第七章 发电机的继电保护.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章发电机的继电保护,发电机是电力系统中最主要的设备，发电机单机容量不断增大，可以降低单位造价和发电成本，提高劳动生产力。但机组容量过大，发电机的事故停机率增高，可用率随之降低。据统计,40,60,万,KW,机组平均可用率为,77.5%,，事故停机率为,9.7%,，而,80,万,KW,以上机组分别为,72.5%,和,16.2%,。由于象,600,MW,这样的大机组越来越多地在电力系统中应用，如何保障发电机在电力系统中的安全运行，就显得更加重要。,一、发电机故障类型,、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,定子绕组,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,转子绕组,、转子绕组一点接地或两点接地短路,、转子励磁回路励磁电流消失,造成的危害：,定子绕组故障时，故障点出现的电弧将烧损定子绕组的绝缘，严重时，电弧使定子铁芯大量熔化或引起火灾。,转子绕组两点接地时，除可能使转子绕组和铁芯损坏外，还因转子磁场不对称，使机组产生剧烈的机械振动。,二、发电机的不正常运行状态,、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而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。,三、保护方式,对以上发电机的定子绕组及其引出线的,相间短路,，应装设,纵差保护,对直接联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，,小于时，则装设作用于信号的,接地保护,对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,对,发电机外部短路而引起的过电流,，可采用下列保护：,负序过电流,及,单相式低电压起动过电流保护，,一般用于50,MW,及以上的发电机；,复合电压起动的过电流保护,（负序电压及线电压）,过电流保护，,用于1,MW,以下的小发电机,对,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50,MW,及以上的发电机上装设,负序电流保护,对,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,对,水轮发电机定子绕组过电压，,应装设,带延时的过电压保护,对于,发电机励磁回路的接地故障,水轮发电机装设一点接地保护，小容量机组可采用定期检测装置,对汽轮机励磁回路的一点接地，一般采用定期检测装置，对大容量机组则可装设一点接地保护，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,对,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100,MW,以上采用电机励磁的发电机，应增设反应发电机失磁时电气参数变化的,专用失磁保护,对,转子回路过负荷,，在100,MW,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,对,汽轮机主汽门突然关闭,，为防止汽轮机遭到破坏，对大容量机组可考虑装设,逆功率保护,当电力系统振荡影响机组安全运行时，在300,MW,机组上，应装设,失步保护；,当汽轮机低频运行造成机械振动，叶片损伤等可装设,低频保护；,当水冷却发电机断水时，可装设,断水保护,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，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势，继续供给短路电流。,第二节发电机的纵差保护和横差保护,一、发电机纵差保护的整定计算和原理接线,纵差保护是发电机内部相间短路的主保护，因此它能快速而灵敏地切除内部所发生故障，同时，在正常运行及外部故障时，又应保证动作的选择性和工作的可靠性。,发电机纵差保护起动电流有两个不同选取原则，与其对应的接线也有些差别。,在正常情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动,I-I,LH2,LH1,二次回路断线时的电流分布,假定电流互感器,LH2,的二次引出线发生断线,则 ,这时在差动继电器中将流过电流 ,当发电机在额定容量运行时,此电流即为发电机额定电流变换二次侧的数值,可以,I,e.f,/n,l,表示，为防止差动保护误动作，应整定保护装置的起动电流大于发电机的额定电流，引入可靠系数,K,k,(,一般取1.3),则保护装置和继电器的起动电流分别为：,I,dz,=,K,k,I,e.f,I,dz.J,=,K,k,I,e.f,/n,l,K,k,=1.3,这样整定，在正常运行时任一相电流互感器二次侧断线时，保护均不会误动。,若在断线后又发生了外部短路，则继电器回路中要流过短路电流，保护仍要误动，因此一般在差动保护中装设断线监视装置，当断线后它动作于发出信号，运行人员接此信号后即应将差保退出工作。,断线监视继电器的起动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好，通常选择：,为防止断线监视装置在外部故障时由于不平衡电流的影响而发信号，其动作时限应大于发电机后备保护的时限。,保护装置的起动电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定,这时，继电器的起动电流应为：,输电线纵差保护中影响输电线纵差保护正确工作的因素：,、电流互感器的误差和不平衡电流,、导引线的阻抗、分布电容,、导引线故障和感应过电压,当采用具有速饱和铁芯的差动继电器时,K,zq,=1,；,当电流互感器型号相同时，,K,tx,=0.5,；,可靠系数一般而论取,K,k,=1.3,对水轮发电机 则,总结,：,方式2）灵敏性高（整定值小）；,可靠性低，当,TA,二次侧断线时，可能误动。,对于汽轮发电机，,其出口处发生三相短路最大短路电流约为,则差动继电器的起动电流为:,对100,MW,及以上大容量发电机，采用具有比率制动特性的差动继电器,利用外部故障时的穿越电流实现制动，即可保证区外故障时可靠躲开最大不平衡电流的影响，又能提高区内故障时的灵敏性。,二、发电机匝间短路的横差动电流保护,原理,在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个并联的绕组组成的，在正常情况下，两个绕组中的电势相等，各供出一半的负荷电流，而当任一个绕组中发生匝间短路时，两个绕组中的电势就不再相等，因而会由于出现电势差而产生一个均衡电流，在两个绕组中环流。因此，利用反应两个支路电流之差的原理，即可为实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，即横差保护。,C B A,双星形结构,1）在某一个绕组内部发生匝间短路，由于故障支路和非故障支路的电势不相等，故有一个环流 产生。这时在差动回路中将流有电流,当此电流大于继电器的起动电流时，保护即可动作于跳闸，短路匝数,越多时，则环流越大，而当,较小时，保护就不能动作，故保护是有死区的。,I,某一绕组内部匝间短路,感应电势大,感应电势小,在同一相的两个不同绕组间发生匝间短路，当,1,2,时，由于两个支路的电势差，将分别产生两个环流：,和,此时流过继电器的电流为,:,，当,1,2,之差很小,时，也将出现保护的死区，例如当,1,2,时，,I,1,2,感应电势大,感应电势大,接线方式,横差保护有两种接线方式,在每相装设两个电流互感器和一个电流继电器做成单独的保护，三相共需个互感器和三个继电器，由于接线复杂，且保护中的不平衡电流也大，故很少采用。,单继电器式横差保护,单继电器式横联差动保护原理接线图,跳闸,跳,MK（,灭磁开关）,I,LP,t,中性点有并联支路,1,LH,2,3,4,6,5,至信号,三次谐波过滤器,当发电机出现三次谐波时，三相均同相位，任一支路的,E3,与其它支路的,E3,不相等时，均在两绕组间出现三次谐波环流，形成不平衡电流。,只用一个电流互感器装于发电机两组星形中性点的联线上，把一半绕组中三相电流之和与另一半绕组中三相电流之和进行比较，当发生各种匝间短路时，此中性点联线上就有环流，故继电器动作。,注意：,对于容量为200,MW,及以上发电机，由于其结构紧凑，中性点侧只能引出三个端子，无法装设单继电器横差保护。,优点：,只用一个互感器，没有由于互感器误差所产生的不平衡电流，因而起动电流较少，灵敏度较高,接线简单,整定,保护装置的起动电流，根据运行经验可采用发电机定子绕组额定电流的,20%30%,，即：,当发电机出现三次谐波电势,3,时，由于三相均是同相位的，因此，当任一支路的,3,与其它支路的不相等时，均会在两组星形中性点联线上出现三次谐波的环流，并通过互感器反应到保护中去，为此采用了三次谐波过滤器，以滤掉三次谐波电流。,第三节发电机的单相接地保护,发电机是电力系统中非常贵重和重要的电气设备，定子绕组中性点一般不直接接地，而是通过高阻接地、消弧接地、或不接地，发电机的定子绕组都设计为全绝缘。尽管如此，发电机定子绕组仍可能由于老化绝缘降低、或者过电压冲击、或者机械震动等原因发生单相接地和短路故障。由于发电机定子单相接地并不会引起大的短路电流，不属于短路性故障。,发电机的外壳都是接地的，因此，定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍，当接地电流比较大时，能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁芯烧坏，并且也容易发展成相间短路，造成更大危害。我国规定：,当接地电容电流等于或大于时，就装设动作于跳闸的接地保护，当接地电流小于时，就装设作用于信号的接地保护。,一、定子绕组单相接地特点,发电机其中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，故当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络对地电容电流之总和；不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。,假设相接地发生在定子绕组距中心点,处，,表示由中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数，则故障点处各相电势为,E,A,，E,B,，E,C,，,故障点处各相对地电压分别为,：,C B A,LH,0,发电机机端电流互感器,D,（,a）,三相网络接线,C B A,LH,0,发电机机端电流互感器,E,B,E,C,E,A,d,D,（,a）,三相网络接线,故障点各相对地电压,C B A,LH,0,发电机机端电流互感器,D,（,a）,三相网络接线,C B A,LH,0,发电机机端电流互感器,E,B,E,C,E,A,d,D,（,a）,三相网络接线,因此，故障点处的零序电压为：,上式说明故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而不同。,of,发电机每相的对地电容，,ol,为发电机以外电压网络每相的对地电容，即可求出发电机的零序电容电流和网络的零序电容电流分别为：,则故障点总的接地电流即为：,C,ol,C,of,LH,0,U,d,0,(b),零序等效网络,其有效值为 ，,为发电机的相电势。常用发电机网络的平均额定相电压,U,代替，即,流经故障点的接地电流也与,成正比，故当故障点位于发电机出线端子附近时，,1，,接地电流为最大，其值为：,当发电机内部单相接地时，无法直接获得故障点的零序电压,U,d0(),，,而只能借助于机端的电压互感器来测量，当忽略各相电流在发电机内阻抗上的压降时，机端各相的对地电压应分别为：,由此可求得机端零序电压：,其值与故障点处零序电压相等！,O,二、利用零序电流构成的定子接地保护,当绕组内部离中性点,处发生单相接地时,，,流过机端电流互感器,LH,0,的,零序电流为：,零序电流分布,C,ol,C,of,LH,0,(a),发电机内部故障,即流过发电机以外的其它各元件每相对地电容电流,C,ol,(b),发电机以外电压网络接地,C,of,LH,0,在发电机外部单相接地时，流过,LH,0,的零序电流为：,即流过,0,f,的电流。,发电机零序电流保护整定值的选择原则,躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流，以及由于零序电流互感器一次侧三根导线排列不对称，而在二次侧引起的不平衡电流,保护装置的一次动作电流应小于规定的发电机单相接地允许值（表7-1）,为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地保护误动，应在相间保护动作时将接地保护闭锁,保护装置一般带有12,s,的时限，以躲开外部单相接地瞬间，发电机暂态电容电流的影响,发电机额定电压,(,kV),发电机额定容量,(,MW),接地电流允许值,(,A),6.3,U,3,过滤器,因此，发电机内部单相接地的信号装置一般是反应于零序电压而动作。,过电压继电器接于发电机机端电压互感器二次侧接成开口三角的输出电压上。,A,B,C,m,n,a,0,d,U,0.5,0.5,0,1.0,1.0,a,发电机电压系统中三相对地绝缘不一致及主变高压侧发生接地故障时由变压器高压侧传递到发电机系统的零序电压。,故障点位置与机端零序电压之间的关系,影响,Uomax,的因素主要有：,发电机的三次谐波电势、机端三相,TV,各相间的变比误差（主要是,TV,一次绕组对二次绕组之间的变比误差,）、,由于发电机正常运行时，相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高低绕组之间有电容存在，在发电机机端也会产生零序电压。因此，为了保证选择性，,保护要具有三次谐波滤除功能，并且整定时要躲过正常运行时的不平衡电压以及变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。,反应零序电压的保护装置的整定值应考虑躲开：,在正常运行时：,A、,发电机相电压中含有三次谐波电势,B、,当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高、低压绕组之间有电容存在，而在发电机端也会产生零序电压,发电机变压器组零序电压保护整定原则：,为保证动作的选择性，保护装置的整定值就应满足：,应躲开正常运行时的不平衡电压（包括三次谐波电压）,应躲开变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压,根据运行经验，继电器的起动电压一般整定为1530,V,左右（二次侧）,发电机变压器组零序电压保护,发电机零序电压的单相接地保护为何有死区？如何提高保护灵敏性？,按照上述条件整定，由于整定值较高，故当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而会出现死区。为减小死区，可采取如下措施：,加装三次谐波过滤器（整定时不考虑三次谐波电压的影响）,对于高压侧中性点直接接地的电网，利用保护装置的延时来躲开高压侧的接地故障（动作延时，由高压侧线路的零序保护先动作切除故障点，发电机接地保护延时动作）,在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧的零序电压将发电机接地保护闭锁或利用它对保护实现制动（采取上述措施后，动作电压可整定在10,V,左右，其保护范围相应可达90%左右）,总结：利用零序电流和零序电压的接地保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围。,对大容量的机组为什么应装设能反应100%定子绕组的接地保护？,因为对大容量机组来说，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水（指水内冷的发电机）等原因，都可能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障，若这种故障不能及时发现，则一种可能是进一步发展成匝间或相间短路，另一种可能是如果又在其它地点发生接地，则形成两点接地短路，这两种结果都会造成发电机的严重损坏。,100%定子接地保护装置一般由两部分组成：,第一部分,是零序电压保护，它能保护定子绕组的85%以上。,15%,以上的单相接地,第二部分,保护则用来消除零序电压保护不能保护的死区，为提高可靠性，两部分保护区应相互重迭。,构成第二部分保护的方案主要有：,发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压的1015%。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大故障点的电流（1025,A,左右）接地保护即反应于这个电流动作，使发电机跳闸。,附加直流或低频（20,Hz,或25,Hz）,电源，通过发电机端的电压互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子绕组发生接地时，保护装置将反应于注入电流的增大而动作。,双频式保护,基波零序电压保护,次谐波电压保护,利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点和机端侧三次谐波电压比值的变化或比值和方向的变化，来作为保护动作的判据。,由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电势除基波分量外，还含有高次谐波分量。其中三次谐波电势在线电势中可以将它消除，但在相电势中依然存在，因此，每台发电机总有约百分之几的三次谐波电势。设以,E,3,表示。,1.利用零序电压和三次谐波电压构成的,100,定子单相接地保护,N,S,C,0f,/2,C,0f,/2,C,0s,E,3,U,N3,U,S3,I,03,把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点,N,和机端,S，,每端各为,C,0f,/2，,并将发电机以外的每相对地电容,C,0s,也等效地放在机端。由此即可求出中性点及机端的三次谐波电压分别为：,U,N3,=,C,0f,+2C,0s,2(C,0f,+C,0s,),E,3,中性点三次谐波电压,U,S3,=,C,0f,2(C,0f,+C,0s,),E,3,机端三次谐波电压,机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比为：,U,S3,U,N3,=,C,0f,C,0f,+2C,0s,1,由此可见：,在正常运行时，中性点侧三次谐波电压,U,N3,总是大于,机端三次谐波电压,U,S3。,当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地发生在距中性点,处，此时恒有：,U,N3,=,E,3,U,S3,=（1-,）E,3,U,S3,U,N3,=,1-,当,U,N3,因此，利用机端三次谐波电压,U,S3,作为动作量，而用中性点侧三次谐波电压,U,N3,作为制动量来构成接地保护，则在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发生接地时，具有很高的灵敏性。可以反应定子绕组中性点侧约50%范围以内的接地故障。,2.利用零序电压和叠加电源方式构成的,100,定子单相接地保护,附加直流电源,保护的基本原理，将直流电压持续地注入到发电机定子绕组进行对地检测。正常时，定子绕组对地绝缘电阻很高，直流电流非常微小，当定子绕组对地绝缘下降或是发生接地故障时，直流电流增大，保护装置就利用直流电流工作。,该保护方式的突出优点是简单灵敏，能够反映定子绕组中任一点的接地故障；主要缺点是,YH,一次侧的中性点不能直接接地，因而，,YH,就不能再用来测量相对地电压。同时，对于中性点经消弧线圈接地的发电机也不适用。,第四节发电机的负序过电流保护,一、负序过电流保护的作用,当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下，三相负荷不平衡时，在发电机定子绕组中将出现负序电流，此电流在发电机空气隙中建立的负序旋转磁场相对转子为两倍的同步转速。因此将在转子绕组，阻尼绕组以及转子铁芯等部件上感应于100,Hz,的倍频电流，该电流使得转子密度很大的某些,部位（如转子端部、护环内表面等），可能出现局部灼伤，甚至可能使护环受热松脱，从而导致发电机的重大事故，另外，负序气隙旋转磁场与转子电流之间以及正序气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的100,Hz,交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定子基座上，从而引起100,Hz,的振动,。,负序电流在转子中所引起的发热量，正比于负序电流的平方及所持续时间的乘积，假设发电机转子为绝热体，则使转子不过热所允许的负序电流和时间的关系可表示为：,其中：,i,2,流经发电机的负序电流值,I,2,2,*,在时间,t,内,I,2,2,的平均值,A,与发电机形式和冷却方式有关的常数,ti,2,所持续的时间,凸极式发电机或调相机取=40；空气或氢气表面冷却的隐极式取=30；100300,MW,导线直接冷却的汽轮发电机取=615；发电机组容量越大，允许承受负序过负荷能力越低,。,装设发电机负序过电流保护是对定子绕组电流不平衡而引起转子过热的一种保护，它是发电机的主保护方式之一。（同时也作为相邻元件不对称短路的后备保护）,由于大容量机组的额定电流很大，而在相邻元件末端发生两相短路时的短路电流可能较小，此时采用复合电压起动的过电流保护往往不能满足作为相邻元件后备保护时对灵敏系数的要求。在这种情况下，采用负序电流作为后备保护，就可以提高不对称短路时的灵敏性。由于负序过电流保护不能反应于三相短路，因此，当用它作为后备保护时，还需要附加装一个单相式的低电压起动过电流保护，以专门反应三相短路,二、负序定时限过电流保护,t,过,滤器,t,a,b,c,LH,1,2,3,4,5,6,7,信号,具有较大的整定值,不对称过负荷信号,单相式低电压起动的过电流保护,工作原理,负序电流过滤器的输出接电流继电器,和,，其中,4,具有较大的整定值经时间继电器,6,延时后动作于发电机跳闸,作为防止转子过热和后备保护用,.,3,具有较小的整定值，当负序电流超过发电机的长期允许值时，经时间继电器,延时后发出发电机的不对称过负荷信号。,由接于相电流上的过电流继电器,和接于线电压上的低电压继电器,组成单相式的低电压启动的过电流保护，以专门反应三相对称短路，其与负序过电流保护并联工作，也经,延时后动作于跳闸。,整定原则,对过负荷的信号部分，其整定值应按照躲开发电机长期允许的负序电流值和最大负荷下负序过滤器的最大不平衡电流来确定，汽轮发电机的长期允许负序电流为6%8%（,I,ef,）,的额定电流，水轮发电机的长期允许电流为12%额定电流。,动作时限则应保证在外部不对称短路时动作的选择性，一般取510,s,故一般取,2.,dz,=0.1,e.f,对动作于跳闸保护部分，其整定值应按照发电机短时间允许的负序电流来整定。由，给出一个计算,时间,t,js,且在,t,js,内值班员有可能采取措施消除负序电流的运行方式，一般取,t,js,=120s,，,则,对表面冷却的发电机组,A=3040，,则,2.,dz,=(0.50.6),e.f,发电机的负序电流保护的灵敏系数应较变压器的为低，引入配合系数,ph,，,则发电机负序过电流保护的起动电流应为：,K,ph,配合系数取1.1,2.,js,在进行计算的运行方式下，发生外部故障且流过升压变压器的负序短路电流正好与其负序电流保护的起动电流相等时，流过被保护发电机的负序短路电流,保护的动作时限仍按后备保护原则逐级配合，取,t=35s,特点：,两段式负序定时限过电流保护动作特性与发电机允许电流曲线不能很好地配合，另外，也不能反应负序电流变化时发电机转子的热积累过程。（负序电流连续升降，时间继电器来不及动作）,三、负序反时限过电流保护,保护装置的动作特性可表示为：,即：,其中,与转子的温升特性,温升程度等因素有关的常数,意义：,发电机允许负序电流的特性是在绝热的条件下给出的，实际上考虑转子的散热条件后，对于同一时间内所允许的负序电流值要比的计算值略高，故引入后面的一项,t。,&,1,减法器,t,1,0,过负荷信号,t,2,A,值整定回路,反时限跳闸,&,电平桥测器,&1开放反时限部分的计数回路，允许运算回路的输出按工作,&2开放反时限部分的跳闸回路，以防止由于保护装置内部元件损坏造成误动作,起动回路动作后，延时,t,1,发出过负荷信号，并打开与门和,第五节发电机的失磁保护,一、发电机的失磁运行及其产生的影响,发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。,引起失磁的原因：,转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。,特点：,当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零，由于发电机的感应电势,E,d,随着励磁电流的减少而减少，因此，其电磁转矩也将小于原动机的转矩，因而引起转子加速，使发电机的功角,增大，当,超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步。发电机失磁后将从并列运行的电力系统中吸取电感性无功功率供给转子励磁电流，,在定子绕组中感应电势，在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出,f,f,-,f,s,的电流（,f,f,为对应发电机转速的频率，,f,s,为系统的频率）此电流产生异步制动转矩，当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。,X,1,为定子绕组漏抗；,X,为转子绕组漏抗；,为转子绕组电阻；,s,为转差率（）;,异步发电机的等效电路图,d,为定子与转子绕组 之间的互感电抗；,为反映发电机功率大小的等效电阻；,当发电机失磁后而异步运行时，将对电力系统和发电机产生以下影响：,需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。假设失磁前发电机向系统送出无功功率,，而在失磁后从系统吸收无功功率,，则系统中将出现,的无功功率差额。,由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，若电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压器高压侧的母线电压、或其它邻近点的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。,由于失磁发电机吸收了大量的无功功率，为防止其定子绕组的过电流,发电机所能发出的有功功率将较同步运行时有不同程度的降低，吸收的无功功率越大，则降低的越多。,失磁后的发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生频率为,f,f,-,f,s,交流电流，因而形成附加的损耗，使发电机转子和励磁回路过热，当转差率越大时，引起的过热就越严重。,因此，需要在发电机上装设失磁保护，以便及时发现失磁故障，采取措施，保障电力系统和发电机的安全。,二、发电机失磁后的机端测量阻抗,以汽轮发电机经一联络线与一无穷大系统并列运行为例：,等值电路,向量图,其中,为发电机的同步电势；,为发电机端的相电压；,为无穷大系统的相电压；,为发电机的定子电流；,为发电机的同步电抗；,为发电机与系统之间的联系电抗；,根据电机学分析，发电机送到受端的功率,W=P-,jQ,分别为：,正常运行时,90,后发电机失步。,发电机从失磁开始到进入稳态异步运行，一般分为三个阶段：,失磁后到失步前,在失磁后到失步前的阶段中，转子电流逐渐衰减，,d,随之减少，发电机的电磁功率开始减小，由于原动机所供给的机械功率还来不及减小，于是转子逐渐加速，使之间的功角,随之增大，又要回升。在这一阶段中，,sin,的增大与,d,的减小相补偿，,基本上保持了电磁功率不变。,同时无功功率将随着,d,的减小和,的增大而迅速减小，由公式,计算的值将由正变负，即发电机变为吸收无功。在这一阶段中，发电机端的测量阻抗为：,其中,U,S,、,X,S,和,P,为常数，而,Q,和,为变数，,故它是一个圆的方程式，其圆心,（，,Xs,）,半径为 。由于这个圆是在某一定有功,功率不变条件下做出的，故称等有功阻抗圆。,机端测量阻抗的轨迹与,P,有密切关系，对应不同的,P,值有不同的阻抗圆，且,P,越大时圆的直径越小。,发电机失磁以前，向系统送出无功功率，,角由正值变为负值，因此测量阻抗也沿着圆周随之由第一象限过渡到第四象限。,2,临界失步点,对汽轮发电机组，当,=90,时，发电机处于失去静稳定的临界状态，故称为临界失步点。此时输送到受端的无功功率为,Q=,式中,Q,为负值，表明临界失步时，发电机自系统吸收无功功率，且为一常数，故临界失步点也称为等无功点。此时机端的测量阻抗为:,将,代入并化简后可得：,Q=,由（,7-30,）式可知，发电机在输出不同的有功功率,P,而临界失步时，其无功功率,Q,恒为常数。因此，在（,7-31,）式中，,为变数，也是一个圆的方程，圆心,0,的坐标为（,0,，），圆的半径为 。这个圆称为临界失,步阻抗圆，也称等无功阻抗圆。其圆周为发电机以不同的有功功率,P,临界失步时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为失步区。,3,失步后的异步运行阶段,失步后的异步运行阶段可用图,7-23,所示的等效电路来表示，此时按图,7-24,所规定的电流正方向，机端测量阻抗应为,当发电机空载运行失磁时，,S,0,，,此时机端的测量阻抗为最大,当发电机在其他运行方式下失磁时，,Z,f,将随着转差率的增大而减小，并位于第四象限内。极限情况是当,f,f,时,S,-,，,趋近于零，,Z,f,的数值为最小：,综上所述，当一台发电机失磁前在过激状态下运行时，其机端测量阻抗位于复数平面的第一象限（如图,7-27,中的,a,或,a,点），失磁以后，测量阻抗沿等有功阻抗圆向第四象限移动。当它与临界步圆相交时（,b,或,b,点），表时机组运行处于静稳定的极限。越过,b,（,或,b,）,点以后，转入异步运行，最后稳定运行于,c,（,或,c,）,点，此时平均异步功率与调节后的原动机输入功率相平衡。,三、发电机在其它运行方式下的机端测量阻抗,为了便于和失磁情况下的机端测量阻抗（如图,7-28,中的,4,点）进行鉴别和比较，现对发电机在下列几种运行情况下的机端测量阻抗简要说明如下。,1,发电机正常运行时的机端测量阻抗,当发电机向外输送有功和无功功率时，其机端测量阻抗,Z,f,位于第一象限，如图,7-28,中的,1,点所示，它与,R,轴的夹角,为发电机运行时的功率因数角。,当发电机只输出有功功率时，测量阻抗位于,R,轴上的,2,点。,当发电机欠激运行时，它向外输送有功，同时从电网吸收一部分无功功率（,Q,值变为负），但仍保持同步并列运行，此时，测量阻抗位于第四象限的,3,点。,2,发电机外部故障时的机端测量阻抗,当采用,0,接线方式时，故障相测量阻抗位于第一象限，其大小和相位正比于短路点到保护安装地点之间的阻抗,Z,d,，,如图,7-28,中的,5,点。如继电器接于非故障相，则测量阻抗的大小和相位需经具体分析后确定。,3,发电机与系统间发生振荡时的机端测量阻抗,根据图,7-24,的等值电路，当认为,E,d,U,S,时，振荡中心位于,X,处。当,X,S,0,时，振荡中心即位于,X,d,处，此时机端测量阻抗的轨迹沿直线,00,变化，如图,7-29,所示，当,=180,时，测量阻抗的最小值为,4,发电机自同步并列时的机端测量阻抗,在发电机接近于额定转速，不加励磁而投入断路器的瞬间，与发电机空载运行时发生失磁的情况实质上是一样的。但由于自同步并列的方式是在断路器投入后立即给发电机加上励磁，因此，发电机无励磁运行的时间极短。对此情况，应该采取措施防止失磁保护的误动作。,四、失磁保护的构成方式,失磁保护应能正确反应发电机的失磁故障，而在发电机外部故障、电力系统振荡、发电机自同步并列以及发电机低励磁（同步）运行时不误动作。,1.利用自动灭磁开关联锁跳开发电机断路器,过去发电机失磁保护都是采用这种方式。但实际上发电机失磁并不都是由于自动灭磁开关跳开而引起的，特别是当采用半导体励磁系统时，由于半导体元件或回路的故障而引起发电机失磁是可能的，而在这种情况下保护将不能动作。因此这种保护方式一般用于容量在,100,MW,以下带直流励磁机的水轮发电机以及不允许失磁运行的汽轮发电机上。,2,利用失磁后发电机定子各参数变化的特点构成失磁保护,这种方式的保护所反应的发电机定子参数的变化如：,机端测量阻抗由第一象限进入第四象限，无功功率改变方向，机端电压下降，功角,增大，励磁电压降低等。,目前对容量在,100,MW,及以上的发电机和采用半导体励磁的发电机，普遍增设了这种方式的保护。,（,1,）图,7-30,所示为汽轮发电机失磁保护装置（动作于跳闸）的一种构成方式。图中阻抗元件,Z,是失磁故障的主要判别元件，可按临界失步阻抗圆进行整定；母线低电压元件（,U,f,）,用以监视母线电压，按保证电力系统安全运行所允许的最低电压整定，是失磁故障的另一个主要判别元件；励磁低电压元件（,Ufd,）,用作闭锁元件，一般按躲开空载运行时的最低励磁电压整定，但应考虑在满载运行情况下部分失磁时，继电器可能拒动。,当发电机失磁时，阻抗元件和励磁低电压元件动作，起动与,2,门，立即发电机已失步的信号，并经,t,2,延时后，通过或门动作于跳闸。延时,t,2,用以躲开振荡过程中的短时间电压降低或自同步并列时的影响，一般取为,0.5,1,s,。,由于有,U,fd,元件的闭锁，因此在短路故障以及电压互感器回路断线时，与,1,和与,2,都不可能起动，因而保护装置不会误动作。当电压互感器回路断线时，,U,f,或,Z,误动作后，均可发出电压回路断线信号。当励磁回路电压降低时，,U,fd,动作，发出信号。,（,2,）图,7-31,所示为一种新型的、整定值能自动随有功功率,P,变化的转子低电压失磁继电器（简称,U,L,-P,继电器）作主要判据而构成失磁保护的方案。,U,L,-P,继电器的主要特点是它的整定值随着发电机有功功率的增大而增大，从而可以灵敏地反应发电机在各种负荷状态下的失磁故障，当失磁后励磁电压降低到整定值时（此时尚未失步，而是预告了必须要失步），它可以比静稳边界提前约,1,s,的时间动作，使发电机减载，从而更容易获得减载的效益，例如恢复同步或者进入较小转差率下的异步运行。,继电器动作后，经,t,1,延时,0.2,s,使发电机减载。当达到静稳边界时，反应定子判据的阻抗元件,Z,动作、两者组成与门后可使发电机跳闸。在发电机失磁、,越过,180,之后，保护装置可靠动作，增设了,t,2,延时返回（或记忆）的电路。,第七章习题,1,、发电机应装设哪些反应故障的保护？,2、,发电机可能发生哪些不正常工作状态？,3、反应零序电压的定子绕组单相接地保护为什么有死区？如何提高保护的灵敏性，减少死区？,4、单继电器横差保护用在什么样的发电机上？试说明其工作原理，它能否反应定子绕组相间短路？,5、对大容量机组为什么应装设能反应100%定子绕组的接地保护？双频式保护是如何实现100%保护范围的？,6、有哪些判据可反应发电机的失磁运行？发电机失磁后将产生哪些危害？这些危害主要发生在异步运行前还是异步运行后？,7、,发电机变压器组中发电机单机接地保护有何特点？一般采用什么原理的保护方式？,