電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第2版）課件：發(fā)電機(jī)的保護(hù)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第2版）

發(fā)電機(jī)的保護(hù)發(fā)電機(jī)的故障類型、不正常運(yùn)行狀態(tài)及相應(yīng)的保護(hù)方式第一節(jié)發(fā)電機(jī)的主要故障類型：?定子繞組相間短路?定子一相繞組的匝間短路?定子繞組單相接地?轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地或兩點(diǎn)接地?轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流異常下降或完全消失發(fā)電機(jī)的不正常運(yùn)行狀態(tài)：?外部短路引起的定子繞組過電流?負(fù)荷超過發(fā)電機(jī)額定容量而引起的三相對稱過負(fù)荷?外部不對稱短路或不對稱負(fù)荷(如單相負(fù)荷，

非全相運(yùn)行等)而引起的發(fā)電機(jī)負(fù)序過電流和過負(fù)荷?突然甩負(fù)荷而引起的定子繞組過電壓?勵磁回路故障或強(qiáng)勵時間過長而引起的轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷?汽輪機(jī)主汽門突然關(guān)閉而引起的發(fā)電機(jī)逆功率發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)下列保護(hù)：1)反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線相間短路的縱差動保護(hù)2)反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的匝間短路保護(hù)3)反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障的定子單相接地保護(hù)4)反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組接地的轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地保護(hù)和兩點(diǎn)接地保護(hù)5)反應(yīng)轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流異常下降或消失的失磁保護(hù)6)反應(yīng)發(fā)電機(jī)短路故障的后備保護(hù)，一般有：復(fù)合電壓起動的過電流保護(hù)、對稱過負(fù)荷及過電流保護(hù)、不對稱過負(fù)荷及過電流保護(hù)、轉(zhuǎn)子過負(fù)荷及過電流保護(hù)、低阻抗保護(hù)等7)反應(yīng)汽輪發(fā)電機(jī)主汽門突然關(guān)閉的逆功率保護(hù)8)反應(yīng)發(fā)電機(jī)過勵磁故障的過勵磁保護(hù)9)反應(yīng)發(fā)電機(jī)非穩(wěn)定振蕩的失步保護(hù)10)其他保護(hù)：定子繞組過電壓保護(hù)、低頻保護(hù)、突加電壓保護(hù)、起停機(jī)保護(hù)、非全相保護(hù)以及非電量保護(hù)等等第二節(jié)發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的保護(hù)一、發(fā)電機(jī)縱差動保護(hù)發(fā)電機(jī)縱差動保護(hù)是發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線相間短路的主保護(hù)1．發(fā)電機(jī)縱差動保護(hù)的接線(1)完全縱差動保護(hù)(2)不完全縱差動保護(hù)兩者的區(qū)別是接入發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的電流不同圖8-1微機(jī)發(fā)電機(jī)縱差動保護(hù)原理接線圖圖8-2發(fā)電機(jī)縱差動保護(hù)邏輯框圖不完全縱差動保護(hù)也是發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的主保護(hù)，既能反應(yīng)發(fā)電機(jī)(或發(fā)電機(jī)-變壓器組)內(nèi)部各種相間短路，也能反應(yīng)匝間短路，并在一定程度上反映分支繞組的開焊故障。圖8-3發(fā)電機(jī)不完全縱差動保護(hù)原理接線圖(a)中性點(diǎn)側(cè)引出6個端子(b)中性點(diǎn)側(cè)引出4個端子2．發(fā)電機(jī)縱差動保護(hù)的整定計(jì)算一般采用兩折線的比率制動特性?啟動電流Id

.

min

的整定：躲過發(fā)電機(jī)額定運(yùn)

行時差動回路中的最大不平衡電流。通常對發(fā)電機(jī)縱差動保護(hù)，可取Id

.

min

=

(0

.

1

~

0

.3)IN

.

G

。

對發(fā)變組縱差動保護(hù)取Id

.

min

=

(0

.3

~

0

.5)IN

.

G

。?拐點(diǎn)電流Ires1

的整定：通常拐點(diǎn)電流整定為Ires

.

1

=(0.5~1.0)IN

.

G?制動線斜率K的整定。一般可取0.3~0.4。二、發(fā)電機(jī)橫差動保護(hù)在大容量發(fā)電機(jī)中，由于額定電流很大，其每相都是由兩個或兩個以上并列的分支繞組組成的。?在正常運(yùn)行時，各繞組中的電勢相等，流過相等的負(fù)荷電流。?當(dāng)同相內(nèi)非等電位點(diǎn)發(fā)生匝間短路時，各分支繞組中的電勢就不再相等，因而會由于出現(xiàn)電勢差而在各繞組中產(chǎn)生環(huán)流。利用這個環(huán)流，即可實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)定子繞組

匝間短路的保護(hù)，此即橫差動保護(hù)。圖8-4發(fā)電機(jī)繞組匝間短路的電流分布(a)在某一繞組內(nèi)部匝間短路；(b)在同相不同繞組匝間短路圖8-5橫差動保護(hù)原理圖采用單元件接線的橫差動保護(hù)如圖8-5所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生各種匝間短路時，中性點(diǎn)聯(lián)線上有環(huán)流流過，橫差動保護(hù)動作。?橫差動保護(hù)存在死區(qū)。當(dāng)同一繞組匝間短路的匝數(shù)較少，或同相的兩個分支繞組電位相近的兩點(diǎn)發(fā)生匝間短路，由于環(huán)流較小，保護(hù)可能不動作。?該保護(hù)還能夠反應(yīng)定子繞組分支線開焊以及機(jī)內(nèi)繞組相間短路。?橫差動保護(hù)需要采用三次諧波過濾器。三、發(fā)電機(jī)縱向零序過電壓保護(hù)作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部匝間短路的主保護(hù)，還可作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部部分相間短路的保護(hù)n

發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生內(nèi)部短路時，會出現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端相對于中性點(diǎn)的縱向不對稱，三相機(jī)端對中性點(diǎn)的電壓不再平衡。n

在發(fā)電機(jī)機(jī)端接專用的電壓互感器，將電壓互感器的一次側(cè)中性點(diǎn)與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接相連且不接地，互感器開口三角形繞組輸出的電壓即為縱向零序電壓，如圖8-6所示。?在整定保護(hù)裝置的動作電壓時，估算發(fā)生最少匝數(shù)匝間短路時的最小零序電壓值，然后根據(jù)最小零序電壓進(jìn)行整定。?應(yīng)增設(shè)三次諧波的濾波器?可以增設(shè)負(fù)序功率方向元件圖8-6縱向零序過電壓保護(hù)邏輯框圖第三節(jié)發(fā)電機(jī)定子繞組的單相接地保護(hù)一、發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地的特點(diǎn)n

現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的定子繞組都設(shè)計(jì)為全絕緣的，

定子繞組中性點(diǎn)不直接接地，而是通過高阻接地、消弧線圈接地或不接地。單相接地故障：定子繞組絕緣破壞，當(dāng)接地電流較大時，能在故障點(diǎn)引起電弧，使繞組絕緣和定子鐵芯燒壞，也容易發(fā)展成相間短路。假設(shè)A相接地發(fā)生在定子繞組距中性點(diǎn)α

處，α

表示由中性點(diǎn)到故障點(diǎn)的繞組占全部繞組匝數(shù)的百分?jǐn)?shù)，如圖8-7所示。此時與故障點(diǎn)對應(yīng)的各相電勢為α

A

、α

B

和α

C

，而各相對地電E?E?E??

?k0(α)

=

(

Ak

+

Bk

+

Ck

)

=

?α

AE?U?U?U?U?UAk

=

0

?Bk

=

α

B

?α

A

??E?E?U?Ck

=α

C

?α

A

E?E?U?因此，故障點(diǎn)的零序電壓為壓分別為(8-1)(8-2)圖8-7發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時的電流分布?故障點(diǎn)的零序電壓隨著故障點(diǎn)的位置不同而改變。當(dāng)發(fā)電機(jī)的機(jī)端接地時，即α

=

1

，故障點(diǎn)的零序電壓最大。?實(shí)際上，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時，無法直接獲得故障點(diǎn)的零序電壓Uk0(α)

，只能借助于機(jī)端的電壓互感器進(jìn)行測量。當(dāng)忽略各相電流在發(fā)電機(jī)內(nèi)阻抗上的壓降時，機(jī)端各相的對地電壓應(yīng)分別為：

AD

=

(1

?α)

A

???

?

?

?????U

CD

=E

C

?αE

A

?

?E?U?U

BD

=E

B

?αE

A

?(8-3)其值和故障點(diǎn)的零序電壓相等。故障點(diǎn)的零序電

壓通過機(jī)端的電壓互感器進(jìn)行測量。k

0

=

(

AD

+

BD

+

CD

)

=

?α

A

=

k

0(α)U?E?U?U?U?U?可求得機(jī)端的零序電壓為圖8-8發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時，機(jī)端的電壓向量圖其相量關(guān)系如圖(8-4)發(fā)電機(jī)的零序電容電流和網(wǎng)絡(luò)的零序電容電流分別為：3

0G

=

j3ωC0G

k

0(α)

=

?j3ωC0Gα

A

??3I0l

=j3ωC0l

Uk0(α)=?j3ωC0lαEA

??則故障點(diǎn)總的接地電流為k(α)

=

?j3ω(C0G

+

C0l

)α

A

(8-6)流經(jīng)故障點(diǎn)的接地電流也與成正比，當(dāng)故障點(diǎn)位于發(fā)電機(jī)出線端子附近時，α

≈1

，接地電流最大。E?I?E?U?I?????

(8-5)圖8-9單相接地的零序等效網(wǎng)絡(luò)(a)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地；(b)發(fā)電機(jī)外部單相接地當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時，流經(jīng)發(fā)電機(jī)零序電流互感器TA0一次側(cè)的零序電流為發(fā)電機(jī)以外電壓網(wǎng)絡(luò)的對地電容電流。而當(dāng)發(fā)電機(jī)外部單相接地時，流過TA0

的零序電流為發(fā)電機(jī)本身的對地電容電流。二、利用零序電壓構(gòu)成的定子單相接地保護(hù)

(橫向零序電壓保護(hù))n

由于零序電壓隨故障點(diǎn)的位置而變化，越

靠近機(jī)端，故障點(diǎn)的零序電壓越高，因此可以利用零序電壓構(gòu)成定子單相接地保護(hù)。n

零序電壓可取自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器的

開口三角形繞組或中性點(diǎn)電壓互感器的二次側(cè)(也可以從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地消弧線

圈或配電變壓器二次繞組獲得)。?影響不平衡零序電壓的因素主要有：1)發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)中三相對地絕緣不一致。2)發(fā)電機(jī)端三相TV的一次繞組對開口三角形繞組之間的變化不一致。?零序電壓保護(hù)的動作電壓Uset

，按躲過發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時發(fā)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的最大不平衡零序電壓3U0imax

來整定，即Uset

=

Krel

3U0imax

(8－7)3)發(fā)電機(jī)的三次諧波電勢在機(jī)端TV開口三角形一側(cè)輸出的三次諧波電壓?？梢酝ㄟ^設(shè)置三次諧波濾波單元加以過濾。4)主變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地故障時，由變壓器高壓側(cè)通過電容耦合傳遞到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的零序電壓?？梢酝ㄟ^延時躲過這一電壓的影響。n

當(dāng)中性點(diǎn)附近發(fā)生接地時，由于零序電壓太小，保護(hù)裝置不能動作，出現(xiàn)死區(qū)，即對定子繞組不能達(dá)到100%的保護(hù)范圍。因此對大型發(fā)電機(jī)組，特別是水內(nèi)冷式發(fā)電機(jī)機(jī)組，應(yīng)裝設(shè)能反應(yīng)100%定子繞組的接地保護(hù)。三、利用基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成的

100%定子單相接地保護(hù)1．發(fā)電機(jī)3次諧波電勢的分布特點(diǎn)將發(fā)電機(jī)的對地電容等效地看作集中在發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)N和機(jī)端S處，兩端的相對地電容各為C0G

2

，將發(fā)電機(jī)端引

出線、升壓變壓器、廠用變壓器以及電壓互感器等設(shè)備的每相對地電容C0S

也等效地放在機(jī)端，并設(shè)三次諧波電勢為E3

。圖8-10發(fā)電機(jī)三次諧波電勢和對地電容的等值電路圖(a)中性點(diǎn)不接地；(b)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地機(jī)端三次諧波電壓與中性點(diǎn)三次諧波電壓之比為

=

<1

(8-

10)極限情況，當(dāng)發(fā)電機(jī)出線端開路C0S

=

0

時

有US3

=

UN31)正常運(yùn)行正常運(yùn)行時中性點(diǎn)及機(jī)端的三次諧波電壓分別為：UN3

=

2(

G

+

)

E3CUS3

=

E3C00G(8-8)(8-9)

C

+2C

當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時，假設(shè)基波電容電流得到完全補(bǔ)償，則：1此時，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)對地三次諧波的等值電抗為：3ω(3L)(??

2

?X

=

j

\

3ωC0G

?

3ω(3L)

?

N3N3N3N3N3N3N3N3N3?

XN3

=

?jωL

=

3ω(C0G

+

C0S

)

?(8-11)當(dāng)發(fā)電機(jī)出線端開路時，C0S

=

0

?

=

發(fā)電機(jī)端對三次諧波的等值電抗為：在正常運(yùn)行情況下，總有US3

<

UN3XS3

=

?j

3ω(C0G

+

2C0S

)UN3

=

XN3

=

9(C0G

+

2C0S

)U

X

7C

?

2C

因此，S3S30G

0S(8-13)(8-14)2圖8-11發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時，三次諧波電勢分布的等值電路圖當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生金屬性單相接地時，設(shè)接地發(fā)生在距中性點(diǎn)α

處，此時不管發(fā)電機(jī)中性

點(diǎn)是否接有消弧線圈，恒有：UN3

=αE3

,US3

=(1?α)E3

?=

當(dāng)

α<50%,?US3

>UN32)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地n

如果用機(jī)端3次諧波電壓US3

作為動作量，而用中性點(diǎn)側(cè)三次諧波電壓UN3作為制動量來構(gòu)成接地保護(hù)，且當(dāng)US3

>

UN3

時為保護(hù)的動作條件。2保護(hù)在正常運(yùn)行時不

動作，而當(dāng)中性點(diǎn)附近

發(fā)生接地時，具有很高

的靈敏性。2利用這種原理構(gòu)成的

接地保護(hù)，可以反應(yīng)定子繞組中性點(diǎn)側(cè)約50％發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時,US3

、UN3

隨α

的變化曲線范圍以內(nèi)的接地故障。圖8-122．基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成的定?

單相接地保護(hù)由基波零序電壓和三次諧波電壓共同構(gòu)成的

100%定子接地保護(hù)n

基波零序電壓保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組靠近機(jī)端85%以上范圍的定子繞組單相接地故障，且當(dāng)故障越接近于發(fā)電機(jī)出線端時，保護(hù)的靈敏度越高；n

三次諧波電壓保護(hù)反應(yīng)定子繞組靠近中性點(diǎn)側(cè)50%范圍以內(nèi)的單相接地故障，且當(dāng)故障點(diǎn)越接近于中性點(diǎn)時，保護(hù)的靈敏度越高。零序電壓保護(hù)的整定如前，三次諧波電壓保護(hù)的整定：?反應(yīng)三次諧波電壓比值的定子單相接地保護(hù)的動作判據(jù)：S3

>

Kb

N3

(8-

16)?為了提高發(fā)電機(jī)內(nèi)部經(jīng)過渡電阻接地時保護(hù)動作的靈敏度，以及正常運(yùn)行和外部故障時保護(hù)不誤動的能力，采用改進(jìn)的動作判據(jù)：UiUi?保護(hù)動作后經(jīng)5~6s作用于跳閘或信號i

i

i

iK1US3?K2UN3≥

KbiUN3(8-17)圖8-13由零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成的100%定子單相接地保護(hù)邏輯框圖第四節(jié)發(fā)電機(jī)的負(fù)序過電流保護(hù)一、轉(zhuǎn)子發(fā)熱的特點(diǎn)n

當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱短路或正常負(fù)荷不對稱

時，發(fā)電機(jī)繞組中將出現(xiàn)負(fù)序電流，此電流建立的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子為兩倍的同步轉(zhuǎn)速，將在轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組、以及轉(zhuǎn)子鐵芯等部件上感應(yīng)于100Hz的倍頻電流。n

該電流使得轉(zhuǎn)子端部、護(hù)環(huán)內(nèi)表面等，可能出

現(xiàn)局部灼傷；另外，負(fù)序氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子電流之間以及正序旋轉(zhuǎn)磁場與定子負(fù)序電流之間所產(chǎn)生的100Hz交變電磁轉(zhuǎn)矩，將同時作用在轉(zhuǎn)子大軸和定子機(jī)座上，從而引起100Hz的振動，威脅發(fā)電機(jī)安全。?機(jī)組承受負(fù)序電流的能力主要由轉(zhuǎn)子表層發(fā)熱情況來確定，須裝設(shè)與其承受負(fù)序電流能力相匹配的負(fù)序電流保護(hù)，又稱為轉(zhuǎn)子表層過熱保護(hù)。?針對這種情況而裝設(shè)的發(fā)電機(jī)負(fù)序過電流保護(hù)實(shí)際上是對定子繞組電流不平衡而引起轉(zhuǎn)子過熱的一種保護(hù)，是發(fā)電機(jī)的主保護(hù)方式之一。?此外，采用負(fù)序電流作為相鄰元件發(fā)生不對稱短路時的后備保護(hù)。由于負(fù)序過電流保護(hù)不能反應(yīng)對稱短路，需要附加裝設(shè)專門反應(yīng)三相短路的低電壓起動過電流保護(hù)。n

確定負(fù)序電流保護(hù)判據(jù)時，需要了解由轉(zhuǎn)子表層發(fā)熱狀況所決定的發(fā)電機(jī)承受負(fù)序電流的能力。1)發(fā)電機(jī)長期承受負(fù)序電流的能力?正常運(yùn)行時，由于輸電線路和負(fù)荷的不完全對稱，產(chǎn)生的負(fù)序電流不大，轉(zhuǎn)子的散熱效應(yīng)使得溫升不會超過允許值。?發(fā)電機(jī)可以承受一定數(shù)值的負(fù)序電流長期運(yùn)行。汽輪發(fā)電機(jī)的長期允許負(fù)序電流為6％~8％的額定電流，水輪發(fā)電機(jī)的長期允許負(fù)序電流為12％的額定電流。2)發(fā)電機(jī)短時承受負(fù)序電流的能力發(fā)電機(jī)短時間內(nèi)允許的負(fù)序電流值與電流

持續(xù)時間有關(guān)。負(fù)序電流在轉(zhuǎn)子中所引起的發(fā)熱量，正比于負(fù)序電流的平方及所持式中，i2

為流經(jīng)發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流值；t

為負(fù)序

電流所持續(xù)的時間；I2為以發(fā)電機(jī)額定電流為基準(zhǔn)的負(fù)序電流標(biāo)么值；A為與發(fā)電機(jī)型式和冷卻方式相關(guān)的常數(shù)。續(xù)時間的乘積：J

i

dt

=

I

t

=

A22220t(8-18)A值通常是按絕熱過程設(shè)計(jì)的。當(dāng)考慮轉(zhuǎn)子表面有一定的散熱能力時，發(fā)電機(jī)短時承受負(fù)序過電流的倍數(shù)與允許持續(xù)時間的關(guān)系式為t

三

(8-19)K

為安全系數(shù)，一般取0.6；I2

∞

為發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)序電流標(biāo)么值。n

為防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子遭受負(fù)序電流的損壞，

在100MW及以上A<10的發(fā)電機(jī)上，應(yīng)裝設(shè)能夠與發(fā)電機(jī)允許負(fù)序電流和持續(xù)時間關(guān)系曲線相配合的反時限負(fù)序過電流保護(hù)。上限電流I2set

.max按躲過

變壓器高壓母線上兩相短路進(jìn)行整定，動作時限t1按與高壓側(cè)出線快速保護(hù)相配合。下限電流I2set

.min

按躲過

發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)序電流整定，并應(yīng)在外部不對稱短路故障切除后返回，動作時限t2不超過1000s。由上限定時限、反時限和下限定時限三部分組成二、反時限負(fù)序過電流保護(hù)按(8－19)確定的反時限動作圖8-14反時限負(fù)序過電流保護(hù)的動作特性按延時t2動作按延時t1動作tt2I2∞

I2set

gminI2set

gmax

1I2t圖8-15發(fā)電機(jī)反時限負(fù)序過電流保護(hù)邏輯框圖保護(hù)同時有定時限的負(fù)序過負(fù)荷單元，以反應(yīng)發(fā)電機(jī)的不對稱過負(fù)荷。負(fù)序過負(fù)荷的動作電流I2set

按躲過發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)序電流I2∞來整定，動作延時可整定為6~9s

，出口發(fā)報(bào)警信號。第五節(jié)發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)一、發(fā)電機(jī)的失磁運(yùn)行及其產(chǎn)生的影響發(fā)電機(jī)失磁故障是指發(fā)電機(jī)的勵磁突然全部消

失或部分消失?引起失磁的原因有：轉(zhuǎn)子繞組故障、勵磁機(jī)故障、自動滅磁開

關(guān)誤跳閘、半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等。?發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，通常向系統(tǒng)送出有功功率和感性的無功功率，此時定子電流滯后于定子電壓，稱為滯后運(yùn)行。單機(jī)無窮大系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)發(fā)出功率：W

=P

?jQ,P

=sinδ,Q

=cosδ

?功率因數(shù)角：?=

tg?1

2正常運(yùn)行：δ

<90o2靜穩(wěn)極限：δ

=90o2發(fā)電機(jī)失步：δ

>90o圖8-16發(fā)電機(jī)與無限大系統(tǒng)并列運(yùn)行(a)等值電路;(b)相量圖ü當(dāng)發(fā)電機(jī)完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減至零，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢Ed

隨著勵磁電流的減小而減小，發(fā)電機(jī)的電磁功率開始減少。ü由于原動機(jī)所供給的機(jī)械功率還來不及減少，

所以發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩小于原動機(jī)轉(zhuǎn)矩，于是引起轉(zhuǎn)子加速，使發(fā)電機(jī)功角δ增加，P又要回升。n

在這一階段中，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率基本保

持不變，所以這個階段稱為“等有功過程”。與

此同時，無功功率Q隨著Ed

的減小和δ的增加而減小，從Q＝0開始反向，即發(fā)電機(jī)變?yōu)槲崭行缘臒o功功率。定子電流由原來滯后機(jī)端電壓轉(zhuǎn)為超前機(jī)端電壓，稱為進(jìn)相運(yùn)行。?對汽輪發(fā)電機(jī)組，δ=90。時發(fā)電機(jī)處于失

去靜穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，稱為臨界失步點(diǎn)。?當(dāng)δ>90。時，轉(zhuǎn)子進(jìn)一步加速，發(fā)電機(jī)與

系統(tǒng)失去同步：?此時，轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出頻率為fG-fS

(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率與系統(tǒng)頻率的差)的電流，此電流產(chǎn)生異步制動轉(zhuǎn)矩，?同時，調(diào)速器動作減少輸入轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速減慢。當(dāng)異步轉(zhuǎn)矩與原動機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡時，即進(jìn)入穩(wěn)定的異步運(yùn)行狀態(tài)。異步發(fā)電機(jī)的等效電路可以用圖8-17來表示。圖8-17異步發(fā)電機(jī)的等效電路圖當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后而異步運(yùn)行時，將對電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生以下影響：-從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率建立發(fā)電機(jī)磁場；-失磁發(fā)電機(jī)吸收電網(wǎng)無功，定子繞組中流過無功電流，將導(dǎo)致發(fā)電能力下降；-失磁后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)子及勵磁回路中將產(chǎn)生差頻交流電流，形成附加的損耗，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵磁回路過熱。-低勵磁或失磁運(yùn)行時，定子端部漏磁增加，將使發(fā)電機(jī)定子端和邊段鐵心過熱。n

發(fā)電機(jī)失磁后能否繼續(xù)運(yùn)行，取決于發(fā)電機(jī)的

結(jié)構(gòu)和電力系統(tǒng)的具體情況：(1)對于汽輪發(fā)電機(jī)，由于其異步功率比較大，調(diào)速器比較靈敏，使汽輪機(jī)的輸出功率與發(fā)電機(jī)的異步功率很快達(dá)到平衡，在轉(zhuǎn)差率小于0.5%的情況下即可穩(wěn)定運(yùn)行。故原則上是允許在很小的轉(zhuǎn)差下異步運(yùn)行一段間的。(2)對于水輪發(fā)電機(jī)，由于其異步功率小，調(diào)速器不夠靈敏，必須在較大的轉(zhuǎn)差下(一般達(dá)到1％~2％)才能穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能在功率尚未達(dá)到平衡以前就大大超速，從而使發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列，而且需要從電網(wǎng)吸收的無功功率較多，機(jī)組振動較大，因此失磁后一般不允許繼續(xù)運(yùn)行。?在大型發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)失磁保護(hù)，輸出可以：發(fā)信號、自動減負(fù)荷、動作跳閘等。二、發(fā)電機(jī)失磁后的機(jī)端測量阻抗發(fā)電機(jī)從失磁開始到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行的過程分三個階段：1.失磁后到失步前2.臨界失步點(diǎn)3.失步后的異步運(yùn)行階段=

U

×

P

?

jQ+P

+

jQ

+

jXs=

1

+

+

jXs

=

1

+

+

jXs

=

+

jXs

+

ej

2?s21.失磁后到失步前發(fā)電機(jī)端測量阻抗為ZG

=

=

=

+

jXs

=

+

jXs2P

P

?

jQ(8-22)發(fā)電機(jī)失磁之前，向系統(tǒng)送出無功功率，?

>

0

，測量阻抗位于第Ⅰ象限；失磁之后，隨著無功功率的變化，?<

0

，測量阻抗也沿著圓周隨之由第Ⅰ象限過渡到第Ⅳ象限。在失磁后的

“等有功過

程”中，式

(8-22)

是一個圓的方

程式，由于

是在P不變的

條件下得出

的，稱為等

有功阻抗圓。P1>P2>P3jXs0’0

R圓的半徑為

圖8-18等有功阻抗圓(，)jX2sXs2PU2.臨界失步點(diǎn)δ

=90o

；Q

=?

此時機(jī)端的測量阻抗為ZG

=

=

+

jXs

=

×

+

jXs

=

1

?

+

jXs

=

(1

?

ej

2?

)+

jXs

(8-24)=

(1

?

ej

2?)+

jXs

=

?j

+

j

ej

2?圖8-19臨界失步阻抗圓這個圓稱為臨界失步阻抗圓，也稱靜穩(wěn)阻抗圓或等無功阻抗圓。其圓周為當(dāng)發(fā)電機(jī)在不同的有功功率P運(yùn)行下臨界失步時的機(jī)端測量阻抗軌跡，圓內(nèi)為失步區(qū)。臨界失步點(diǎn)也稱為等無功點(diǎn)圓的半徑為

O

X

+

X

d

s

O'

R

jXsX

?

X

2d

s

)

－jXd(0，-jX

2?當(dāng)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行失磁時，s

≈0R2

/

S

≈

∞

ZG

的數(shù)值最大，即ZG

=?jX1

?jXad

=?jXd?當(dāng)發(fā)電機(jī)在其他運(yùn)行方式失磁時，ZG

將隨著轉(zhuǎn)差率的增大而減小，并位于第Ⅳ象限內(nèi)。?

極限情況：

f

G

→

∞

s

→

?∞

R2

s

→

0

，

ZG

的數(shù)值為最小，有

ZG

=?j

X1

+=?jXd'3.失步后的異步運(yùn)?階段失步后的異步運(yùn)行階段由圖8-17的等效電路可得機(jī)??

S

ad

??ZG

=

=

?

jX1

+

端測量阻抗(8-25)?失磁前在正常勵磁狀態(tài)下運(yùn)行時，其機(jī)端測量阻抗位于復(fù)數(shù)平面的第Ⅰ象限(a或a1

點(diǎn))；?失磁后，測量阻抗沿著等有功阻抗圓向第Ⅳ象限移動。當(dāng)它與臨界失步圓相交時(b或b1

點(diǎn))，表明機(jī)組運(yùn)行處于靜穩(wěn)定的極限。之后轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，最后穩(wěn)定運(yùn)行于(c或c1

點(diǎn))，此時平均異步功率與調(diào)節(jié)后的原動機(jī)輸入功率相平衡。a

→

b

→

c

為P1

較大時的軌跡;a'

→

b'

→

c'

為

P2

較小時的軌跡圖8-20發(fā)電機(jī)端測量阻抗在失磁后的變化軌跡三、發(fā)電機(jī)在其他運(yùn)行方式下的機(jī)端測量阻抗圖8-21發(fā)電機(jī)在各種運(yùn)行情況下的機(jī)端測量阻抗圖8-22系統(tǒng)振蕩時機(jī)端測量阻抗的變化軌跡2失磁情況下的機(jī)端測量阻抗

點(diǎn)4(圖8-21)2發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時的機(jī)端測量阻抗點(diǎn)1、過勵；點(diǎn)2、純發(fā)有功；點(diǎn)3、欠勵2發(fā)電機(jī)外部故障時的機(jī)端測量阻抗點(diǎn)5(其大小和相位正比于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的阻抗Zk

)2發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時的機(jī)端測量阻抗

軌跡沿直線oo'

變化(圖8-22)四、發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的構(gòu)成方式?要求：能正確反應(yīng)失磁故障，而在發(fā)電機(jī)外

部故障、電力系統(tǒng)振蕩、發(fā)電機(jī)自同步并列以及發(fā)電機(jī)低勵磁(同步)運(yùn)行時不動作。?保護(hù)判據(jù)：發(fā)電機(jī)機(jī)端測量阻抗判據(jù)、轉(zhuǎn)子

勵磁繞組低電壓判據(jù)、變壓器高壓側(cè)低電壓判據(jù)、定子過電流判據(jù)。?為了防止電壓互感器回路斷線時造成失磁保

護(hù)誤動作，變壓器高、低壓側(cè)均有TV斷線閉鎖元件。一種比較典型的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)構(gòu)成的邏輯圖8-23發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的邏輯圖第六節(jié)發(fā)電機(jī)的其他保護(hù)形式發(fā)電機(jī)的其他保護(hù)形式：ü發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)ü發(fā)電機(jī)的失步保護(hù)ü發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)ü發(fā)電機(jī)的低頻保護(hù)ü發(fā)電機(jī)的突加電壓保護(hù)ü發(fā)電機(jī)的起停機(jī)保護(hù)一、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)發(fā)電機(jī)勵磁回路的故障除了失磁故障外，還包括轉(zhuǎn)子繞組的一點(diǎn)接地故障和兩點(diǎn)接地故障。?轉(zhuǎn)子發(fā)生一點(diǎn)接地故障時，不會形成故障電流的通路，對發(fā)電機(jī)不會產(chǎn)生直接危險。?兩點(diǎn)接地故障時，相當(dāng)大的故障電流可能損壞勵磁繞組和轉(zhuǎn)子本體，破壞發(fā)電機(jī)氣隙磁場的均勻，引起轉(zhuǎn)子振動，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果。因此，應(yīng)該避免勵磁回路的兩點(diǎn)接地故障。圖8-24轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)切換采樣式原理接線圖采用乒乓式開關(guān)切換原理，通過求解兩個不同的接地回路方程，實(shí)時計(jì)算轉(zhuǎn)子接地電阻和接地位置。接地位置比例系數(shù)：

1

U1

33.ΔURt

=

α

?

R1

?

R1．轉(zhuǎn)??點(diǎn)接地保護(hù)(8-26)(8-27)接地電阻：α

=

+2．轉(zhuǎn)?兩點(diǎn)接地保護(hù)n

保護(hù)共享轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時測得的接地位置α的

數(shù)據(jù)。在一點(diǎn)接地故障后，保護(hù)裝置繼續(xù)測量接地電阻的接地位置，若再發(fā)生轉(zhuǎn)子另一點(diǎn)接地故障，則已測得的α值將變化。當(dāng)其變化值Δα超過整定值時，保護(hù)裝置就確認(rèn)為已發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障，發(fā)電機(jī)被立即跳閘。ü接地位置變化動作值一般可整定為(5%~10%)Uμ

(Uμ

為發(fā)電機(jī)勵磁電壓)；動作時限按躲開瞬時出現(xiàn)的兩點(diǎn)接地故障整定，一般為0.5~1.0s。二、發(fā)電機(jī)的失步保護(hù)n

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生諸如負(fù)荷突變、短路等破壞能

量平衡的事故時，往往會引起不穩(wěn)定振蕩，使發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間失去同步，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電力系統(tǒng)解列甚至崩潰。n

由于失步會危及大型機(jī)組及系統(tǒng)的安全，通常

對300MW及以上的發(fā)電機(jī)，宜裝設(shè)失步保護(hù)。ü失步保護(hù)要求：應(yīng)能鑒別短路故障、同步振蕩和非同步振蕩，且只在發(fā)生非同步振蕩時可靠動作，而在發(fā)生短路故障和同步振蕩時不會誤動作。 R4

R3

R2

R1

XT

XS

O'

δ4

δ3

XT

M

δ2

δ1

OUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGUG忽略系統(tǒng)電阻，假定發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的電

M點(diǎn)位于j

機(jī)端測量阻抗的軌跡將沿著AB的垂直平分線oo1

變化，振蕩中心在M點(diǎn)。

B'

G

A

Xd

G

T

B

?X

RAd'd'圖8-25雙遮擋動作特性的失步保護(hù)(a)系統(tǒng)接線；(b)失步保護(hù)動作區(qū)?當(dāng)機(jī)端測量阻抗軌跡依次穿越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域后，判定為一次滑極。當(dāng)滑極次數(shù)累計(jì)達(dá)到一定值時，失步保護(hù)出口跳閘。?若測量阻抗在任一區(qū)內(nèi)永久停留，則判定為短路故障。若測量阻抗軌跡部分穿越這些區(qū)域后以相反的方向返回，則判斷為同步振蕩。保護(hù)均不動作。XSi

減速失步加速失步動勢幅值相等，則系統(tǒng)振蕩時，發(fā)電機(jī)

jXⅣ區(qū)

Ⅲ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅰ

區(qū)T三、發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)對汽輪發(fā)電機(jī)組，如果誤將汽輪機(jī)的主汽門關(guān)閉，將造成有功功率倒送，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為電動機(jī)運(yùn)行，即逆功率運(yùn)行。?逆功率保護(hù)的動作判據(jù)為P＜－Pset

，其中有功功率P的正方向指向系統(tǒng)母線P。set

一般取(1％~1.5％)

的發(fā)電機(jī)額定功率。?保護(hù)可以設(shè)兩段延時，短延時t1

(1~5s)作用于發(fā)信號并啟動程序跳閘回路，長延時t2

(10~600s)作用于解列滅磁。圖8-26發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)邏輯圖四、發(fā)電機(jī)的低頻保護(hù)n

發(fā)電機(jī)低頻運(yùn)行會使汽輪機(jī)葉片受到疲勞損傷，這種

不可逆的疲勞損傷累積到一定限度會使葉片斷裂，造成嚴(yán)重故障。圖8-27低頻累加保護(hù)邏輯圖五、發(fā)電機(jī)的突加電壓保護(hù)?突加電壓保護(hù)是作為發(fā)電機(jī)盤車狀態(tài)(未加勵磁，低速旋轉(zhuǎn))下主斷路器誤合閘的保護(hù)。?發(fā)電機(jī)在盤車過程中，如果出口斷路器誤合閘，系統(tǒng)電壓突然加在發(fā)電機(jī)機(jī)端，使同步發(fā)電機(jī)處于異步啟動狀態(tài)，由系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)定子繞組倒送大電流，并在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生差頻電流。圖8-28突加電壓保護(hù)邏輯圖六、發(fā)電機(jī)的起停機(jī)保護(hù)在發(fā)電機(jī)的故障中，定子繞組接地故障最常見。為防止在發(fā)電機(jī)起動或解列后停機(jī)的過程中定子繞組發(fā)生接地故障危害機(jī)組安全，通常大型發(fā)電機(jī)組裝設(shè)啟停機(jī)保護(hù)。?啟停機(jī)保護(hù)利用零序電壓保護(hù)原理，并經(jīng)斷路器輔助觸點(diǎn)控制。

圖8-29起停機(jī)保護(hù)邏輯圖n

除了以上所介紹的保護(hù)外，發(fā)電機(jī)根據(jù)運(yùn)行需要還可以

配備如過勵磁保護(hù)、非全相保護(hù)、TV和TA斷線保護(hù)、電壓平衡保護(hù)、過電流保護(hù)及非電量保護(hù)等。發(fā)電機(jī)－變壓器組繼電保護(hù)的特點(diǎn)和配置第七節(jié)一、發(fā)電機(jī)-變壓器組繼電保護(hù)的特點(diǎn)發(fā)變組的繼電保護(hù)裝置應(yīng)能反應(yīng)發(fā)電機(jī)和變壓器單獨(dú)運(yùn)行時所有的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)。ü