电力系统失步保护原理及整定方法概述随着电力系统容量不断增加，大型发电厂高压母线的系统阻抗较小，一旦发 生系统非稳定性振荡，其振荡中心很容易进入失步发电机变压器组内部，这将严 重威胁失步的发电机和系统的安全运行，所以自20世纪90年代以来，我国大型 发电机组均加装发电机失步保护，并有多种不同类型判据的失步保护1.失步保护的基本原理失步保护的基本原理主要是通过测量阻抗的轨迹变化情况来检测是否失步 其主要指标有三点，一是测量阻抗轨迹为自左向右或自右向左依次穿越整定阻抗 区域，穿越一次则记录为滑极次数加一；二是每穿越一个区域都大于一定延时， 以区别于故障以及区分失步振荡和稳定振荡；三是滑极次数达到一定值时，则动 作出口失步保护要求在短路故障、系统振荡、电压回路断线等情况下，保护不 误动作国内失步保护主要采用三阻抗元件失步保护动作特性或双遮挡器失步保护 动作特性这里仅介绍南瑞RCS985保护的三阻抗元件失步保护动作特性1.1国产南瑞RCS985发变组保护：失步保护反应发电机失步振荡引起的异步运行，失步保护阻抗元件计算采用 发电机正序电压、正序电流，阻抗轨迹在各种故障下均能正确反映1.1.1保护采用三阻抗元件失步继电器动作特性，如下图。
图1•南瑞三阻抗元件失步保护特性图第一部分是透镜特性，图中①，它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透镜外 的部分0第二部分是遮挡器特性，图中②，它把阻抗平面分成左半部分L和右半部分R两种特性的结合，把阻抗平面分成四个区OL、IL、IR、OR,阻抗轨迹顺序 穿过四个区（OL-IL-IRf OR或OR-IRf IL-OL）,并在每个区停留时间大 于一时限，则保护判为发电机失步振荡每顺序穿过一次，保护的滑极计数加1, 到达整定次数，保护动作第三部分特性是电抗线，图中③，它把动作区一分为二，电抗线以上为I段 （U），电抗线以下为II段（D）阻抗轨迹顺序穿过四个区时位于电抗线以下， 则认为振荡中心位于发变组内，位于电抗线以上，则认为振荡中心位于发变组外, 两种情况下滑极次数可分别整定保护可动作于报警信号，也可动作于跳闸失步保护可以识别的最小振荡周期为120ms1.1.2失步保护逻辑框图如下:图2•南瑞失步保护逻辑图1.1.3其整定计算为：1.1.3.1三阻抗元件Z1、Z2和Z3的整定计算第I象限最远点整定阻抗Z =（X + XeAa. set T S g .n第III象限最远点整定阻抗Z = X' Z ej（180。
= — X' Z ej%b. set d g .n d g .n遮挡器直线阻抗元件Zab阻抗线和R轴的夹角甲=0SU 2 n UZ = ―GN TA = g-n—g-n S n V3IG. N TV g .n式中：X'――发电机暂态电抗相对值（发电机额定值为基准值）；dXT ――主变压器电抗相对值（发电机额定值为基准值）；X Q――最小方式时系统电抗相对值（发电机额定值为基准值）; S0 系统阻抗角（一般为80—85°）,取90°；SZ 发电机额定二次阻抗有名值（Q）；g.nU 发电机额定电压（kV）；G.N5 发电机额定视在功率（MVA）；G.N“ta 发电机电流互感器变比；n ――发电机电压互感器变比；VAU —发电机额定二次电压（V）；g.nI 发电机额定二次电流（A）；g.n1.1.3.2 电抗线 Zc 的动作阻抗整定值 Zc.set 计算一般取Z 二 0.9Xc . set T1.1.3.3透镜内角6 set整定计算透镜内角6 set越小，透镜越大，保护计时越准确，但必须保护发电机组正 常运行时的最小负荷阻抗ZL.min位于透镜之外，以保证保护动作选择性要求为此选择透镜宽度Z <— R ，透镜内角整定值6 set为r 1.3 L. min2Z 1.54R6 = 180° - 2arctg r = 180° - 2arctg Lmftset Z - Z X + X + X'a . set b . set S T dR - cos QL. min n式中：R ――最小负荷阻抗相对值；L.mincosQ ――发电机额定功率因数。
n1.1.3.4 跳闸允许电流的整定计算I 二（厂 5）1off .al g .n1.1.3.5滑极次数整定计算振荡中心在区外时，滑极次数可整定2〜15次（一般整定5次），动作于信 号振荡中心在区内时，滑极次数根据发电机实际能够承受的失步滑极次数整定 （一般为2〜3次），我国在整定中一般取1〜21.2奥地利ELIN的ME311失步保护ME311失步保护所取为一个偏移阻抗圆，并在以ZS、XT和X'd合成的综合 阻抗上以6内角取得一组平行于综合阻抗的遮挡器1.2.1奥地利ELIN的ME311失步保护原理图-0 5IMPEDANCE CIRCLEx [p.U ] +I畑HFOXT (Rl)OFFSEI' (R1-R.2)LLl-1 0VERTICAL BLINDER R2VERTICAL BL INDFR R1图3.ELIN失步保护特性图ME311失步保护取以X轴(2XT-3X'd)为直径的一个偏移阻抗圆，并根据 -X'd和XT+ZS所形成的综合阻抗，取内角为6的两条平行于综合阻抗的直线 为一组遮挡器，从而取得三个阻抗区域当测量阻抗依次穿越R1右一R1f(R1—R2)fR2fR2左这五个区域并满 足停留时间设置要求时，被认为是一次有效的滑极次数计数。
计数达到整定值， 保护动作出口于信号或跳闸1.2.2ME311失步保护逻辑图NOTEBOOK DISPLAYH勺LdFl 口J~T TREPl;:却站 TRIP MATRIXFig. 77: ME31I1 78MHO LOGIC DIAGRAM/VE2tnUlzu I1 Uui.1 1卜1 111 1-f|Ll 1—Uliu0.FHC3E aecucuiRnBuPH^E!7；BucinnBIN I/OPRESETBLCCKIhGBIN I旳l耐~~II"FOR DETAILS PLEASE SEE7BMHQ ALARM-( ALARM )FRIPACTUAL NUM^R *F $LjP ABS IIWED^NCE VECTOR] ANOLE [肘户EDANCE VECTOA：|IIME STARTTO3.PHA5E SEW CURRENT PgPHASE 5EOU.VOL1AGJE NEG. PHASE &EQU.CURRENTALJ.IRM |LE.D ・MATRIXI QIN. li'D p]I PRESET 11|--y---L图4.ELIN失步保护逻辑图 1.2.3ME311失步保护的整定123.1阻抗折算U 2 n F GN——TAS nG. N TVZ 二 Z X Fsec经折算后，综合二次阻抗值为Z 二 Z + X + X'S.sec T .sec d.sec1.2.3.2 遮挡器 R1 及 R2 的整定 考虑到综合阻抗的阻抗角一般接近于 90°，因此采用以下近似算法X'd +tan(arg(Z ))| - tan呼)22sin(arg(Z))|Z 180o-5 x-tan( )R - R 二 2 •上 2——1 2 sin(arg(Z))1.2.3.3 偏移阻抗圆的整定圆心X =cent3-X' -2Xd T2直径 X 二 3 - X' +2 - XD d T1.2.3.4 滑极次数的整定 同国内，取 2。
1.2.3.5 时间整定t1 R1—R2间滑行最短时间，取0.1秒；T1 — —R1—R1 （全周）的滑行最长时间，取3秒；t2 第二次滑极时R1—R2间滑行最短时间，取0.1秒；T2——第二次滑极时R1—R1 （全周）的滑行最长时间，取2秒；T3 ——锁定时间，即最大启动时间，取5秒；1.2.3.6 其它整定 最大负序允许值：10% 电流联锁：I=1.2IN一种情况是，电流联锁应使保护在电流过高时动作，另一种情况是电流联锁 应使保护在任何滑行轨迹上动作，在此时应置 0A跳闸延时： delayed 保护在阻抗圆内不出口，待振荡轨迹滑出圆时出口 方向： direction1/direction2， 指加速或减速失步矢量方向： Left/Right， 指在发电机方向或电动机方向1.3GE 公司 G60 发电机保护1.3.1 这里仅介绍 GE 公司的 G60 发电机失步保护的圆形特性，该保护特性 和国内的三阻抗元件失步保护有些类似，由发电机、主变和系统阻抗形成一个综 合阻抗，并以此阻抗按不同的阻抗圆限制角在两边形成外环、中环、内环三组圆 弧，本保护以正序阻抗轨迹穿越外圆和中圆的时间段的长短，来区分系统短路与 振荡，以阻抗轨迹穿越外圆和中圆的时间段和穿越中圆和外圆的时间段的长短来 区分失步振荡与稳定振荡。
图5.GE失步保护特性图1.3.2 GE公司G60发电机失步保护的整定1.321、 功率振荡正向阻抗及阻抗角该定值适用于全部三个阻抗特性，正向阻抗应大于变压器和系统的正序阻抗 之和FWD REACH=（X + X ）◎t s nPT式中：X —系统最大运行方式下的最小系统阻抗S阻抗角选为75 °1.322、 功率振荡反向阻抗及阻抗角该定值适用于全部三个阻抗特性，反向阻抗应大于发电机的正序阻抗U 2 n发电机二次基准阻抗 Z （ 4!Xfb \SEC 丿 S nB（SEC ） vnREV REACH= X'・y-d nPT阻抗角选为75 °1.333、阻抗圆限制角设P为最大负荷点，则0P =——N X —aS nNv夕卜圆限制角(OUTER LIMIT ANGLE)：在最大负荷条件下对应的限制角， 外圆限制角应留有 20°的安全裕量OUTER LIMIT ANGLE=13O°中圆限制角(MIDDLE LIMIT ANGLE)：按照说明书推荐值，应接近外圆限 制角和内圆限制角的平均值MIDDLE LIMIT ANGLE= (130》2 = 90内圆限制角(INNER LIMIT ANGLE):动稳极限角(由系统调度部门给出， 一般为 120°~140°)，取INNER LIMIT ANGLE= 180。
—1301.3.3.4、功率振荡动作时间计算公式：t = Tmin (5 2 —8 1) OP 36081、8 2代表外圆、中圆、内圆的限制角Tmin为系统最小振荡周期，由调度部门给出，取0.4S动作延时1——应小于在最快的功率振荡时，阻抗轨迹在外圆和中圆之间所 需的时间t =空 x(130 — 90)= 0.044S，取 PICKUP DELAY1=0.04Sop 360 动作延时2——应小于在最快的功率振荡时，阻抗轨迹在中圆和内圆之间所 需的时间t =空 x(90 — 50)= 0.044S，取 PICKUP DELAY2=0.04。