大型水轮发电机失步保护逻辑校验方式

李浩浩，马小雯，陈 容

（中国长江电力股份有限公司乌东德水力发电厂，云南禄劝 651512）

当发电机正常运行时，发电机与电力系统的电动势以同样的工频角频率旋转，之间的相位差维持不变，发电机处于同步稳定运行状态。如果受到某种干扰，发电机与系统之间的电动势以不同的角频率旋转，线路两侧电动势相位差不断变化，此时称作发电机失步［1－2］。由于大型水轮发电机等值电抗较大，之相联的系统等值电抗却往往很小，一旦发生系统振荡，振荡中心往往落在发电机机端附近，使电力系统的稳定运行受到严重威胁，因此采取更为准确的校验方式，确保逻辑的正确性，可有效提高失步保护的正确动作率，及时切除失步运行的机组，降低对系统的影响［3］。

1 失步保护工作原理

以南瑞继电保护PCS－985GW保护装置为例，其失步保护阻抗元件采用发电机正序电压、正序电流进行逻辑计算，能够灵敏反映由各种故障导致的发电机失步运行工况。

保护采用三元件失步继电器动作特性如图1所示。

如图1所示，Za为阻抗透镜的上端阻抗；Zb为阻抗透镜的下端阻抗；Zc为阻抗透镜的电抗线阻抗。第一部分是透镜特性，它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透镜外的部分O。第二部分是遮挡器特性，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→IR→OR或OR→IR→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，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电机－变压器组内，位于电抗线以上，则认为振荡中心位于发电机－变压器组外。其逻辑图如图2所示［4］。

2 失步保护典型校验方法

根据失步保护工作原理，我们在校验失步保护时，需要确定透镜特性及电抗线的范围，当透镜内角及灵敏角确定时，只需校验Za、Zb和Zc的值与定值相符即可。在常规的逻辑校验中，通常有以下三种方式。

2.1 ±5%误差校验法

由于继电保护允许定值误差为±5%，因此我们在校验定值时，往往通过继电保护测试仪向保护装置输入95%倍定值的电气量，保护动作（不动作），输入105%倍定值的电气量，保护不动作（动作），由此可判断设备定值满足误差要求。在校验失步保护Za、Zb的值时，同样可以采取上述方法：用继电保护试验仪输出电压、电流至发电机保护盘相应机端PT、CT端子的内侧，保证电压和电流的比值分别为定值的95%倍及105%倍，电流的角度保持不便，改变电压的角度，从而得到机端视在阻抗随时间变化的轨迹图。以校验Za为例，通过上述方式得到的视在阻抗轨迹如图3所示［4］。

由图易得，当电压和电流的比值为95%Za时，其视在阻抗轨迹穿过了透镜特性，装置显示外部滑极计数加1；当电压和电流的比值为105%Za时，其视在阻抗轨迹绕过了透镜特性，装置显示滑无变化，从而可以准确校验出Za的值。

如果校验Zc仍采取该方式，显然易得95%Zc视在阻抗轨迹依次经过OL、IL、IR、OR四个区域，装置显示为区内滑级计数加1，但是105%Zc视在阻抗轨迹可能如图4所示的情况。

根据图4可以发现105%Zc视在阻抗轨迹虽然有一部分越过了电抗线，但仍然经过了OL、IL、IR、OR四个区域，装置显示同95%Zc的情况一样，区内滑级计数加1。因此±5%误差校验法只能准确校验Za、Zb，对于Zc的校验并不准确。

2.2 继电保护试验仪振荡模块校验法

该方法是使用继电保护试验仪的振荡模块，根据失步保护定值对相关参数进行设置，设定成功后，试验仪软件显示出振荡过程中机端视在阻抗随时间变化轨迹图，进而对失步保护进行测试。但是该方法对继电保护试验仪的要求较高，如果使用的继电保护试验仪不具备相关功能，则无法采取该方法校验失步保护逻辑，因此不具备泛用性［5］。

2.3 选点校验法

该方法是利用继电保护试验仪的状态序列模块进行调试。通常通过状态序列模块新建4个状态，每一个状态分别对应OL、IL、IR、OR四个区域中的某一个点，每个状态持续时间大于一时限，从而模拟阻抗轨迹顺序穿过四个区域，使装置滑极计数发生变化。但是该方法只是简单验证保护逻辑，并不能准确校验定值，通常只在年度检修时采用，当检修要求较高时并不适用［6］。

3 失步保护新型校验方法

为了解决±5%误差校验法无法准确校验电抗线阻抗Zc的问题，本文采取校验相交点阻抗Z′c的方式间接校验电抗线阻抗Zc，Z′c定义为电抗线与透镜相交点的阻抗，其示意图如图5所示。

采取±5%误差校验法对相交点阻抗Z′c进行校验，可得出105%Z′c轨迹和95%Z′c轨迹分别如图6所示。容易看出，105%Z′c轨迹经过了电抗线上方四个区域，但是电抗线下方只经过了OR和OL两个区域，装置显示外部滑极计数加1；95%Z′c轨迹经过OL、IL、IR、OR四个区域，装置显示为区内滑级计数加1。因此，±5%误差校验法可以准确校验Z′c。

接下来计算相交点阻抗Z′c的表达式，由定值可知透镜内角θ、Za、Zb、Zc的值，计算Z′c可以等效如图7所示，有：

OA＝Zb，OC＝Zc，OD＝Za，Z′c＝OF

由图易得：

通常情况下，透镜内角θ取120°，则上式变为：

在进行失步保护调试时，只需将定值单里Za、Zb、Zc的值代入，得到相交点阻抗Z′c的值，随即采取±5%误差校验法校验Z′c即可。

4 结 语

在调试失步保护时，对于阻抗透镜的上端阻抗Za、阻抗透镜的下端阻抗Zb均可使用±5%误差校验法进行校验，但是在校验电抗线阻抗Zc时应采取间接校验方式，校验相交点阻抗Z′c，才能保证校验结果的准确性。