下先,由临界点总功率求临界功角,定义反应,功率系数,失步角度,与反应功率,系数的关系,原推导,:,由总功率求出临界,点失步角度后,再求同步电压,仍然与系统,电抗电压相关,与图,5,相似,:,异步边界阻抗圆实质为等无功圆,图,12,发电机无励磁异步运行等值电路,3,.,异步边界阻抗圆判据,图,14,略去,X,2,的,异步边界阻抗圆图,图,13,略去,X,2,的,异步运行等值电路,与图,7,相似,对应于一定的电压,U,，,无功恒定，有功变化时，,轨迹为图,14,的等无功圆.,异步边界阻抗圆判据,s 0,s = ,图,15,计及,X,2,的等值电路,图,16,计及,X2,的,异步边界阻抗圆图,异步边界阻抗圆判据,只证明了完全失磁后,的发电机测量阻抗会进入该阻抗圆，,而未证明完全失磁之外,的其它状态（包括不可能失步的状态）是否会进入该阻抗圆。,由于本质上是当前运行电压下的无功边界，,因此，凡在该电压下吸无功量大于该阻抗圆界定的无功量时，均可使保护动作。,例:系统电压的短时下降或发电机突然甩掉部分负荷时，发电机加速，功角增大，进入吸无功，可能启动保护使之误动。,异步边界阻抗圆判据,同步状态下,当,=(/2),时，发电机吸无功为：,图9 异步阻抗保护误动图,异步阻抗圆的无功边界值为,显然,发电机吸无功量已越过异步阻抗圆的无功边界,令同步运行发电机的等效电抗,由无功算式可得：,X,的绝对值小于,X,d,随吸无功量增大而减小。,令有功由0增大(取各种有功状态)作出此同步状态下的直径为,X,的等无功阻抗圆如图9所示。由于,X,X,d,，,该圆必与异步阻抗圆相交。相交部分正好是靠近额定有功区段,(,靠近,s=0,的区域,),，必然引起保护误动。,异步边界阻抗圆判据,隐极发电机部分失磁，,残余同步功率,将使机端测量阻抗反复进出于异步阻抗圆，保护间断起动,。,图10,x,-,r,曲线 （部分失磁）,异步边界阻抗圆判据,隐极发电机完全失磁、在,励磁完全衰减之前,，机端测量阻抗将反复进出于异步阻抗圆，保护间断起动，直至励磁完全衰减之后才能稳定于异步阻抗圆内，当励磁衰减时间常数较大时，会极大地延缓保护的动作速度。,图11,x,-,r,曲线（完全失磁）,异步边界阻抗圆判据,凸极发电机完全失磁后，反应功率将使机端测量阻抗反复进出于异步阻抗圆，保护间断起动。,凸极发电机发出的有功功率算式：,异步边界阻抗圆判据,4.,励磁短时下降动作特性仿真,系统接线图,电压,U,1,U,2,U,3,E,q1,E,q2,幅值,1.056139,1.058216,1.014883,2.746613,2.745081,相角,0.191662,0.192459,0.079991,0.971075,0.972788,支路,0-3,1-3,2-3,G,1,-1,G,2,-2,有功,-1.419153,0.854812,2.564531,0.900000,2.700000,无功,0.537207,0.265793,0.791337,0.417475,1.247864,稳态运行初始值,励磁短时下降动作特性仿真,失磁阻抗,保护定值,圆心,半径,励磁短时下降动作特性仿真,S,N,发电机在额定电压下满载无励磁异步运行时的额定转差率；,P,N,发电机的额定功率；,P,是稳定状态下发电机（即原动机）的运行功率；,K,可靠系数。,。,失磁阻抗,保护定值,励磁短时下降动作特性仿真,机组未失步，同步电势的回升与异步功率的上升使失磁机组稳定于第,2,摆,阻抗保护误动，,功角保护未动,。,励磁短时下降动作特性仿真,励磁短时下降,失磁机组已进入有励磁异步运行状态,功角保护稳定动作。阻抗保护最终未能进入异步阻抗圆，前端误动,。,励磁短时下降动作特性仿真,