一种涉网保护定值的整定及校核方法与流程

1.本发明属于电网安全保护技术领域，涉及到一种涉网保护定值的整定及校核方法，特别是一种对发电机进行参数调校进而全方面保障电网安全的整定及校核方法。


背景技术：

2.国内多起大型电网事故的发生给电力行业带来了深刻的教训，机网协调，即网源协调，得到学术界和电力生产企业的一致重视。所谓机网协调，是指并网发电厂应当与电网在一次和二次设备在运行和管理中实现充分的协调配合，从而确保电力系统的安全稳定运行作为实现机网协调在继电保护方面的主要内容，发电机涉网保护成为研究热点。目前，涉网保护一般是指发电机组继电保护中，动作行为和参数设置与电网运行方式相关、或需要与电网中安全自动装置相协调的部分，一般包括发电机组的失步保护、失磁保护、汽轮机超速保护控制、过激磁保护、频率异常保护、定子低电压保护、定子过电压保护、重要辅机保护以及过励限制及保护等。
3.现有涉网保护研究，主要包括以下三个方面：一是以提高具体保护的可靠性为目标，开展涉网保护相关原理和特性的研究。根据失磁类型的不同特点，从无功、时间以及电压三个方面构造失磁保护新判据，并从机网协调的角度，设计了新的失磁保护方案；利用发电机同步电势构建失磁保护方案，从而提高失磁保护的速动性和选择性；针对不同类型低励限制器的特点，从静态和动态两方面，提出了设置低励限制的基本原则；提出了针对三阻抗元件失步保护原理的改进方案，提高了失步保护的可靠性以及失步预测的能力。二是研究涉网保护之间、涉网保护与发电机以及电网自动控制措施的配合，如失步保护与失磁保护之间的防误动、失磁保护与低励限制之间的配合等，是现有涉网保护研究的重点所在；针对失步保护与失磁保护之间由于阻抗特性区域重叠带来的误动问题，通过修正失磁保护阻抗圆以及利用方向闭锁判据等方式，防止失步振荡时失磁保护误动；提出了超速保护与高频切机措施的优化配置原则及相应的配置方案等。三是从涉网保护的校核验证方法上开展研究。该类研究主要从工程应用的角度，寻求快速实现涉网保护校核的途径。提出了大型电网下校核涉网保护与相关限制措施的方法；基于全过程动态仿真，提出校核发电机涉网保护与限制措施的相应方法。
4.现代电力系统的发展，涉网保护的研究面临更高的要求。在电网侧，特高压交直流输电、facts输电等新技术的应用以及大型风电场等新能源电场的大规模接入，对发电侧大型发电机的有着更高的支撑调节要求，不仅仅作为重要的有功电源支撑点，发电机进相运行参与电网的电压调节成为重要的手段，但目前在发电及深度进相或重载运行状态下发生低励或失磁故障时，机端测量阻抗较难进入削减后的静稳边界，可能造成失磁保护动作过慢甚至拒动的情况，将对发电机自身安全以及电网侧的稳定运行构成较大威胁，使发电机面临更为苛刻的运行条件。在发电侧，一是主力机组容量不断增大，结构愈发复杂，承受非正常运行的能力较低，二是在特殊方式运行状态下，无法掌握实时状态下机端测量阻抗的运行轨迹，导致失磁及失步保护动作过慢甚至拒动的情况，存在安全隐患。因此，现有涉网
保护的研究范畴以及技术内涵存在一定的局限性，必须根据电网发展特点，从整个发电侧层面论述涉网保护的概念和技术内涵，并研究相应的涉网保护构建方案。
5.此外，在涉网保护定值整定及校核软件平台研发方面，目前国内已有一些电厂故障分析软件系统，主要是以厂内设备继电保护整定计算为基础，没有针对涉网定值的数据上报和审核，也缺乏涉网保护和励磁系统定值的配合校验。国外在这一领域已有较成熟的计算机辅助软件系统，但由于国外发达国家的继电保护的管理模式同我国差别较大，国内无法适用。因此有必要开发一套符合实际工作情况的、功能强大、应用灵活、具有相关涉网定值管理、数据校核等功能应用的软件系统，不仅提高电厂保护自动化水平和管理水平，满足电力公司对电厂整定计算方面的管理要求，也符合当前数字化建设的需要。


技术实现要素：

6.本发明为了克服现有技术的缺陷，设计了一种涉网保护定值的整定及校核方法，通过对发电机转速、发电机转子和定子的电流、定子的电压数值的监测与设定，发电机失磁、发电机失步、发电机过激磁情况的判断与动作响应，全面保护电网安全。
7.本发明采用的技术方案是，一种涉网保护定值的整定及校核方法，所述的涉网保护包括发电机超速保护控制，关键是：所述的发电机转速设定为1.02～1.03倍的额定转速，为3060～3090转/分钟，针对额定功率低于300mw的发电机组对应的频率设定为50.7～51.5hz，针对额定功率大于等于300mw的发电机组对应的频率设定为48.5～50.5hz。
8.所述的涉网保护还包括发电机转子和定子的电流过励限制与保护，当工作电流达到0.8～0.9倍的额定励磁电流时进行过励限制，当工作电流达到1.03～1.1倍的额定励磁电流时进行过励保护，同时，在以上两种工作电流区间分别设置定时限过励保护。
9.所述的涉网保护还包括发电机失磁保护，采用定子阻抗判据与机端三相同时低电压的复合判据，其中定子阻抗按异步边界阻抗圆整定，带电压闭锁段动作解列延时不大于0.5秒，不带电压闭锁段动作解列延时不大于1.0秒。
10.所述的涉网保护还包括发电机失步保护，发电机失步保护判定基于失步振荡中心自有功功率的振荡，当失步振荡中心位于发电机变压器组外时，保护动作于信号，当失步振荡中心在发电机变压器组内部，失步运行时间超过整定值或电流振荡次数超过规定值时，保护动作于解列，发电机变压器组内振荡允许滑极次数不小于2次，发电机变压器组外振荡允许滑极次数不小于5次。
11.所述的涉网保护还包括定子过电压保护，定子过电压的整定值根据定子绕组绝缘状况决定，定子过电压大于等于额定电压的1.3倍，动作时限取0.3～0.6s，保护动作于解列。
12.所述的涉网保护还包括发电机过激磁保护，增设防止同步电机或与其相连变压器过磁通的v/hz限制器，当发电机与主变压器之间无断路器而共用一套过激磁保护时，过激磁倍数整定值设定为1.0～1.1；当发电机与主变压器之间有断路器时，过激磁倍数整定值设定为1.3～1.4。
13.本发明的有益效果是，通过对发电机转速、发电机转子和定子的电流、定子的电压数值的监测与设定，发电机失磁、发电机失步、发电机过激磁情况的判断与动作响应，以及针对不同类型发电机涉网保护及励磁调节器进行配置，全方位保障涉网的电力安全，避免
因局部故障无法保护而导致更大电网出现重大事故。
附图说明
14.图1是转子绕组反时限过电流保护跳闸特性。
15.图2是定子过电压保护的逻辑框图。
16.图3是反时限过激磁保护动作整定曲线。
17.图4是发电厂及变电站辅机变频器低电压穿越区。
18.图5是发电厂及变电站辅机变频器高电压穿越区。
具体实施方式
19.下面通过具体实施例来对发明进行进一步阐述。
20.一种涉网保护定值的整定及校核方法，所述的涉网保护包括发电机超速保护控制，当汽轮发电机转速超过设定值或达到规定的限制条件时，汽轮机opc(汽轮机的超速保护控制)电磁阀动作打开，卸掉高调门和中调门的油压，关闭调门而不关闭主汽门。
21.目前，opc动作定值一般为3090转/分钟(1.03倍额定转速，对应51.5hz)。opc复归定值，有的机组是设定opc动作2s或3s后自行复归；有的机组在设定转速3060转/分钟以下复归。目的是使汽轮机尽快恢复3000转运行，防止汽轮机超速。300mw以内的汽轮发电机或水轮发电机，应装设高频率保护。汽轮发电机的高频率保护应与系统侧高频率切机装置配合，同时应满足机组允许高频运行的技术条件。300mw及以上的汽轮机，运行中允许其频率变化的范围为48.5～50.5hz。汽轮发电机的低频保护能记录并指示累计的频率异常运行时间，并对每个频率分别进行累计。
22.特殊情况下当低频保护需要跳闸示，保护动作时间可按汽轮发电机制造厂的规定进行整定，但必须符合表1规定的每次允许时间。
23.表1汽轮发电机频率异常允许运行时间
[0024][0025]
所述的涉网保护还包括发电机转子和定子的电流过励限制与保护，当工作电流达到0.8～0.9倍的额定励磁电流时进行过励限制，当工作电流达到1.03～1.1倍的额定励磁电流时进行过励保护，同时，在以上两种工作电流区间分别设置定时限过励保护。300mw以下采用半导体励磁的发电机，可装设定时限过励保护，保护带时限动作于信号和降低励磁电流。
[0026]
300mw及以上的发电机其过励保护可由定时限和反时限两部分组成。
[0027]
过励保护由定时限和反时限两部分组成。
[0028]
1)定时限过励保护。定时限过励保护配置一段跳闸、一段信号。动作电流按正常运行的额定励磁电流下能可靠返回的条件整定，即：
[0029][0030]
式1中：
[0031]
k
rel
——可靠系数，取1.05；
[0032]
i
gn
——发电机一次额定电流；
[0033]
k
r
——返回系数，取0.9～0.95，条件允许应取最大值；
[0034]
n
a
——电流互感器变比。
[0035]
当保护配置在交流侧时，额定励磁电流i
fd
应变换至交流侧的有效值i，对于采用桥式不可控整流装置的情况，i＝0.816i
fd
。
[0036]
保护延时按躲过后背保护的最大延时整定，动作于信号，有条件的动作于降低励磁电流或切换励磁。
[0037]
2)反时限过励保护。反时限过励保护由三部分组成：
①
下限启动，
②
反时限部分，
③
上限定时限部分。上限定时限部分设最小动作时间定值。反时限过电流倍数与相应允许持续时间的关系曲线，由制造厂家提供的转子绕组允许的过热条件决定。整定计算时，设反时限过励保护的动作特性与转子绕组允许的过热特性相同，见图1所示，其表达式为：
[0038][0039]
式2中：c——转子绕组过热常数；
[0040]
i
fd*
——强行励磁倍数。
[0041]
图1中，i
op.min*
为反时限动作特性的下限电流标幺值，i
op.max*
为反时限动作特性的上限电流标幺值，均以发电机额定励磁电流为基准。
[0042]
保护下限电流定值，按与定时限过负荷保护配合的条件整定，即：
[0043][0044]
式3中：k
co
为配合系数，取1.05。
[0045]
保护上限电流定值与强励顶值倍数匹配。如果强励倍数为2倍，则在2倍额定励磁电流下的持续时间达到允许的持续时间时，保护动作于跳闸，动作延时与快速保护配合。当小于强励顶值而大于过负荷允许的电流时，保护按反时限特性动作。
[0046]
所述的涉网保护还包括发电机失磁保护，采用定子阻抗判据与机端三相同时低电压的复合判据，其中定子阻抗按异步边界阻抗圆整定，带电压闭锁段动作解列延时不大于0.5秒，不带电压闭锁段动作解列延时不大于1.0秒。
[0047]
低励或失磁是大型发电机组常见的故障形式。失磁后的危害有两个方面：一是发电机失磁后，转子与定子磁场间出现了速度差，会在转子回路中感应出电流，其频率等于转差频率，从而引起转子局部过热。发电机受交变的异步电磁力矩的冲击而发生振动，转差越大，振动越大。二是失磁后，发电机从系统中吸收无功功率，吸收的无功功率可达0.9～1.2倍发电机的额定功率，由于变压器电抗大，无功电流流过时压降大，机端电压下降严重，若
系统无功功率储备不足，系统电压也会严重降低。
[0048]
失磁后，发电机的无功功率计算公式如下：
[0049][0050]
式4中：
[0051]
e
d
——发电机电动势，kv；
[0052]
u
s
——无穷大系统母线电压值，kv；
[0053]
x
dσ
——发电机到无穷大系统间的总电抗；
[0054]
δ——发电机功角。
[0055]
当有最大反向无功，对于电网来说，发电机从系统中吸收无功功率会威胁电压稳定。大型发电机上应装设失磁保护，以便及时发现失磁故障，并采取必要的措施(如发出信号、自动减负荷、动作于跳闸等)，以保证发电机和系统的安全。
[0056]
失磁保护应具备不同测量原理复合判据的多段式方案。与系统联系紧密的发电厂或采用自并励励磁方式的发电机组宜将阻抗判据作为失磁保护的复合判据之一，优先采用定子阻抗判据与机端三相同时低电压的复合判据。发电机失磁保护的系统低电压和机端低电压判据，应能避免失磁保护拒动。
[0057]
所述的涉网保护还包括发电机失步保护，发电机失步保护判定基于失步振荡中心自有功功率的振荡，当失步振荡中心位于发电机变压器组外时，保护动作于信号，当失步振荡中心在发电机变压器组内部，失步运行时间超过整定值或电流振荡次数超过规定值时，保护动作于解列，发电机变压器组内振荡允许滑极次数不小于2次，发电机变压器组外振荡允许滑极次数不小于5次。
[0058]
不同的电网具有不同的系统结构以及馈入的发电机数目，而这些电网经常会发生一些动态事件，如负载的突然变化、短路故障没有能够被足够快速地切除、自动重合闸以及运行方式的改变等。这些动态事件的发生，都可能引起系统振荡，而系统振荡都会危及电网的稳定。电网稳定的问题多半源自有功功率的振荡，有功功率的振荡则将导致滑极(失步)和机组过载。
[0059]
同一电厂内各发电机的失步保护在跳闸策略上应协调配合，避免系统扰动引起全厂机组同时跳闸。发电机失步保护整定应保证在进相运行、短路故障、系统振荡、电压回路断线等情况下均不应误动。失步保护应正确区分失步振荡中心所处的范围。当振荡中心在发电机变压器组外部时发电机失步保护宜动作于信号，当振荡中心在发电机变压器组内部时发电机失步保护宜动作于解列(该定值应与系统要求相配合)。区内振荡允许滑极次数不小于2次，区外振荡允许滑极次数不小于5次。当接入同一母线系统的机组大于2台时，区内振荡滑极次数应协调配合，避免全厂机组同时跳闸。发电机失步保护应考虑既要防止发电机损坏又要减小失步对系统和用户造成的危害。为防止失步故障扩大为电网事故，应当为发电机解列设置一定的时间延迟，使电网和发电机具有重新恢复同步的可能性。
[0060]
所述的涉网保护还包括定子过电压保护，定子过电压的整定值根据定子绕组绝缘状况决定，定子过电压大于等于额定电压的1.3倍，动作时限取0.3～0.6s，保护动作于解列。
[0061]
定子过电压保护的整定值，应根据电机制造厂提供的允许过电压能力或定子绕组的绝缘状况决定。
[0062]
1)对于300mw及以上汽轮发电机，u
op
按下式计算：
[0063][0064]
式中：u
n
——定子额定电压；n
v
——电压互感器变比。
[0065]
动作时限取0.5s，动作于解列灭磁。
[0066]
2)对于水轮发电机，u
op
按下式计算：
[0067][0068]
动作时限取0.5s，动作于解列灭磁。
[0069]
3)对于采用可控硅励磁的水轮发电机，u
op
按下式计算：
[0070][0071]
动作时限取0.3s，动作于解列灭磁。
[0072]
定子过电压保护的逻辑如图2所示。
[0073]
所述的涉网保护还包括发电机过激磁保护，增设防止同步电机或与其相连变压器过磁通的v/hz限制器，当发电机与主变压器之间无断路器而共用一套过激磁保护时，过激磁倍数整定值设定为1.0～1.1；当发电机与主变压器之间有断路器时，过激磁倍数整定值设定为1.3～1.4。
[0074]
v/hz限制器，励磁系统内的一种电压调节器的附加单元或功能，目的是防止同步电机或与其相连变压器过磁通。
[0075]
发电机或变压器过励磁运行时，铁芯发热，漏磁增加，电流波形畸变，严重损害发电机或变压器安全。对于大容量机组，必须装设过激磁保护。过激磁保护反映发电机出口(变压器低压侧)的过激磁倍数。当发电机与主变压器之间无断路器而共用一套过激磁保护时，整定值按发电机或变压器过激磁能力较低的要求整定；当发电机与主变压器之间有断路器时，应分别为发电机和变压器配置过激磁保护。
[0076]
励磁调节器中伏赫兹限制的参数设置应与过激磁保护动作特性相配合，遵循伏赫兹限制先于过激磁保护动作的原则。
[0077]
过激磁倍数n为
[0078][0079]
式中：
[0080]
u、f——运行电压及频率；
[0081]
u
n
、f
n
——发电机额定电压及频率；
[0082]
u
*
、f
*
——电压和频率的标么值；
[0083]
b、b
n
——磁通量及额定磁通量。
[0084]
1)定时限过激磁保护的过激磁倍数n设二段定值二段时限。
[0085]
低定值部分(报警段)为：
[0086][0087]
高定值部分(跳闸段)为：
[0088][0089]
动作时限根据厂家提供的设备过励磁特性决定，一般可取6.0～9.0s。低定值部分带时限动作于信号和降低发电机励磁电流，高定值部分动作于解列灭磁或程序跳闸。当发电机及变压器间有断路器而分别配置过激磁保护时，其定值按发电机与变压器允许的不同过励磁倍数分别整定。
[0090]
2)反时限过激磁保护按发电机、变压器制造厂家提供的反时限过励磁特性曲线(参数)整定，具有累积和散热功能。反时限过激磁保护动作整定曲线如图3所示。曲线1代表厂家提供的发电机或变压器允许的过励磁能力曲线；曲线2代表反时限过激磁保护动作整定曲线。
[0091]
图3中的过激磁反时限动作曲线2一般不易用一个数学表达式来精确表达，而是用分段式内插法来确定n(t)的关系，拟合曲线2。一般在曲线2上自由设定8个～10个分点(n
i
,t
i
)，i＝1,2,3
…
。原则是曲率大处，分点设的密一些。设分点顺序要求：
[0092]
n
i
＞n
i+1
,t
i
＜t
i+1
或n
i
＜n
i+1
,t
i
＞t
i+1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式11)
[0093]
反时限过激磁保护定值整定过程中，宜考虑一定的裕度，可以从动作时间和动作定值上考虑裕度(两者取其一)：从动作时间考虑时，可以考虑整定时间为曲线1时间的60％～80％；从动作定值考虑时，可以考虑整定定值为曲线1的值除以1.05，最小定值应与定时限低定值配合。
[0094]
除以上整定方案外，涉网保护还包括一些重要的辅机保护，包括发电机组给煤机、给粉机、空气预热器、空冷岛冷却风机等一类辅机多用变频器拖动。变频器短时(小于5s)中断供电将会造成设备损坏、机组停机或机组输出功率大幅下降，影响电网安全运行的辅机。
[0095]
当外部故障或扰动引起的变频器进线电压跌落幅值和持续时间在低电压穿越区内时，如表2所示，变频器应能够保障供电对象的安全运行。
[0096]
表2大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区
[0097]
电压幅值≥20％额定电压≥60％额定电压≥90％额定电压低电压持续时间t≤0.5s0.5s<t≤5st>5s
[0098]
当外部故障或扰动引起的变频器引起的变频器进线电压幅值变化和持续时间在高电压穿越区内时，如表3所示，变频器应能够保障供电对象的安全运行。
[0099]
表3大型汽轮发电机组一类辅机变频器高电压穿越区
[0100]
电压幅值≤130％额定电压≤110％额定电压高电压持续时间≤0.5st>0.5s
[0101]
变频器低电压穿越区见图4。当外部故障或扰动引起的变频器进线电压跌落幅值和持续时间在低电压穿越区内时，变频器应能够保障供电对象的安全运行。
[0102]
变频器低电压穿越区分为瞬时低电压穿越区、短时低电压穿越区、持续低电压穿越区三个区域。
[0103]
变频器瞬时低电压穿越区。变频器进线电压幅值小于额定电压，且大于或等于20％额定电压，且持续时间t≦0.5s的区域。见图4中长虚线标注的区域。
[0104]
变频器短时低电压穿越区。变频器进线电压幅值小于额定电压，且大于或等于60％额定电压，且持续时间t在0.5s<t≦5s的区域。见图4中短虚线标注的区域。
[0105]
变频器持续低电压穿越区。变频器进线电压幅值小于额定电压，且大于或等于90％额定电压，且持续时间t>5s的区域。见图4中点虚线标注的区域。
[0106]
变频器高电压穿越区见图5。当外部故障或扰动引起的变频器进线电压运行在高电压穿越区内时，变频器应能够保障供电对象的安全运行。
[0107]
变频器高电压穿越区分为瞬时高电压穿越区、持续高电压穿越区两个区域。
[0108]
变频器瞬时高电压穿越区。变频器进线电压幅值大于额定电压，且小于或等于130％额定电压，且持续时间t≦0.5s的区域。见图5中长虚线标注的区域。
[0109]
变频器持续高电压穿越区。变频器进线电压幅值大于额定电压且小于等于110％额定电压，且持续时间t>0.5s的区域。见图5中点虚线标注的区域。
[0110]
总之，本发明经过分析不同容量、不同类型发电机涉网保护及励磁调节器配置原则，针对各个涉网保护阐述了装置保护基本原理及逻辑框图，根据不同原理总结分析了详细的整定方法。