數(shù)字式發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)原理分析
發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障后,將過渡到異步運行,轉(zhuǎn)子出移動式皮帶輸送機(jī)現(xiàn)轉(zhuǎn)差,定子電流增大,定子電壓下降,有功功率下降,無功功率反向并且增大;在轉(zhuǎn)子回路中出現(xiàn)差頻電流;電力系統(tǒng)的電壓下降及某些電源支路過電流。由此可見發(fā)電機(jī)失磁故障嚴(yán)重影響大型機(jī)組的安全運行。
ARAS2篩料機(jī)741B數(shù)字式發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)裝置(以下簡稱裝置)主要是用于同步發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)。
1 電XZS系列旋轉(zhuǎn)篩氣原理分析
本裝置由勵磁單段錘式破碎機(jī)電壓檢測元件、勵磁電壓-有功功率元件、阻抗元件、系統(tǒng)電壓檢測元件、負(fù)序電流、負(fù)序電壓、過電流等元件組成。裝置的保護(hù)功能方框圖如圖1所示。
圖1 裝置的移動式帶式輸送機(jī)保護(hù)功能方框圖
當(dāng)勵磁電壓降低或勵磁電壓-有功功率判據(jù)與系統(tǒng)低電壓(Uhl)判據(jù)均滿足時,表明失磁已經(jīng)危及到電力系統(tǒng)的安全,則迅速發(fā)出跳閘命令。延時t1是為了刮板輸送防止異步運行時系統(tǒng)電壓短時降低而造成誤動作。若勵磁低電壓判據(jù)或勵磁電壓-有功功率判據(jù)及阻抗判據(jù)得到滿足,說明失磁故障已造成失去靜穩(wěn),故發(fā)出失穩(wěn)信號。
為了防止勵磁低電壓判據(jù)和勵磁電壓-有功功率判據(jù)在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部斷線時拒圓錐機(jī)絕動作,阻抗元件可經(jīng)延時單獨發(fā)出失穩(wěn)信號,延時t3用于防止系統(tǒng)振蕩時測量阻抗進(jìn)入動作區(qū)誤發(fā)失穩(wěn)信號。
失穩(wěn)信號發(fā)出后,對重型振動篩于水輪發(fā)電機(jī)不允許異步運行,故經(jīng)短延時(tTZ整定為短時間)發(fā)出跳閘;對于汽輪發(fā)電機(jī),允許失磁后異步運行一段時間,同時監(jiān)視定子電流,若定子電流大于1.05倍額定電流(該定值可整定),表明平均異步功率超過0.5倍額定功率,發(fā)出壓出力命令,為發(fā)電機(jī)繼續(xù)運行創(chuàng)造條件。穩(wěn)定異步運行一般允許2~15min(即tTZ=2~15min),過后再發(fā)跳閘命令以保證發(fā)電機(jī)本身安全。一般取t4=10s。
如果失穩(wěn)信號發(fā)出后,系統(tǒng)低電壓元件動作,也將迅速發(fā)跳閘命令,以保證系統(tǒng)安全。為了防止在PT斷線,大傾角皮帶機(jī)系統(tǒng)短路故障,強(qiáng)減勵磁,自同期并列及長線充電等異常工況下保護(hù)誤動作,裝置中采取了相應(yīng)的閉鎖措施。
1.1勵磁電壓檢測元件 (等勵磁粉碎機(jī)電壓判據(jù))
勵磁電壓檢測元件是一個低電壓檢自擊式破碎機(jī)測元件,當(dāng)勵磁電壓滿足下式時動作:
Ufd≤(0.2~振動傳感器0.8)Ufd0
Ufd破碎機(jī)0為空載勵磁電壓
大多數(shù)情況下失磁故障時,Ufd將下降為零或制砂石設(shè)備負(fù)值,而很多外部短路系統(tǒng)振蕩等情況下Ufd有較高的數(shù)值。
1.2勵磁電壓-有功功率元件 (變勵磁電壓判據(jù)Ufd(P))
勵磁電壓-有功功率元件Ufd(P)檢測發(fā)電機(jī)機(jī)端輸出的有功功率P和勵磁繞組兩端的勵磁電壓Ufd。其整定值Ufd.set自動隨P變化。
設(shè)發(fā)電機(jī)失磁初始的有功功率為P,失磁后到靜穩(wěn)邊界之間為等有功過程,故達(dá)到靜穩(wěn)邊界時的有功功率也為P。
汽輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)輸出有功功率為: 水輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)輸出有功功率為: 式中Ux-系統(tǒng)電壓
Ed-發(fā)電機(jī)電勢
Xs-系統(tǒng)電抗
XdΣ=Xd+Xt+Xs
XqΣ=Xq+Xt+Xs
Xt-變壓器電抗
式(2)中的為水輪機(jī)凸極功率,則式(2)可寫為: 當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁達(dá)到靜穩(wěn)極限邊界時,功角δ=90°由此可得出如下邊界方程:
對于汽輪發(fā)電機(jī)
對于水輪發(fā)電機(jī)
式中:Edj-發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)極限電勢
當(dāng)不計磁路飽和時,發(fā)電機(jī)的同步電勢與勵磁電流成正比,而勵磁電流與勵磁電壓成正比,所以同步電勢與勵磁電壓成正比。
設(shè)Edj=K1·Ufdj(Ufdj為極限勵磁電壓),代入(4)和(5)式中,分別得到下面兩個方程:
對于汽輪發(fā)電機(jī) 對于水輪發(fā)電機(jī) 式中k1可以從發(fā)電機(jī)空載特性曲線的直線部分得到,不同的機(jī)組k1值不同;相對于不同機(jī)組作為定值輸入。
由以上分析可知:靜穩(wěn)極限時,勵磁電壓與輸出有功功率之間是線性關(guān)系,斜率為K。汽輪發(fā)電機(jī)的勵磁電壓-有功功率特性是通過原點的一條直線。水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端輸出功率中含有凸極功率PT一項,因此水輪機(jī)勵磁電壓-有功功率特性是通過PT的一條直線,如圖2所示。直線下方為發(fā)電機(jī)失步區(qū),也即為保護(hù)動作區(qū)。勵磁電壓-有功功率元件的整定值Ufdset就是極限勵磁電壓Ufdj。它自動按圖2中的直線關(guān)系隨有功功率P變化,因此可得出下列動作判據(jù):
汽輪發(fā)電機(jī)Ufd≤K·P (8)
水輪發(fā)電機(jī)Ufd≤K·(P-PT) (9)
a) 汽輪發(fā)電機(jī) b) 水輪發(fā)電機(jī)
圖2勵磁電壓-有功功率特性
阻抗元件作為失磁保護(hù)的定子判據(jù)是同步發(fā)電機(jī)中常用的判據(jù),即利用定子回路的參數(shù)變化來鑒別發(fā)電機(jī)的失磁故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運行時,機(jī)端測量阻抗為負(fù)載阻抗,當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后,隨著無功功率輸出方向的改變,機(jī)端測量阻抗的軌跡由第一象限逐步進(jìn)入第四象限。進(jìn)入靜穩(wěn)邊界,此時發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率與電磁功率失去平衡。一旦進(jìn)入靜穩(wěn)邊界后,發(fā)電機(jī)將不可避免地進(jìn)入異步運行狀態(tài)。在其它條件相同時,失磁前有功功率越大,到達(dá)失步所需的時間越短。
當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后,功角δ逐漸增大,當(dāng)δ=90°時,處于臨界失步狀態(tài)。發(fā)電機(jī)的機(jī)端測量阻抗為: 由功角特性可知 在臨界失步(即δ=90°)時,發(fā)電機(jī)送至系統(tǒng)的無功功率為: 將式(11)代入式(10)得: 式(12)是一圓的方程,圓心為。除發(fā)電機(jī)電抗外,不同的系統(tǒng)阻抗Xs,變壓器電抗Xt決定了阻抗圓的位置和大小。阻抗圓特性如圖3所示。
蘋果圓形阻抗特性是由兩個圓心坐分別為[R0,-jX0]和[-R0,-jX0]兩個圓構(gòu)成,如圖4所示。
圖3阻抗圓特性 圖4蘋果圓形阻抗特性
發(fā)電機(jī)失磁以后,發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中吸收無功功率,引起系統(tǒng)中電壓變化,尤其是大容量發(fā)電機(jī)經(jīng)長輸電線與小系統(tǒng)相聯(lián)系,發(fā)電機(jī)的失磁導(dǎo)致系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降,系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行,威脅系統(tǒng)安全,此時必須將發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中切除。
2異常工礦的處理
2.1系統(tǒng)故障
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或系統(tǒng)短路或短路切除后引起振蕩時,都伴隨有負(fù)序分量的出現(xiàn),而失磁過程中,沒有負(fù)序分量,因此裝置中設(shè)有負(fù)序分量檢測元件和裝于A相的電流檢測元件用以判別系統(tǒng)的故障。當(dāng)檢測到同時有負(fù)序電流和負(fù)序電壓時閉鎖本裝置保護(hù)出口。當(dāng)A相的電流超過本裝置的整定值時,也閉鎖本裝置保護(hù)出口。
2.2 系統(tǒng)振蕩
防止系統(tǒng)振蕩導(dǎo)致本裝置誤動,除了采用負(fù)序分量元件外,還采用延時來躲過震蕩。振蕩時只是周期性的進(jìn)入阻抗動作區(qū),而不長期停留在動作區(qū)內(nèi)??紤]較長振蕩持續(xù)時間情況,阻抗元件采用t3=1.5s延時。勵磁電壓-有功功率元件采用t2=0.35s延時。
2.3 強(qiáng)減勵磁
如果測量到機(jī)端電壓高于本裝置的給定定值時,而勵磁電壓低于本裝置的給定定值,則確認(rèn)為是強(qiáng)減勵磁工況。閉鎖本裝置保護(hù)出口。
2.4 長線充電
發(fā)電機(jī)對長線充電進(jìn)行零起升壓實驗時,機(jī)端測量阻抗是容性阻抗,線路越長,阻抗的絕對值越小,越易誤動,實驗表明,線路電壓等級越高,機(jī)組容量越小時,誤動的可能性越大,裝置采用開入量的方法閉鎖保護(hù)。
2.5 自同期
自同期并列,是把轉(zhuǎn)差|S|<0.1,未加勵磁的發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng),當(dāng)出口斷路器合閘后,立即合滅磁開關(guān),給上勵磁,把發(fā)電機(jī)拉入同步,因而自同期過程是失磁的逆過程。當(dāng)合上出口斷路器之后,機(jī)端測量阻抗的端點位于異步阻抗圓內(nèi),使裝置誤動,因此本裝置采用開入量的方法來閉鎖保護(hù)。
當(dāng)長線充電或自同期開入任一條件滿足時,發(fā)同期充電數(shù)字信號。
2.6 PT、CT斷線
PT斷線時,阻抗變小,導(dǎo)致阻抗元件誤動,勵磁電壓-有功功率元件中有功功率受到影響,功率減小,不會誤動,因此,PT斷線閉鎖主要是對阻抗元件而言。機(jī)端PT斷線判斷采用負(fù)序分量的方法,計算機(jī)端電壓,電流的負(fù)序分量,當(dāng)負(fù)序電壓大于本裝置的給定值,而負(fù)序電流小于本裝置的定值時,認(rèn)為PT斷線,發(fā)信號,并閉鎖阻抗元件。
當(dāng)負(fù)序電壓小于給定值,而負(fù)序電流大于定值時,認(rèn)為CT斷線。
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