第7章发电机的保护.ppt

第7章 发电机的继电保护,第一节 发电机的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式第二节 发电机相间短路的纵联差动保护基本原理具有比率制动特性的差动保护第三节 发电机定子绕组匝间短路保护发电机定子绕组的横联差动电流保护负序功率方向闭锁的转子二次谐波电流匝间短路保护反映零序电压的定子绕组匝间短路保护第四节 发电机定子绕组的单相接地保护基波零序电压保护三次谐波零序电压保护三次谐波零序电压保护装设原理,第五节 发电机低励失磁保护失磁过程中各主要电气量的变化情况失磁发电机机端测量阻抗的变化特性失磁保护的构成方式失磁保护的构成原理第六节 发电机励磁回路一点接地保护第七节 发电机励磁回路两点接地保护第八节 发电机转子表层过热（负序电流）保护第九节 发电机逆功率保护第十节 发电机失步运行保护第十一节 发电机定子绕组对称过负荷保护,第7章 发电机的继电保护,1、发电机的故障类型,7.1发电机的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式,定子绕组相间短路；定子绕组一相的匝间短路；定子绕组单相接地；转子绕组一点接地或两点接地；转子励磁回路励磁电流异常下降或完全消失。,由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非全相运行等）而引起的发电机负序过电流和过负荷；由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。,2、发电机的不正常运行状态主要有：,(l）对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵联差动保护。(2）对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当发电机电压网络的接地电容电流大于或等于5A时（不考虑消弧线圈的补偿作用），应装设动作于跳闸的零序电流保护；当接地电容电流小于5A时，则装设作用于信号的接地保护。对于发电机变压器组，一般在发电机电压侧装设作用于信号的接地保护；当发电机电压侧接地电容电流大于5A时，应装设消弧线圈。容量在10OMW及以上的发电机，应装设保护区为100的定子接地保护）(3）对于发电机定子绕组的匝间短路，当绕组接成星形且每相中有引出的并联支路时，应装设单继电器式的横联差动保护。,3、发电机可能发生的故障和相应的继电保护装置：,(4）对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：l）负序过电流及单相式低电压起动过电流保护，一般用于50MW及以上的发电机；2）复合电压（负序电压及线电压）起动的过电流保护；3）过电流保护，用于1MW以下的小发电机。(5）对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50MW及以上的发电机上装设负序电流保护。(6）对于由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。(7）对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护。,(8）对于发电机励磁回路的接线故障：l）水轮发电机一般装设一点接地保护，小容量机组可采用定期检测装置；2）对汽轮发电机励磁回路的一点接地，一般采用定期检测装置，对大容量机组则可以装设一相接地保护。对两点接地故障，应装设两点接地保护，在励磁回路发生一点接地后投入。(9）对于发电机励磁消失的故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对采用半导体励磁以及100MW及以下采用电机励磁的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护。(10）对于转子回路的过负荷，在100MW及以上并采用半导体励磁系统的发电机上，应装设转子过负荷保护。,(11）对于汽轮发电机主汽门突然关闭，为防止汽轮机遭到损坏，对大容量的发电机组可考虑装设逆功率保护。（12）其他：如当电力系统振荡影响机组安全运行时，在 300MW 机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行造成机械振动，叶片损伤对汽轮机危害极大时，可装设低频保护；当水冷却发电机断水时，可装设断水保护等。为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，以使转子回路电流不会在定子绕组中再感应电动势，继续供给短路电流。,7.2 发电机相间短路的纵联差动保护,7.2.1 基本原理,发电机纵联差动保护的基本原理是比较发电机两侧电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间短路故障。发电机纵联差动保护的构成如图7.1 所示，将发电机两侧变比和型号相同的电流互感器二次侧图示极性端纵向连接起来，差动继电器KD接于其差回路中，当正常运行或外部故障时，与 反向流入，KD的电流为，故KD不会动作。当在保护区内K2点故障时，与 同向流入，KD的电流为：,图7.1 纵差保护原理示意图,当 大于KD的整定值时，即,KD动作。这里需要指出的是：上面的讨论是在理想情况下进行的，实际上两侧的电流互感器的特性（励磁特性、饱和特性）不可能完全一致，误差也不一样，即nTA1nTA2，正常运行及外部故障时，总有一定量值的电流流入KD,此电流称为不平衡电流，用Iunb表示。通常，在发电机正常运行时，此电流很小，当外部故障时，由于短路电流的作用，TA的误差增大，再加上短路电流中非周期分量的影响，Iunb增大，一般外部短路电流越大，Iunb就可能越大，其最大值可达：,式中：Kst同型系数，取0.5；Kunp非周期性分量影响系数，取为11.5；fi TA的最大数值误差，取0.1。,为使KD在发电机正常运行及外部故障时不发生误动作，KD的动作值必须大于最大平衡电流Iunb.max，即Iop=KrelIunb.max(Krel为可靠系数，取1.3）。Iunb.max越大，动作值Iop就越大，这样就会使保护在发电机内部故障的灵敏度降低。此时，若出现较轻微的内部故障，或内部经比较大的过渡电阻Rg短路时，保护不能动作。对于大、中型发电机，即使轻微故障也会造成严重后果。为了提高保护的灵敏系数，有必要将差动保护的动作电流减小，要求最小动作电流Iop.min=(0.1-0.3)IN（IN为发电机额定电流），而在任何外部故障时不误动作。显然，图7.1所示的差动保护整定的动作电流已大于额定电流，无法满足这种要求。,7.2.2 具有比率制动特性的差动保护(l）保护的作用原理 保护的作用原理是基于保护的动作电流Iop随着外部故障的短路电流而产生的Iunb的增大而按比例的线性增大，且比Iunb增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。这是把外部故障的短路电流作为制动电流Ibrk,而把流入差动回路的电流作为动作电流Iop。比较这两个量的大小，只要IOPIbrk，保护动作；反之，保护不动作。其比率制动特性折线如图7.2 所示。动作条件：分两段,式中，K 为制动特性曲线的斜率（也称为制动系数）。,图7.2 折线比率制动特性,在图7.3(a）中，选取W1=W2=0.5W3,DKB1、DKB2二次绕组匝数相同。,制动电流：,差动回路动作电流：,当外部短路时，制动电流为 动作电流为，保护不动作。,当正常运行时，则:,图7.3 比率制动式纵差保护继电器原理图,当IbrkIbrk.min，可以认为无制动作用，在此范围内有最小动作电流为Iop.min，而此时，保护不动作。当内部故障时，反向且，则 为两侧短路电流之差，数值小，而 大，保护能动作。特别是当 时，Ibrk=0，此时，只需Iop.min(Iop.min取0.20.3）保护就能动作，保护灵敏度大大提高了。当，保护也能动作。,(2）制动特性的实现方法 在图7.3(b）中，制动电压，并由U1产生I1（制动电流）；动作电压，并由U2产生I2（动作电流）；R3表示为保护执行元件的输入电阻（如触发器），设R3的动作电流为I，保护执行元件动作条件为：I2-I1I。从图中可得到制动电压与动作电压的关系（暂不考虑 Wy)，即 制动电压：动作电压：用式（7.7）乘R1，减去式（7.6）乘 R2 得：,121341,图7.3 比率制动式纵差保护继电器原理图,当U1=0时，得 为最小动作电压；当U10时，U2则随着U1的增加而以R2/R1为斜率的直线的方向增加，从而改变Rl或R2，可改变直线的斜率（直线的斜率应根据最大外部故障的短路电流所产生的最大不平衡电流来确定直线的一点）；同理，改变执行元件的电阻，可改变I，即可改变U20，即图7.4中a点的位置，由于VDZ存在，当 即Ibrk较小时，如小于负荷电流，则U1VDZ（击穿电压）制动回路不通，I1=0，无制动作用，动作特性只由最小动作电压U20决定。VDZ的击穿电压越高，制动特性的水平部分越长，如图7.4所示，一般 VDZ的击穿电压取对应于IN的那个电压。,图7.4 制动特性（不考虑VDZ时）,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.1 发电机定子绕组的横联差动电流保护 对于定子绕组为双“Y”或多“Y”型接线的发电机，广泛采用横联差动保护。横联差动保护的原理如图7.5。图中画出了各种匝间短路时电流的方向，即当发生任何一种定子绕组的匝间短路时，有一短路电流流进两中性点连线00上，这是由于A、B、C三相对中性点之间的电势平衡被破坏，则两中性点的电位不等之缘故。利用流入两中性点连线的零序电流，构成单继电器式横联差动保护。即在两分支绕组的中性点的连线上装一只电流互感器，保护就装在此电流互感器的二次侧。,7.3.1 发电机定子绕组的横联差动电流保护,当正常运行时，每个并联分支的电势是相等的，三相电势是平衡的，则两中性点无电压差，连线上无电流流过（或只有数值较小的不平衡电流），保护不会动作。当发生任何一种类型的匝间短路时，两中性点的连线有零序电流通过，保护反应于这一电流而动作。这就是发电机横联差动保护的原理。由于发电机电流波形即使是在正常运行时也不是纯粹的正弦波，尤其是当外部故障时，波形畸变较严重，从而在中性点的连线上出现以三次谐波为主的高次谐波分量，给保护的正常工作造成影响，为此，保护装设了三次谐波滤过器，消除其影响，从而提高保护的灵敏度。,图7.5横联差动保护原理图,在转子回路发生两点接地故障时，转子回路的磁势平衡被破坏，则在定子绕组并联分支中所感应的电势不同，三相电势平衡被破坏，从而使并联分支中性点连线上通过较大的电流，造成横差动保护误动作。若此两点接地故障是永久性的，则这种动作是允许的（最好是由转子两点接地保护切除故障，这有利于查找故障），但若两点接地故障是瞬时性的，则这种动作瞬时切除发电机是不允许的。因此，需增设0.51s 的延时，以躲过瞬时两点接地故障。也就是当出现转子一点接地时，即将切换至延时回路，为转子永久性两点接地故障做好动作准备。根据运行经验，保护的动作电流为：,式中：IN发电机的额定电流。这种保护的灵敏度是较高的。在切除故障时有一定的死区，即：单相分支匝间短路的较小时，即短接的匝数较少时；同相两分支间匝间短路，且1=2，或 l与2差别较小时。对于单“Y”接线的发电机，宜采用下列保护。,7.3.2 负序功率方向闭锁的转子二次谐波电流匝间短路保护 当发电机定子绕组匝间短路时，定子绕组产生负序电流。负序电流将产生的负序旋转磁场相对于转子以两倍同步速度旋转，此旋转磁场将在转子绕组感应出二次谐波电流（倍频电流），保护即可反应于此电流而动作。但当发电机外部故障时，也会在转子绕组感应出二次谐波电流，保护也可能动作。,利用发电机外部故障所产生的负序功率的方向与定子绕组匝间短路所产生负序功率方向的不同来区分这些故障。(l）故障时的负序功率方向 以单“Y”接线发电机为例进行分析，系统接线如图7.6（a）所示，以判断 与 的夹角来确定负序功率的方向。发电机外部横向不对称短路时（如发电机出口处），负序网络如图7.6(b）所示，发电机外部K1点发生两相短路，与 的夹角大于0而小于90，这时负序功率方向为正。发电机内部两相短路时，图7.6(c）中表示发电机内部 点发生两相短路，因为，则 与 之间夹角必大于180，所以这时的负序功率方向为负。发电机定子绕组一相匝间短路时，图7.6(d）表示K3K4点发生匝问短路，在纵向负序电势 作用下，超前 的夹角大于180，所以，这时的负序功率亦为负。,图7.6 电流互感器在机端时的负序功率方向分析(a）接线示意图；(b)K1点短路；(c)K2点短路；(d)K3K4点短路,(2）保护的构成和工作原理 保护的构成如图7.7所示。当发电机定子绕组匝间短路时，短路电流中出现负序电流分量，它所产生的反向旋转磁场在转子回路中感应出以二次谐波为主的高次谐波电流，经二次谐波滤过器3，再经二次谐波电流元件I2n，同时，负序功率方向元件2不动作，即不送出闭锁信号，从而保护无延时地出口送出跳闸脉冲。当发电机外部不对称短路时，发电机转子回路必然也出现二次谐波电流，I2n动作，但此时因短路功率方向与定子绕组匝间短路时负序功率方向相反而动作，即2送出闭锁信号，保护不跳闸。二次谐波电流启动元件只需按正常工作最大不对称度考虑，一般不对称度取8%，因此，保护的灵敏度很高。由于2从发电机出口侧电流互感器取负序电流，则从前面的分析可知它还能反映发电机内部两相短路故障。,图7.7 负序功率闭锁转子二次谐波匝间短路保护原理方框图1负序电流滤过器；2负序功率方向继电器3二次谐波滤过器；I2n二次谐波电流元件,7.3.3 反映零序电压的定子绕组匝间短路保护 当发电机定子绕组发生匝间短路时，三相绕组的对称性遭到破坏，机端三相对发电机中性点出现零序电压,利用它可以构成零序电压匝间短路保护，如图7.8所示。但在构成这种原理的保护时需在发电机出口侧装设此保护专用的电压互感器TV0，且TV0原绕组的中性点与发电机中性点相连而不直接接地。,大、中型发电机中性点采用高阻抗接地或中性点不接地，当发电机定子绕组发生匝间短路或匝数不等的相间短路时，TV0三相一次对中性点的电压不再平衡，开口三角形绕组有 输出，使零序电压匝间短路保护动作。当发电机内部或外部发生单相接地故障时，虽然一次系统出现了零序电压，即一次侧三相对地电压不再平衡，中性点电位升高3U0，但由于TV0一侧中性点并不接地，所以即使它的中性点电位升高，而三相对中性点的电压仍然是对称的，第三绕组输出电压为零。如果保护不采用专用的TV0，而采用通常一次绕组中性点接地的TV，则就不能区分发电机定子绕组匝间短路内外部单相接地故障。,图7.8 发电机零序电压匝间保护专用电压互感器的接入方式,同理，当发电机出现外部相间短路或内部匝数相等的相间短路时，则TV0开口三角形绕组也不会出现零序电压，保护不会动作。在实际应用中，由于发电机制造上的原因，在正常运行和外部故障时，TV0的开口三角形绕组存在不平衡电压，根据对许多正常运行的发电机的实测和分析，这个不平衡电压主要是三次谐波电压，其最大值可达20V左右，为了提高保护的灵敏度，需装设良好的三次谐波滤过器，以降低不平衡电压的数值。这里还需要指出的是：当发电机外部短路电流太大时，波形畸变得非常严重，所出现的三次谐波通过三次谐波滤过器后还会有相当高的数值。为此，可采用负序功率方向闭锁的方式。为了防止专用TV0断线在开口三角形出口侧出现较大的零序电压使保护误动作，还需装设断线闭锁元件。,整定原则：动作电压需躲过外部严重故障时的最大不平衡基波零序电压和三次谐波零序电压，即式中：U01max 最大基波零序电压，一般取0.40.5v；U03max 最大三次谐波零序电压，一般取 40V；Krel 可靠系数，取1.5；Kfl.3 基波对三次谐波滤过比，取50。,7.4 发电机定子绕组的单相接地保护,发电机定子绕组的单相接地故障是发电机的常见故障之一，这是因为发电机外壳及铁心均是接地的（保护要求），所以只要发电机定子绕组与铁心间绝缘在某一点上遭到破坏，就可能发生单相接地故障。发生定子绕组单相接地故障的主要原因是，高速旋转的发电机，特别是大型发电机（轴向增长）的振动，造成机械损伤而接地；对于水内冷的发电机（大型机组均是采用这种冷却方式），由于漏水致使定子绕组接地。,发电机定子绕组单相接地故障时的主要危害：接地电流会产生电弧烧伤铁心，使定子绕组铁心叠片烧结在一起，造成检修困难。接地电流会破坏绕组绝缘，扩大事故。若一点接地而未及时发现，很有可能发展成绕组的匝间或相间短路故障，严重损伤发电机。,对大中型发电机定子绕组单相接地保护应满足以下两个基本要求：对绕组有 100 的保护范围。在绕组匝内发生经过渡电阻接地故障时，保护应有足够的灵敏度。,7.4.1 基波零序电压保护 发电机电压系统定子绕组单相接地时接线如图7.10(a）所示，设发电机每相定子绕组对地电容为CM，外接每相对地电容为Ct，当A相绕组距中性点外单相接地时：,图7.10 发电机零序电压保护原理图1三次谐波滤过器；2到信号,由于电压互感器二次开口三角形绕组的输出电压Umn在正常运行时近似为零，而在发电机出口端（机端）单相接地时为Umnl00V。因此，当故障发生在01 的位置时，Umn=100V，上式所表示的关系，在图7.11中为一直线，零序电压保护继电器的动作电压应躲开正常运行时的不平衡电压（主要是三次谐波电压），其值为1530V，考虑采用滤过比高的性能良好的三次谐波滤过器后，其动作值可降至510V，则保护的死区为=0.050.1。若定子绕组是经过渡电阻Rg单相接地时，则死区更大，这对于大、中型发电机是不能允许的，因此，在大、中型发电机上应装设能反映100定子绕组单相接地保护。,7.4.2 三次谐波零序电压保护 机端及中性点侧的三次谐波电压 和：l）正常运行时的三次谐波电压 正常运行时相电势中会有三次谐波电势，其等效图如图7.12所示。机端：中性点端：所以，当发电机中性点经高阻抗接地时，上式仍然成立。,图7.12,2）当定子绕组单相接地时的三次谐波电压 当定子绕组单相接地时也会有三次谐波电压，其等效图如图7.13(a）所示。,其关系如图7.13(b）所示。如果以此作为动作条件，则这种原理的保护的“死区”为a50%，但若将这种保护与基波零序电压保护共同组合起来，就可以构成保护区为100的定子绕组单相接地保护。,图7.13,7.4.3 三次谐波零序电压保护装设原理 为提高三次谐波零序电压保护的灵敏度（减小死区），实际上保护装置的动作条件是按下式构成：或,当绕组中部附近发生单相接地故障时，其灵敏度较低，因为此时的 与 可能与正常运行的情况接近，使动作量大大减少，而制动量相对来说又较大的缘故，为了补偿这种缺陷，在保护装置中需增加比相元件。比相元件的动作条件为：,图7.14 三次谐波电压定子接地保护原理方框图,7.5 发电机低励失磁保护,发电机低励失磁:通常是指发电机励磁异常下降超过了静态稳定极限所允许的程度或励磁完全消失。前者称为部分失磁或低励故障，后者则称为完全失磁。造成低励故障的原因:通常是由于主励磁机或副励磁机故障，励磁系统有些整流元件损坏或自动调节系统不正确动作以及操作上的错误等，这时的励磁电压很低，但仍有一定的励磁电流。完全失磁:是指发电机失去励磁电流，通常是由于自动灭磁开关误跳闸，励磁调节器整流装置中自动开关误跳闸，励磁绕组断线或端口短路以及副励磁机励磁电源消失等。失磁后，发电机将由同步运行逐渐转入异步运行。在一定的条件下，异步运行将破坏电力系统的稳定，并威胁发电机本身的安全。,7.5.1 失磁过程中各主要电气量的变化情况 同步发电机同步运行时，若忽略电阻分量，则同步发电机的功角特性为：,式中：P、Q 发电机送至系统的有功功率、无功功率；、系统电压、发电机电势；XS、Xd 系统联系电抗、发电机电抗（纵轴）；与 的角度，称为功角。,描述同步发电机变化规律的转子运动方程式为：式中，PT、P、Pas分别为输入的机械功率、发电机输出的同步电磁功率、发电机异步功率，正常运行时Pas0；TJ为转子惯性时间常数，为电气角加速度。,图7.15 发电机与系统的简化网络,正常运行时，发电机输入机械功率PT与电磁功率相平衡，以1功角稳定运行在图中的a点。这时，发电机通常向系统送出有功功率和无功功率，故定子电流滞后于定子电压，称为滞后运行。下面分3个阶段进行分析，并设完全失磁。,(l）失磁到临界失步阶段（90）在失磁开始初瞬，Pas0，随着失磁时间的增长，励磁电流逐渐减少，发电机电势E随之按指数规律减小，电磁功率P(E、)曲线逐渐变低。为了维持PT与P之间的功率平衡，运行点发生改变（abc），功角则逐渐增加（123)，使发电机输出的有功功率基本保持不变，所以，这个阶段称为“等有功过程”。,图7.16 功角特性曲线,“等有功过程”一直持续到临界失步点（C）=90，这一阶段所经历的时间与励磁电流（即电势E）的衰减时间常数成正比。失磁故障的方式不同，这阶段的时间就不同；此外，发电机正常运行时的系统储备系数越大（失磁发电机所带负荷越轻），该时间越长。此阶段因滑差S很小，异步功率极小，可忽略不计。对于无功功率Q，随着的增大而将缓慢减小，当Q=O时，无功功率开始反向，当=90，这说明发电机完全从系统吸收无功功率。,当90时，电势E在失磁后衰减可表示为，该无功功率开始减少，以Q=0为临界点，机端无功功率开始反向，机端无功功率电流随之开始反向，机端电流相量 由原来滞后机端电压 转为超前机端电压，发电机变为进相运行。开始从系统吸收无功功率，在这个过程中，由于E不断下降，也呈不断下降趋势。所不同点是 从机端无功功率Qg过零点之前到Qg=0，无功电流不断减少，而有功电流基本不变。,所以，逐渐略有减少，Qg过零点之后，反向无功电流不断增大，机端电流 将不断增大，这期间因发电机仍然同步运行，Xd保持不变，故为：,图 7.17 失磁后有关相量的变化,(2）不稳定运行阶段（90)当90时，不可能出现PT=P，随着的增大，PT-P的值越大。于是，转子加速，滑差S不断增大，转子回路中感应的差频电流不断增大，异步功率（转矩）Pas也随之增大。特别是当180后，随着励磁电流和P的完全衰减，S和Pas增大得更快；另一方面，调速器也开始反应，作用于减少Pt使转速减慢，这一阶段P、Pas、S、PT是变化的。若发电机为完全失磁，当180时，同步有功功率为零，靠异步功率向系统输出有功；若为部分失磁，则在此时期内励磁电流并不会衰减至0，尚有剩余的带振荡的同步功率。当它与异步功率叠加后，使发电机输出的有功功率时大时小地摆动，这对发电机非常不利。(3）稳定的异步运行阶段 当滑差S达到一定数值，使Pas达到能与减少了的PT相平衡，即图7.16中的d点，转子停止加速，S不再增大，发电机便转入稳定的异步运行阶段。,图7.18 异步状态时发电机输出功率的变化情况,结论：发电机失磁后到失步前，输出有功功率基本不变，无功功率的减少和的增大都比较缓慢。失磁发电机由失磁前向系统送出无功功率Q1转为从系统吸收无功功率Q2，则系统将出现Q1+Q2的无功缺额，尤其是满负荷运行的大型机组Q较大，会引起系统无功功率大量缺额，若系统无功容量储备不足，将会引起系统电压严重下降，甚至导致系统电压崩溃。对于同容量水轮发电机，由于它的同步电抗较小，较汽轮发电机而吸收的无功就更多，造成的影响更严重。失磁引起的系统电压下降会使发电机增加其无功输出，引起有关发电机、变压器或线路过流，甚至使后备保护动作，扩大故障范围。,失磁引起有功功率摆动和励磁电压的下降，可能导致电力系统某些部分之间失步，使系统发生振荡，甩掉大量负荷。由于出现转差，在转子回路出现的差频电流产生的附加损耗，可能使转子过热而损坏。失磁发电机进入异步运行后，等效阻抗降低，定子电流增大而使定子过热。失磁失步后转差越大，等效电抗越小，过电流越严重。失磁失步后发电机有功功率剧烈的周期性摆动，变化的电磁转矩周期性的作用到轴系上，并通过定子传给机座，引起剧烈振动。失磁运行时，发电机定子端部漏磁增加，将使端部的部件和边段铁心过热。由于低励失磁故障会引起上述危害，因此，在发电机上（特别是大型发电机上）须装设性能完善的失磁保护。,7.5.2 失磁发电机机端测量阻抗的变化特性(l）等有功阻抗图（90）如上所述，发电机由失磁开始至临界失步是一个等有功过程，即P为恒定，则机端测量阻抗为：,图7.19 等有功阻抗圆,因为P不变，再假设XS、US均为恒定，只有角度为变数，故式（7.30）在阻抗复平面上的轨迹为一圆，其圆心坐标为（,XS)，半径为,如图7.19所示。此圆称为等效有功阻抗圆。,分析式（7.30)，可以得出以下结论：一定的等有功阻抗圆与某一确定的P相对应，其圆半径与P成反比（圆周上各点P为恒量而为变量），即发电机失磁前带的有功负荷P越大，相应的圆越小。发电机正常运行时，向系统送出有功功率和无功功率，角为正，测量阻抗在第一象限。发电机失磁后无功功率由正变负，角逐渐由正值向负值变化，测量阻抗也逐渐向第四象限过渡。失磁前，发电机送出的有功功率越大（圆越小），测量阻抗进入第四象限的时间就越短。等有功阻抗圆的圆心坐标与联系电抗XS有关，在同一功率下，不同的XS，对应着不同的轨迹圆。如XS=0，则圆心坐标在R轴上，测量阻抗很易进入第四象限，XS较大（即机组离系统较远），圆心坐标上移，则其测量阻抗不易进入第四象限。可以看到，失磁发电机的机端测量阻抗的轨迹最终都是向第四象限移动。,(2）等无功阻抗圆（=90)这时的，即发电机从系统吸收无功功率，发电机机端测量阻抗为：,式中，US、XS和Q为常数时，式（732）是一个圆的方程。,圆心（0，），半径，如图7.20所示。此圆称为等无功阻抗圆，也称临界失步阻抗圆或静稳极限阻抗圆，圆外为稳定工作区，圆内为失步区，圆上为临界失步。该圆的大小与Xd、XS有关系。XS越大，圆的直径越大，且在第一、二象限部分增加，但无论Xd、XS为何值，该圆都与点（0，-jXd）相交。,图7.20 临界失步（或静稳极限阻抗圆）,(3）稳态异步运行阻抗圆 失步后的阻抗轨迹，最终将稳定在第四象限，这是因为进入稳态异步运行后，同步发电机成为异步发电机，其等效电路与异步电动机类似。如图7.21所示，圆中的X1为定子绕组漏抗，为转子绕组的归算电抗，Xad为定子、转子绕组间的互感电抗（即电枢反应电抗）,为转子绕组的计算电阻，S为转差率（），则表示发电机功率大小的等效电阻。由图7.21可得，此时发电机的测量阻抗为：,上式表明，此时发电机的测量阻抗与转差率S有关。,考虑两种极端情况：发电机空载运行失磁时，此时测量阻抗最大，即 发电机在其他运行方式失磁时，取极限情况，即，此时测量阻抗最小，即,以 和 为两个端点，并取 为直径，也可以构成一个圆，如图7.22 所示。它反映稳态异步运行时Z=f(s）的特性，简称异步运行阻抗圆，也称抛球式阻抗特性圆。发电机在异步运行阶段，机端测量阻抗进入临界失步阻抗圆内，并最终落在 的范围内。,图7.21 发电机异步运行等值电路,图7.22 异步运行阻抗圆,(4）临界电压阻抗圆 为了保证在失磁后系统稳定及厂用电安全，要求机端电压 Ug不得低于某一定值，这一电压定值称临界电压值。在临界电压为一定的条件下，机端测量阻抗的轨迹，同样可用阻抗圆描述。在图7.23所示的简化网络图中，当发电机失磁后，若 下降到等于小于系统电压为 的K倍，即UhKU(Kl)，则危及系统及厂用电的安全。从网络图中可得：,上两式两端同除以，得：,图7.23 发电机与系统的简化网络Xst主变电抗；XSl主变以外的系统电抗；Uh主变高压侧电压,图7.24 临界电压阻抗圆,两电压大小的比值等于两阻抗比值的绝对值，即:,式中，XSl、Xst、K均为已知系数。机端测量阻抗的轨迹为一圆，称临界电压阻抗圆，圆心坐标为 半径为；对于确定的R值，均有一个确定的临界电压阻抗圆与之对应。当机端测量阻抗进入该圆时，说明主变高压侧电压低于允许值，应将失磁发电机切除。汽轮发电机通常可用此圆来确定跳闸动作区。,用Z=R+jX，代入上式得：,7.5.3 失磁保护的构成方式 构成失磁保护时，应考虑两种功能：一是发电机虽失磁，但对发电机和系统尚未构成严重威胁时，应能发出报警或减负荷；二是当其后果危及发电机或系统安全运行时，应及时动作切除失磁发电机。对于汽轮发电机，如果系统无功足够，失磁后将允许无励磁运行，这时，失磁保护应瞬时或经短延时动作报警信号和减负荷，或切换至备用励磁系统，并以发电机允许无励磁运行时限切除发电机，其动作区如图7.25(a）所示。如果系统无功不足，电压严重下降，失磁后保护应立即动作于报警信号，而在临近失磁或机端电压下降到临界值附近时，保护应使失磁发电机与系统解列，其动作区如图7.25(b）所示。,图7.25 允许无励磁运行发电机失磁保护的动作区(a)XS大时；(b)XS小时,对于水轮发电机，由于它的同步电抗较汽轮发电机小，失磁失步后，定子绕组过电流和转子发热就比较厉害，同时，水轮发电机要在滑差相对较大时，才能有较大的异步功率，因而其机组振动程度较汽轮发电机厉害。所以，不管系统的条件如何，失磁时应瞬时发报警信号，而在临近失步或电压降低到临界值附近时，保护应动作切除发电机，其动作区在如图7.26所示。,图7.26 水轮发电机失磁保护的动作区(a)Xs大时；(b)Xs小时PN额定有功功率的等有功阻抗圆；U临界电压阻抗圆；S临界失步阻抗圆,7.5.4 失磁保护的构成原理 以汽轮发电机失磁保护为例来进行说明。(l）反映机端阻抗变化的测量元件 阻抗元件可采用临界失步阻抗圆或异步运行阻抗圆特性来作为动作边界以实现动作判据。l）反映临界失步阻抗元件的动作方程 反映静稳边界的阻抗元件的动作方程应与发电机的静稳边界相符合。其动作方程：,幅值比较式：,相位比较式：,若取=90，作为静稳极限，则：,幅值比较式：,相位比较式：或,=90时的阻抗圆如图7.27的圆1所示，圆1不能避开外部短路以及进相运行振荡的影响，以g=90所作出的圆虽然能避开其影响，但动作区缩小了，实用中常采用苹果圆特性的阻抗元件，使其特性逼近静稳边界，且减去R轴以上的动作区，圆2实际上是将以g=90所作出的圆，并以原点为轴心分别顺时针和反时针旋转 角度位置，分别得到两圆，再将两圆的直径扩大至,使两圆周在虚轴上相交于-jXd。取两圆内区域相并可得到新的动作区，该区为两圆相连的外周线，其形状似苹果，故称为苹果圆。,图7.27 圆及苹果圆阻抗特性,根据苹果圆上任意一点与割线相对的圆周角，可直接写出苹果圆阻抗元件相位比较式动作方程：或,2）反应失磁异步运行阻抗元件的动作方程 其动作特性如图7.22，但实用中考虑阻尼回路的影响，取圆的上半周过，则圆的动作方程：,幅值比较式：相位比较式：,(2）反映 和 随时间变化率的测量元件 根据前面的分析，在失磁后的等有功过程中，发电机电势 随时间不断减少，而定子电流 则在短暂下降后持续上升。这个规律是发电机失磁等有功过程中所特有的，利用这种原理来构成失磁保护的另一个测量元件。由于在定子侧直接测量发电机电势 有一定困难，需要找一个与 有相同变化规律的模拟电势。考虑式（7.29)，在失步前Xd保持不变，选择一个不变的模拟电抗Xm来取代Xd，就可保证新产生的电势与 变化规律相同，故令,测量元件的动作判据为：,式中，C1、C2 皆为常数门槛值。系统短路时，发电机可用暂态电抗 和该电抗后的电势 来表示，即，并将此式代人式（7.51）得：,(3）保护的工作原理 在图7.28中，符号K1为低电压元件，按临界电压阻抗圆整定；K2为阻抗元件，可按静稳边界整定，一般为苹果特性；K3为反映E和I随时间变化率的测量元件。,图7.28 失磁保护构成方案,汽轮发电机的特点：失磁后转差小，平均异步转矩较大，异步运行时振动较轻。发生失磁故障后，测量阻抗进入动作边界，但只要未达到低电压元件的定值，则失磁保护只动作于减出力，通常减到额定功率的 4050%，其平均滑差随之减少，这种情况一般可允许发电机短时运行215min。若在失磁后母线电压低于允许值，则应迅速动作于跳闸。,7.6 发电机励磁回路一点接地保护,切换测量原理保护方案 将一个电阻和电容网络接在转子绕组两端，通过顺序切换的方法改变网络的结构，并对三个有关的支路电流进行采样、记忆进行比较，达到测量励磁回路对地电阻的目的。如图7.29所示，电容的作用是消除转子电压中谐波分量及干扰电压对继电器的影响。,图7.29 转子一点接地保护测量网络,开关S1单独闭合时，稳态电流 经采样保持和整理后在装置内得到与I1成正比的电压U1:,假设接地故障发生在转子绕组中部任一点，将转子电压分为Uf1和Uf2，故障点电阻为RX。,同理，开关S1与S2分别单独闭合时，相应的有：,取R1=R3=Ra，R2=R4=Rb(Ra、Rb皆为选定的参数）,Kl=K2=K，则上述三式可改写为：,可选择保护的动作判据为：,装置动作时对应的RX为,对于给定的Ra、Rb、RX、K2及K，当上式等号成立时，RX便为检测到的最大接地电阻Rx.max，若K2取固定值，则改变K可以调整灵敏性。K2值可根据灵敏性要求,由式（7.64）取等号求出，即,7.7 发电机励磁回路两点接地保护,当转子绕组发生两点接地故障，由于故障点流过相当大的短路电流，因而会烧伤转子；由于部分绕组被短接，励磁绕组电流增加，转子可能因过热而损伤；气隙磁通失去平衡，会引起机组剧烈振动，可能因此而造成灾难性破坏。汽轮发电机转子绕组两点接地故障，还可能使轴系和汽机磁化。因此，两点接地故障的后果是严重的，必须装设有效的励磁回路两点接地保护，立即跳闸。,励磁回路两点接地继电器可由电桥原理构成，其原理接线及装置方框图如图7.30 所示。,由电桥平衡原理构成的励磁回路两点接地保护有两个缺点：由于两点接地保护只能在转子绕组一点接地后投人，所以，对于发生两点同时接地，或者第一点接地后紧接着发生第二点接地的故障，保护装置均不能反映。若第一个接地点发生在转子绕组的正极或负极端，则因电桥失去作用，不论第二点接地发生在何处，保护装置将拒动。,图7.30 电桥原理转子两点接地继电器电路原理接线及方框图,发电机机组承受负序电流的能力主要由转子表层发热情况来确定，特别是大型发电机，设计的热容量裕度较低，对承受负序电流能力的限制更为突出，必须装设与其承受负序电流能力相匹配的负序电流保护，又称为转子表层过热保护。,7.8发电机转子表层过热（负序电流）保护,(l）转子发热特点及负序电流反时限动作判据 l）发电机长期承受负序电流的能力 发电机正常运行时，由于输电线路及负荷不可能三相完全对称，因此，总存在一定的负序电流I2，但数值较小，通常不超过23额定电流。我国有关规程规定为：在额定负荷下，汽轮发电机持续负序电流I2(6 8%)IN，对于大型直接冷却式发电机相应值更低一些。负序电流保护通常依据发电机长期允许承受的负序电流值来确定启动门槛值，当负序电流超过长期允许承受的负序电流值后，保护延时发出报警信号。,转子表层过热（负序电流）保护基本原理：,2）发电机短时承受负序电流的能力 在异常运行或系统发生不对称故障时，I2将大大超过允许的持续负序电流值，这段时间通常不会太长，但因I2较大，更需考虑防止对发电机可能造成的损伤。,若假定发电机转子为绝热体（即短时内不考虑向周围散热的情况），则发电机允许负序电流与允许持续时间的关系可用下式来表示：式中：I*.2 以发电机额定电流IN为基准的负序电流标么 值；A 与发电机型式及冷却方式有关的常数；t 允许时间。,式中，为非周期分量标么值；Kdc为与计算发热量有关的系数。,在确定转子表面过热保护的负序电流能力判据时，引入一个修正系数K2，即有下述判据：,修正系数K2与发电机允许长期负序电流 有关，为了将温升限制在一定范围内要求，即式中：K0安全系数，一般为0.6。将式（7.68）代入式（7.67）得到在负序电流 条件下，允许运行时间的动作判据为：这就是在负序电流保护中所采用的反时限动作判据。,保护动作判据为：,(2）转子表层过热保护方案,动作电流门槛值整定为：,整定计算式：,图7.31 转子表层过热保护方案原理方框图,图7.32 负序反时限过电流继电器反时限特性,在汽轮机发电机组上，由于各种原因误将主气门关闭，则在发电机断路器跳闸之前，发电机将迅速转为电动机运行，即逆功率运行。逆功率运行对发电机并无危害，但由于残留在汽轮机尾部的