1、第八章 發(fā)電機(jī)保護(hù),第一節(jié) 發(fā)電機(jī)的故障、不正常運(yùn)行狀態(tài)和其它情況及其相應(yīng)的保護(hù)方式 第二節(jié) 發(fā)電機(jī)的縱差動(dòng)保護(hù)和橫差保護(hù) 第三節(jié) 發(fā)電機(jī)定子繞組的單相接地保護(hù) 第四節(jié) 發(fā)電機(jī)的負(fù)序過電流保護(hù) 第五節(jié) 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù) 第六節(jié) 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路接地保護(hù),第一節(jié) 發(fā)電機(jī)的故障類型、不正常運(yùn)行狀態(tài)及其相應(yīng)的保護(hù)方式,一. 故障 1）定子繞組相間短路 保護(hù)方式 2）定子一相繞組內(nèi)的匝間短路 保護(hù)方式 3）定子繞組單相接地 保護(hù)方式 4）轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地或兩點(diǎn)接地 保護(hù)方式 5）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路勵(lì)磁電流異常下降或完全消失 保護(hù)方式,二.不正常運(yùn)行狀態(tài)及其保護(hù)方式,1）由于外部短路引起的定子繞組過電流 保護(hù)方式

2、 2）由于負(fù)荷超過發(fā)電機(jī)的額定容量而引起的三相對稱過負(fù)荷 保護(hù)方式 3）由于外部不對稱短路或不對稱負(fù)荷而引起的發(fā)電機(jī)負(fù)序過電流和過負(fù)荷 保護(hù)方式 4）由于突然甩負(fù)荷而引起的定子繞組過電壓 保護(hù)方式 5）由于勵(lì)磁回路故障或強(qiáng)勵(lì)時(shí)間過長而引起的轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷 保護(hù)方式 6）由于汽輪機(jī)主汽門突然關(guān)閉引起的發(fā)電機(jī)逆功率 保護(hù)方式,電力系統(tǒng)振蕩對300MW機(jī)組上，宜裝設(shè)失步保護(hù) 汽輪機(jī)低頻運(yùn)行可裝設(shè)低頻保護(hù) 水冷發(fā)電機(jī)斷水可裝設(shè)斷水保護(hù),三.其它情況,第二節(jié) 發(fā)電機(jī)的縱差動(dòng)保護(hù)和橫差動(dòng)保護(hù),比率制動(dòng)式縱差保護(hù) 標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù) 不完全縱差保護(hù) 橫（聯(lián)）差（動(dòng)）保護(hù) 綜合差動(dòng)保護(hù) 不同發(fā)電機(jī)組應(yīng)有不同的

3、主保護(hù)配置方案 結(jié)論,第二節(jié) 發(fā)電機(jī)的縱差動(dòng)保護(hù)和橫差動(dòng)保護(hù),一、比率制動(dòng)式縱差保護(hù) （一）發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)的基本原理與計(jì)算 縱（聯(lián)）差（動(dòng)）保護(hù)是比較被保護(hù)設(shè)備各引出端電氣量（例如電流）大小和相位的一種保護(hù)。 設(shè)被保護(hù)設(shè)備有n個(gè)引出端，各個(gè)端子的電流相量如圖8-1所示， 定義流入被保護(hù)設(shè)備為電流正向，則當(dāng)被保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行或外部短路時(shí)，一次電流恒有,當(dāng)被保護(hù)設(shè)備本身發(fā)生相間短路時(shí)，設(shè)短路電流為 ，則有 由此可見，以被保護(hù)設(shè)備諸端子電流 的相量和 為動(dòng)作參數(shù)的電流繼電器，,在被保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行或外部發(fā)生各種短路時(shí)，該繼電器中理論上沒有動(dòng)作電流，保護(hù)可靠不誤動(dòng)；當(dāng)被保護(hù)設(shè)備本身發(fā)生相間短路時(shí)，巨

4、大的短路電流全部流入該繼電器，保護(hù)靈敏動(dòng)作。這就是縱差保護(hù)的基本原理，它只反映被保護(hù)設(shè)備本身的相間短路，理論上與外部短路無關(guān)，當(dāng)然也就可以用最快速度、高靈敏地切除被保護(hù)設(shè)備本身的相間短路，但對與之相鄰的其他設(shè)備短路不能有后備保護(hù)作用。 一次電流 必須經(jīng)電流互感器（TA）才能引入電流繼電器，設(shè)互感器的電流變比為 ，正常運(yùn)行或外部短路電流經(jīng)互感器傳變后，由于互感器的誤差（主要是飽和影響），雖然式（8-1）成立，但各二次電流 的相量和 ，此即不平衡電流 ，,實(shí)際工程計(jì)算： 式中Ik.max外部最大短路電流（周期性分量）； fi電流互感器幅值誤差，工程中要求不大于10%,故取fi=0.1； Kss 電

5、流互感器的同型系數(shù)，發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)用互感器是同一型號的，取Kss =0.5； kaper非周期分量影響系數(shù)，考慮外部短路暫態(tài)非周期分量電流對互感器飽和的影響，一般取kaper為1.52.0。 為防止縱差保護(hù)在外部短路時(shí)誤動(dòng)，繼電器動(dòng)作電流 應(yīng)躲過不平衡電流 ，即 式中Krel可靠系數(shù)， Krel取1.31.5。,在整定計(jì)算動(dòng)作電流時(shí)， 應(yīng)采用機(jī)端三相短路次暫態(tài)工頻電流，設(shè) ，則 取 ， ， ， ，nTA=1 則用標(biāo)幺值表示的動(dòng)作電流為 該保護(hù)在縱差保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生機(jī)端兩相金屬性短路（電流為 ）時(shí)，保護(hù)靈敏度為,從表面上看，發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)靈敏度很高，實(shí)際上發(fā)電機(jī)定子繞組中性點(diǎn)附近發(fā)生短路時(shí)，若短路匝

6、數(shù)很少，特別是經(jīng)過過渡電阻短路時(shí)，流入縱差保護(hù)的電流并不大，保護(hù)存在動(dòng)作死區(qū)。因此在確保外部短路不誤動(dòng)的前提下，盡量減小縱差保護(hù)的動(dòng)作電流。,（二）比率制動(dòng)式縱差保護(hù)的基本原理 縱差保護(hù)動(dòng)作電流 按式（8-4）計(jì)算，其值較大，有可能在發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路時(shí)拒動(dòng)。式（8-4）是在最大外部電流 下以保護(hù)不誤動(dòng)為條件來整定計(jì)算動(dòng)作電流的，當(dāng)外部短路電流小于 時(shí)，縱差保護(hù)動(dòng)作電流可以比式（8-4）的計(jì)算值小些，仍可保證不誤動(dòng)。因此，可以考慮讓 隨外部短路電流增大而增大。,（二）比率制動(dòng)式縱差保護(hù)的基本原理,如圖8-2所示，發(fā)電機(jī)每相首末兩端電流各為 和 ，縱差保護(hù)繼電器的差動(dòng)線圈匝數(shù)為Nd，制動(dòng)線圈匝數(shù)

7、為Nres.1和Nres.2，若有 差動(dòng)繼電器的動(dòng)作安匝為 制動(dòng)安匝為,差動(dòng)電流 制動(dòng)電流 當(dāng)發(fā)電機(jī)本身無故障，機(jī)外（縱差保護(hù)區(qū)外）發(fā)生短路時(shí)， ， ， ，制動(dòng)電流很大，差動(dòng)電流理論上為零，保護(hù)可靠制動(dòng)。外部短路電流Ik越大，制動(dòng)電流Ires越大，而差動(dòng)電流僅為不平衡電流Iunb，后者由式(8-3)決定。既然繼電器制動(dòng)電流Ires隨外部短路電流線性增大，縱差保護(hù)的動(dòng)作電流Ik.act也就隨外部短路電流相應(yīng)增大，如圖8-3所示， Ik.act隨外部短路電流Ik增大而增大的性能，通常稱為“比率制動(dòng)特性”（折線BC）。,當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，各相電流不大于互感器一次額定電流I1N，這時(shí)縱差保護(hù)的不平衡

8、電流Iunb很小，完全不需要比率制動(dòng)特性，只用最小動(dòng)作電流 即可避越負(fù)荷狀態(tài)下的不平衡電流，如圖8-3中的水平線AB。,(三）發(fā)電機(jī)比率制動(dòng)式縱差保護(hù)的整定計(jì)算,需要整定計(jì)算的是圖8-3中的A、B、C三點(diǎn)。 1、最小動(dòng)作電流 （A點(diǎn)） A點(diǎn)整定原則是保證最大負(fù)荷狀態(tài)下保護(hù)不誤動(dòng)。如前所述，在額定負(fù)荷電流下，5P級互感器的幅值誤差為1%，設(shè)一個(gè)互感器幅值誤差為1%，另一個(gè)為1%，負(fù)荷狀態(tài)下不平衡電流不大于2%，考慮可靠系數(shù)為2，可取 10P級互感器幅值誤差為3%，可取 所以選取以下定值是充分安全的：,2、比率制動(dòng)特性起始點(diǎn)（拐點(diǎn)）B 圖8-3中B點(diǎn)橫坐標(biāo)電流 應(yīng)小于或等于發(fā)電機(jī)額定電流IN.G的

9、二次值，當(dāng)外部短路電流Ik大于ING時(shí)，繼電器呈現(xiàn)比率制動(dòng)特性， Ik越大，保護(hù)的動(dòng)作電流 就越大。關(guān)系式為,3、最大外部短路電流 下的C點(diǎn) 在 下，縱差保護(hù)的最大不平衡電流由式(8-3)決定，即圖8-3中的D點(diǎn)，保護(hù)的最大動(dòng)作電流，可按式(8-4)計(jì)算，即C點(diǎn)。 可用最大制動(dòng)系數(shù) 確定C點(diǎn)，按定義有 若取 ， ， ， ，則有 注意事項(xiàng)：在采用不考慮暫態(tài)特性的P級TA時(shí)，特別是兩側(cè)TA的二次負(fù)荷不均衡時(shí)，采取非周期系數(shù)Kaper=1.52.0不能認(rèn)為已具有足夠的避越暫態(tài)不平衡電流的能力，定值整定計(jì)算時(shí)宜適當(dāng)取較大值。,例如取制動(dòng)特性直線的斜率m為0.25。以 ， ， ,m0.25，則 有 因此

10、 而按式(8-9)可得 所以選取斜率m =0.25，相當(dāng)于將最大制動(dòng)系數(shù)由0.15提高到 提高最大制動(dòng)系數(shù)可為躲開暫態(tài)不平衡電流創(chuàng)造有利條件。,為了正確整定發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的比率制動(dòng)特性，必須建立兩個(gè)基本概念，即： （1）外部短路使縱差保護(hù)因互感器引起的不平衡電流Iunb與外部短路電流Ik的關(guān)系應(yīng)是圖8-3中的曲線OED，而不是虛直線OD, OD虛線反映的是不平衡電流隨外部短路電流線性增大，這是不真實(shí)的。比率制動(dòng)特性ABC雖與直線OD相交，但它完全位于OED曲線之上，不會(huì)因外部短路而誤動(dòng)。 （2）最大制動(dòng)系數(shù) 只在最大外部短路電流 下是必需的，當(dāng) 時(shí)，Kres可以小于 。若不平衡電流完全由互感器

11、產(chǎn)生，則比率制動(dòng)特性只要滿足在最大外部短路電流下的 和最大負(fù)荷狀態(tài)的 ,縱差保護(hù)就一定不會(huì)誤動(dòng)。,二、標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù),標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù)與比率制動(dòng)式縱差保護(hù)非常接近, 具有更高靈敏度，但也只能反應(yīng)相間短路而不能反應(yīng)匝間短路，它由兩側(cè)電流 和 （見圖8-2）組成動(dòng)作電流和制動(dòng)電流： 動(dòng)作電流 (8-10) 制動(dòng)電流 （8-11） 式中 為 和 的相位差，外部短路時(shí) ，內(nèi)部短路時(shí)大多數(shù)情況下有 （由于定子繞組故障部分與非故障部分間的互感作用產(chǎn)生互感電動(dòng)勢，有時(shí)發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部短路存在 即有外部短路的相位特征）。,外部短路時(shí)， 或 ，很大，而Ik僅為不大的不平衡電流，保護(hù)可靠制動(dòng)。 內(nèi)部短路時(shí)

12、，大多數(shù)情況下cos0、I1/ING、 I2/ING 、 Ires/ING均大于1.5 時(shí)，保護(hù)的動(dòng)作特性由直線CE 決定，此時(shí) Ikact，保護(hù)可靠 不誤動(dòng)。外部短路且兩側(cè)電流達(dá) 到1.5ING時(shí)，TA遠(yuǎn)未飽和，不平 衡電流一定不大，不可能誤動(dòng)。 因此圖8-4的標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù) 用電流互感器只要求采用5P或 10P，就能滿足外部暫態(tài)過程中 不發(fā)生誤動(dòng)的要求。,三、不完全縱差保護(hù),不完全縱差保護(hù)可能同時(shí)對相間短路、匝間短路和定子繞組開焊故障起保護(hù)作用 . （一）傳統(tǒng)（完全）縱差保護(hù)不反應(yīng)匝間短路和開焊故障的原因 如圖8-2所示，利用發(fā)電機(jī)每相首末兩端定子全相電流 和 構(gòu)成的傳統(tǒng)（完全）縱差保

13、護(hù)，當(dāng)發(fā)生匝間短路或分支開焊時(shí)，兩端電流 不管機(jī)內(nèi)故障電流多么大，傳統(tǒng)縱差保護(hù)將毫無反應(yīng)。,（二）汽輪發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù),如圖8-5所示，通常大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組為每相兩并聯(lián)分支（中型水輪發(fā)電機(jī)也有這種情況），中性點(diǎn)側(cè)引出6個(gè)或4個(gè)端子，因?yàn)門A2只引入部分相電流，所以互感器TA1和TA2構(gòu)成不完全縱差保護(hù)，當(dāng)然TA1和TA2的變比是不相同的，使正常運(yùn)行或外部短路時(shí)的差動(dòng)回路不平衡電流很小。,不完全縱差保護(hù)之所以能反應(yīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部各種短路和開焊故障，是由于三相定子繞組分布在同一定子鐵心上，不同相間和不同匝間存在或大或小的互感聯(lián)系。當(dāng)未裝設(shè)互感器的定子分支繞組發(fā)生故障時(shí)，通過互感磁通可以在裝設(shè)

14、互感器的非故障定子分支中感受到故障的發(fā)生，使不完全縱差保護(hù)動(dòng)作。理論分析和試驗(yàn)研究均證明該保護(hù)原理的正確性。 這種不完全縱差保護(hù)的整定計(jì)算與傳統(tǒng)縱差保護(hù)幾乎一樣，僅僅是電流互感器的同型系數(shù)不再是0.5而改取為1.0（因變比不同而不再同型），比率制動(dòng)特性可取: 一般可取為0.20.3。,四、橫（聯(lián)）差（動(dòng)）保護(hù),橫（聯(lián)）差（動(dòng)）保護(hù)是將定子繞組分成幾部分，比較不同部分分支繞組電流，稱為橫差保護(hù)，包括裂相橫差保護(hù)和零序電流型橫差保護(hù)。 1、裂相橫差保護(hù) 2、零序電流型橫差保護(hù),1、裂相橫差保護(hù),圖8-6（a）示出裂相橫差保護(hù)的單相原理圖，圖中汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組每相有兩個(gè)并聯(lián)分支，每一分支均裝設(shè)電流

15、互感器，一相兩分支互感器二次繞組的異極性端相接，差流引至電流繼電器KA。,當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行或外部短路時(shí)有 當(dāng)定子繞組發(fā)生不同相的分支間短路（相間短路）、同相不同分支間或同相同分支間短路（匝間短路）以及分支繞組開焊故障時(shí)，同相兩分支的平衡被破壞， 繼電器KA動(dòng)作。,對于每相并聯(lián)分支數(shù)a大于2的水輪發(fā)電機(jī)，例如圖8-6(b)中表示a=5的發(fā)電機(jī)，可采用裂相橫差保護(hù).這時(shí)將定子繞組每相并聯(lián)分支分成兩部分，圖8-6(c)所表示的是三分支a1、a3、a5成一組，另二分支 a2、a4成一組，每組裝設(shè)的互感器二次并聯(lián)，兩組互感器按圖8-6(a)接成橫差方式，這就是裂相橫差保護(hù)K1。對于a為奇數(shù)的互感器變比兩

16、組并不相同，若為微機(jī)保護(hù)，兩組互感器可選用同一變比，由軟件調(diào)整它們的平衡。,裂相橫差保護(hù)應(yīng)用： 在國內(nèi)外大型水輪發(fā)電機(jī)上廣為采用，它與不完全縱差、零序橫差共同組成多分支分布中性點(diǎn)接線方式水輪發(fā)電機(jī)的綜合差動(dòng)保護(hù)。裂相橫差保護(hù)對定子繞組相間短路和匝間短路均有作用，并能兼顧分支開焊故障，但當(dāng)機(jī)端外部引線短路時(shí)無保護(hù)作用。,裂相橫差保護(hù)采用比率制動(dòng)特性時(shí)，其整定計(jì)算方法如下： 1最小動(dòng)作電流 式中可靠系數(shù)，Krel1.31.5； Iunb1 負(fù)荷狀態(tài)下，兩個(gè)電流互感器的幅值誤差的不平衡電流， 一般可選取Iunb1 =0.06I2N ， I2N為互感器二次額定電流； Iunb2水輪發(fā)電機(jī)各相并聯(lián)分支配

17、置在不同的定子槽中，各槽對應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁場大小不同，由此產(chǎn)生的第二種不平衡電流。 Iunb1 Iunb2可在發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷工況下，實(shí)測裂相橫差保護(hù)不平衡電流得到，它比縱差保護(hù)要大些。 作為初步設(shè)計(jì)值，可選取,2比率制動(dòng)特性的拐點(diǎn) 3最大制動(dòng)系數(shù) 式中諸系數(shù)與式（8-9）相同。,2、零序電流型橫差保護(hù),如圖8-6(b)所示，在定子繞組每相分裂成兩部分的情況下，可以裝設(shè)一套零序電流型橫差保護(hù)，接在中性點(diǎn)o1、o3、o5與o2、o4之間的互感器TA3二次。因?yàn)橐慌_(tái)發(fā)電機(jī)只裝一個(gè)互感器和橫差繼電器，所以以前稱為單元件橫差保護(hù)。這種橫差保護(hù)裝置對相間短路、匝間短路和分支開焊有作用，但也不能反映機(jī)端外

18、部引線相間短路。 裂相橫差保護(hù)在正常運(yùn)行和外部短路條件的不平衡電流比零序橫差保護(hù)的要大些，因?yàn)榱阈驒M差保護(hù)的不平衡電流中沒有因互感器特性不一致產(chǎn)生的Iunb成分，只有各分支繞組在空間位置不同引起的一部分零序不平衡電流Iunb0，而且Iunb0 Iunb。這是因?yàn)镮unb中包含著正、負(fù)、零序分量電流，而Iunb0中只有零序分量電流。正是由于不平衡電流的大小不同，相應(yīng)的動(dòng)作電流和靈敏度也就不同。 零序橫差保護(hù)在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，不平衡電流主要是基波，在外部短路時(shí)，不平衡電流中主要是三次諧波成分量。,三次諧波不平衡電流Iunb3不僅在幅值上大大超過基波不平衡電流 Iunb1 ，而且隨外部短路電流的增

19、大， Iunb3的增長速率也高于Iunb1 ，當(dāng)外部短路達(dá)到最大值Ikmax時(shí)，不平衡電流最大值Iunb3max更遠(yuǎn)大于Iunb1max 。 基于對不平衡電流的實(shí)測和分析，得出提高零序橫差保護(hù)靈敏度的一個(gè)重要技術(shù)措施：盡量加強(qiáng)不平衡電流的三次諧波阻波能力，使三次諧波濾過比k3（繼電器的三次諧波動(dòng)作電流/基波動(dòng)作電流）提高到80以上，這樣不平衡電流就大大減小，零序橫差保護(hù)的動(dòng)作電流（二次值） Ikact(0)為 （8-15）,式中Krel 可靠系數(shù)，Krel1.31.5； kaper 非周期系數(shù)，kaper2.0。 互感器一次額定電流I1N減小雖有助于提高零序橫差保護(hù)的靈敏度，但不應(yīng)過分減小，以

20、免在發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路時(shí)互感器深度飽和；已知發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路時(shí)零序橫差電流可高達(dá)100kA，所以也不能片面強(qiáng)調(diào)提高靈敏度而不適當(dāng)?shù)販p小互感器一次額定電流。大型發(fā)電機(jī)零序橫差保護(hù)用互感器變比的選擇，應(yīng)該全面計(jì)算定子繞組內(nèi)部短路時(shí)的零序橫差電流大小，據(jù)此選擇I1N和互感器型號，例如5P20或5P30，保證絕大部分內(nèi)部短路，互感器有510的精度。,應(yīng)用、評價(jià)及校驗(yàn)： 鑒于高靈敏零序橫差保護(hù)裝置簡單，功能全面（同時(shí)對相間、匝間短路起保護(hù)作用，兼顧分支開焊故障），靈敏度高，成為發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的第一主保護(hù)，已被國內(nèi)多個(gè)大型水電廠采用，正在施工的三峽工程也選取此保護(hù)方案。 高靈敏零序橫差保護(hù)是發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故

21、障的第一保護(hù)，但它對機(jī)端外部引線相間短路無保護(hù)作用，雖然發(fā)電機(jī)機(jī)端出線均采用分相封閉母線，但引線兩相接地短路仍有發(fā)生，所以在考慮大型發(fā)變組保護(hù)總配置方案時(shí)，除在發(fā)電機(jī)上配備高靈敏零序橫差保護(hù)外，還應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)機(jī)端引線相間短路的需要，裝設(shè)其他縱差保護(hù)。 按照規(guī)程要求，用機(jī)端兩相金屬性短路來校驗(yàn)保護(hù)的靈敏度，對橫差保護(hù)完全不適用?？捎冒l(fā)電機(jī)內(nèi)部故障計(jì)算軟件校驗(yàn)橫差保護(hù)靈敏度。,五、綜合差動(dòng)保護(hù),我國大型水輪發(fā)電機(jī)已運(yùn)行的綜合差動(dòng)保護(hù)，如圖8-6所示，包括不完全差動(dòng)保護(hù)K2、裂相橫差保護(hù)K1和高靈敏零序橫差保護(hù)（裝設(shè)在圖8-6(b)的TA3二次）。這種綜合差動(dòng)保護(hù)，如圖8-7所示，對發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路（

22、相間和匝間）已具有保護(hù)的三重化，但對機(jī)端引線的相間短路，只有不完全縱差保護(hù)K2能起作用，為此還應(yīng)有另一套主保護(hù)，例如發(fā)變組不完全縱差保護(hù)。,六、結(jié)論,1大型和特大型發(fā)電機(jī)主保護(hù)方案的確定，必須建立在充分、全面、科學(xué)的內(nèi)部短路計(jì)算分析基礎(chǔ)上，只用機(jī)端兩相短路校驗(yàn)主保護(hù)靈敏系數(shù)是不科學(xué)的。 2大中型發(fā)電機(jī)僅裝設(shè)一或兩種完全縱差保護(hù)的工程設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)根據(jù)，有必要推廣或創(chuàng)造條件推廣完全或不完全裂相橫差、零序電流型橫差及不完全縱差保護(hù)。 3不同型號的發(fā)電機(jī)應(yīng)有自己的主保護(hù)總配置方案，不能因?yàn)槿萘肯嗟然蚪咏突ハ喟嵊弥鞅Ｗo(hù)總配置方案。 4某種主保護(hù)方案的取舍，不要單獨(dú)以一種方案靈敏度的高低為準(zhǔn)。微機(jī)保護(hù)允

23、許采用多種原理的主保護(hù)，取各自的優(yōu)點(diǎn)，克服或彌補(bǔ)彼此的缺點(diǎn)，即“優(yōu)勢互補(bǔ)、綜合利用”的設(shè)計(jì)方法，最終取得最佳主保護(hù)配置方案。,第三節(jié) 發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù),一、發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地特點(diǎn)與發(fā)電機(jī)單相接地處理方式 1、發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障特點(diǎn) 2、大型發(fā)電機(jī)單相接地處理方式 二、利用零序電壓構(gòu)成的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù) 三、利用三次諧波電壓構(gòu)成的100%定子接地保護(hù) 1、發(fā)電機(jī)三次諧波電動(dòng)勢的分布特點(diǎn) 2、反應(yīng)三次諧波電壓的比值和基波零序電壓組合而構(gòu)成的100%定子接地保護(hù),一、發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地特點(diǎn)與發(fā)電機(jī)單相接地處理方式,1、發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障特點(diǎn) 根據(jù)安全的要求

24、，發(fā)電機(jī)的外殼都是接地的，因此定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍。當(dāng)接地電流比較大，能在故障點(diǎn)引起電弧時(shí)，將使繞組的絕緣和定子鐵心燒壞。 定子繞組單相接地故障對發(fā)電機(jī)的危害主要表現(xiàn)在定子鐵心的燒傷和接地故障擴(kuò)大為相間或匝間短路。 鐵心燒傷的程度由故障點(diǎn)電流If和故障持續(xù)時(shí)間t決定， Ik2t越大，鐵心損傷越嚴(yán)重。對于沒有傷及鐵心的定子繞組絕緣損壞，修復(fù)工作較簡單，所以停機(jī)時(shí)間較短；一旦燒傷鐵心，由于大型發(fā)電機(jī)組定子鐵心結(jié)構(gòu)復(fù)雜，修復(fù)困難，所以停機(jī)時(shí)間就長。如果說定子繞組絕緣損壞和單相接地故障是在所難免的，由此而殃及定子鐵心則是完全應(yīng)該避免發(fā)生的，為此應(yīng)設(shè)法減小定子繞組單相接地電流I

25、k，同時(shí)縮短故障的持續(xù)時(shí)間。,定子繞組單相接地的故障電流和暫態(tài)過電壓大小均與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式有關(guān)?，F(xiàn)代發(fā)電機(jī)普遍采用中性點(diǎn)不直接接地方式。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時(shí)，流經(jīng)接地點(diǎn)的電流仍為發(fā)電機(jī)所在電壓網(wǎng)絡(luò)（與發(fā)電機(jī)有直接聯(lián)系的各元件）對地電容電流之總和，其值很小。隨著單機(jī)容量的進(jìn)一步增大，三相對地電容C也相應(yīng)增大，單相接地故障電流Ik.C可能超過允許值。發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流的允許值，應(yīng)采用制造廠的規(guī)定值，如無規(guī)定值時(shí)，可參照表8-2所列的數(shù)據(jù)。,按照我國國標(biāo)要求，很多大型發(fā)電機(jī)的單相接地電容電流Ik.C已超過上述允許值，所以大型發(fā)電機(jī)普遍采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地方式。發(fā)電機(jī)中

26、性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，能夠最大限度地減小接地故障電流，完全符合國際上發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的總趨勢。 當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時(shí)，流經(jīng)接地點(diǎn)的電流仍為發(fā)電機(jī)所在電壓網(wǎng)絡(luò)（與發(fā)電機(jī)有直接聯(lián)系的各元件）對地電容電流之總和，而不同之處在于故障點(diǎn)的零序電壓將隨發(fā)電機(jī)內(nèi)部接地點(diǎn)的位置而變化,因此，故障點(diǎn)的零序電壓為 上式表明，故障點(diǎn)的零序電壓將隨著故障點(diǎn)位置的不同而改變。由此可作出發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地的零序等效網(wǎng)絡(luò)，如圖8-8 (b)所示。圖中C0G為發(fā)電機(jī)每相的對地電容，C0L為發(fā)電機(jī)以外電壓網(wǎng)絡(luò)每相對地的等效電容。由此即可求出發(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,則故障點(diǎn)總的接地電流即為 有效值 流

27、經(jīng)故障點(diǎn)的接地電流也與a成正比，因此當(dāng)故障點(diǎn)位于發(fā)電機(jī)出線端子附近時(shí),1，接地電流為最大，其值為 。,當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時(shí)，流經(jīng)發(fā)電機(jī)零序電流互感器TA0一次側(cè)的零序電流如圖8-8 (b)所示，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(shí)，如圖8-9所示，流過TA0的零序電流為發(fā)電機(jī)本身的對地電容電流。,當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時(shí)，實(shí)際上無法直接獲得故障點(diǎn)的零序電壓 ，而只能借助于機(jī)端的電壓互感器來進(jìn)行測量。由圖8-8可見，當(dāng)忽略各相電流在發(fā)電機(jī)內(nèi)阻抗上的壓降時(shí)，機(jī)端各相的對地電壓應(yīng)分別為,其矢量關(guān)系如圖8-10所示。 由此可求得機(jī)端的零序電壓為 其值和故障點(diǎn)的零序電壓相等。

28、,（二）大型發(fā)電機(jī)單相接地處理方式,由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地（欠補(bǔ)償或完全補(bǔ)償?shù)仨毚有‰娮瑁?，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，保護(hù)不必立即跳閘，而僅發(fā)接地故障信號，值班人員馬上向上級調(diào)度部門報(bào)告發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障信息，并同時(shí)轉(zhuǎn)移負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停機(jī)檢修，這種處理故障的方式有利于機(jī)組安全、對系統(tǒng)和負(fù)荷影響極小。由于保護(hù)不跳閘，發(fā)生定子繞組接地故障的發(fā)電機(jī)在處理過程中一直與系統(tǒng)并列，頻率始終維持額定，也就不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的暫態(tài)過電壓，因此沒有引發(fā)相間或匝間短路的可能性。對于大型發(fā)電機(jī)組，雖不主張單相接地保護(hù)動(dòng)作于跳閘，但也不主張繼續(xù)運(yùn)行，而是要求立即轉(zhuǎn)移負(fù)荷、停機(jī)檢修。,二、利用零序電壓構(gòu)成的發(fā)電機(jī)

29、定子繞組單相接地保護(hù),一般大、中型發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中大都采用發(fā)電機(jī)變壓器組的接線方式，在這種情況下，發(fā)電機(jī)電壓網(wǎng)絡(luò)中，只有發(fā)電機(jī)本身、連接發(fā)電機(jī)與變壓器的電纜以及變壓器的對地電容（分別以 、 、 表示），其分布情況見圖8-11 。當(dāng)發(fā)電機(jī)單相接地后，接地電容電流一般小于允許值。對于大容量的發(fā)電機(jī)變壓器組，若接地后的電容電流大于允許值，則可在發(fā)電機(jī)電壓網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)消弧線圈予以補(bǔ)償。由于上述三相電容電流的數(shù)值基本上不受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響，因此，裝設(shè)消弧線圈后，可以把接地電流補(bǔ)償?shù)胶苄〉臄?shù)值。在上述兩種情況下，均可以裝設(shè)作用于信號的接地保護(hù)。 發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地的信號裝置，一般是反應(yīng)于零序電壓而動(dòng)

30、作，其原理接線如圖8-12所示，過電壓繼電器連接于發(fā)電機(jī)電壓互感器二次側(cè)接成開口三角形的輸出電壓上。,在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)相電壓中還含有三次諧波，在機(jī)端電壓互感器接成開口三角形的一側(cè)有三次諧波電壓輸出，此外，當(dāng)變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，在發(fā)電機(jī)端也會(huì)產(chǎn)生零序電壓。為了保證動(dòng)作的選擇性，保護(hù)裝置的整定值應(yīng)躲開正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電壓（包括三次諧波電壓），以及變壓器高壓側(cè)接地時(shí)在發(fā)電機(jī)端所產(chǎn)生的零序電壓。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，繼電器的起動(dòng)電壓一般整定為1530V。 按以上條件整定的保護(hù)，由于整定值較高，因此，當(dāng)中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)，保護(hù)裝置不能動(dòng)作，因而出現(xiàn)死區(qū)。為了減小死區(qū)，可采取如下措施來降低起動(dòng)

31、電壓: 1、如圖8-12所示，加裝三次諧波帶阻過濾器； 2、對于高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)，利用保護(hù)裝置的延時(shí)來躲開高壓側(cè)的接地故障； 3、在高壓側(cè)中性點(diǎn)非直接接地的電網(wǎng)中，利用高壓側(cè)的零序電壓將發(fā)電機(jī)接地保護(hù)閉鎖或利用它對保護(hù)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。 采取以上措施以后，零序電壓保護(hù)范圍雖然有所提高，但在中性點(diǎn)附近接地時(shí)仍然有一定的死區(qū)。,利用零序電流和零序電壓構(gòu)成的接地保護(hù)，對定子繞組都不能達(dá)到100的保護(hù)范圍。 對于大容量機(jī)組而言，由于振動(dòng)較大而產(chǎn)生的機(jī)械損傷或發(fā)生漏水（指水內(nèi)冷的發(fā)電機(jī)）等原因，都可能使靠近中性點(diǎn)附近的繞組發(fā)生接地故障。如果這種故障不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，則一種可能是進(jìn)一步發(fā)展成匝間或相間短路

32、；另一種可能是如果又在其他地點(diǎn)發(fā)生接地，則形成兩點(diǎn)接地短路。這兩種結(jié)果都會(huì)造成發(fā)電機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞，因此，對大型發(fā)動(dòng)機(jī)組，特別是定子繞組用水內(nèi)冷的機(jī)組，應(yīng)裝設(shè)能反應(yīng)100定子繞組的接地保護(hù)。 目前，100定子接地保護(hù)裝置一般由兩部分組成，第一部分是零序電壓保護(hù)，如上所述它能保護(hù)定子繞組的85以上，第二部分保護(hù)則用來消除零序電壓保護(hù)不能保護(hù)的死區(qū)。為提高可靠性，兩部分的保護(hù)區(qū)應(yīng)相互重疊。,構(gòu)成第二部分保護(hù)的方案主要有： 1發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)加固定的工頻偏移電壓，其值為額定相電壓的1015。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組接地時(shí)，利用此偏移電壓來加大故障點(diǎn)的電流（其值限制在1025A左右），接地保護(hù)即反應(yīng)于這個(gè)電流而動(dòng)作。

33、 2附加直流或低頻（20Hz或25Hz）電源，通過發(fā)電機(jī)端的電壓互感器將其電流注入發(fā)電機(jī)定子繞組,當(dāng)定子繞組發(fā)生接地時(shí)，保護(hù)裝置將反應(yīng)于此注入電流的增大而動(dòng)作。 3利用發(fā)電機(jī)固有的三次諧波電勢，以發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)和機(jī)端側(cè)三次諧波電壓比值的變化或比值和方向的變化，來作為保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)。 在以上方案中，有些本身就具有保護(hù)區(qū)達(dá)100的性能，此時(shí)可用零序電壓保護(hù)作為后備，以進(jìn)一步提高可靠性。,三、利用三次諧波電壓構(gòu)成的100%定子接地保護(hù),（一）發(fā)電機(jī)三次諧波電動(dòng)勢的分布特點(diǎn) （二）反應(yīng)三次諧波電壓的比值（ ）和基波零序電壓組合而構(gòu)成的100%定子接地保護(hù),（一）發(fā)電機(jī)三次諧波電動(dòng)勢的分布特點(diǎn),由于發(fā)電

34、機(jī)氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響,在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢除基波分量外,還含有高次諧波分量。其中三次諧波電動(dòng)勢雖然可在線電動(dòng)勢中消除，但在相電動(dòng)勢中依然存在。因此，每臺(tái)發(fā)電機(jī)總有約百分之幾的三次諧波電動(dòng)勢，設(shè)以E3表示。 如果把發(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，每端為0.5C0G,并將發(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)備的每相對地電容也等效地放在機(jī)端， 則正常運(yùn)行情況下的等效網(wǎng)絡(luò) 如圖8-13所示,和 此時(shí)，機(jī)端三次諧波電壓與中性點(diǎn)三次諧波電壓之比為 由上式可見，在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓總是大于發(fā)電機(jī)端的三次諧波電壓。極

35、限情況是，當(dāng)發(fā)電機(jī)出線端開路（ ）時(shí)， 。,當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，其等值電路如圖8-14所示，假設(shè)基波電容電流得到完全補(bǔ)償，發(fā)電機(jī)端三次諧波電壓和中性點(diǎn)側(cè)三次諧波電壓之比為,說明，接入消弧線圈以后，中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓在正常運(yùn)行時(shí)比機(jī)端三次諧波電壓更大。在發(fā)電機(jī)出線端開路時(shí)， ，則 在正常運(yùn)行情況下，盡管發(fā)電機(jī)的三次諧波電動(dòng)勢隨著發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀況而改變，但是其機(jī)端三次諧波電壓與中性點(diǎn)三次諧波電壓的比值總是符合以上關(guān)系。,當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，設(shè)接地發(fā)生在距中性點(diǎn)處，其等值電路如圖8-15所示。,此時(shí)不管發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)是否接有消弧線圈，恒有 則 Us3、UN3 隨

36、而變化的關(guān)系如圖8-16所示。當(dāng) 時(shí)，恒有 。,因此，如果利用機(jī)端三次諧波電壓Us3作為動(dòng)作量，而用中性點(diǎn)側(cè)三次諧波電壓作為制動(dòng)量來構(gòu)成接地保護(hù)，且當(dāng) 時(shí)為保護(hù)的動(dòng)作條件，則在正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不可能動(dòng)作，而當(dāng)中性點(diǎn)附近發(fā)生接地時(shí)，則具有很高的靈敏性。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%范圍以內(nèi)的接地故障。,（二）反應(yīng)三次諧波電壓的比值（ ）和基波零序電壓組合而構(gòu)成的100%定子接地保護(hù),如上所述，利用三次諧波電壓構(gòu)成的接地保護(hù)可以反應(yīng)發(fā)電機(jī)繞組中15% 以上范圍的單相接地故障，且當(dāng)故障點(diǎn)越接近于發(fā)電機(jī)出線端時(shí)，保護(hù)的靈敏性越高。因此，利用三次諧波電壓比值和基波零序電壓的組

37、合，構(gòu)成了100% 的定子繞組接地保護(hù)。,第四節(jié) 發(fā)電機(jī)負(fù)序過電流保護(hù),一、負(fù)序過電流保護(hù)的作用 1、發(fā)電機(jī)負(fù)序過電流的危害性 當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或在正常運(yùn)行情況下三相負(fù)荷不平衡時(shí)，在發(fā)電機(jī)定子繞組中將出現(xiàn)負(fù)序電流，此電流在發(fā)電機(jī)空氣隙中建立負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子為兩倍的同步轉(zhuǎn)速，因此將在轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子鐵心等部件上感應(yīng)出100Hz的倍頻電流，該電流使得轉(zhuǎn)子上電流密度很大的某些部位（如轉(zhuǎn)子端部、護(hù)環(huán)內(nèi)表面等），可能出現(xiàn)局部灼熱，甚至可能使護(hù)環(huán)受熱松脫，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的重大事故。此外，產(chǎn)生的交變電磁轉(zhuǎn)矩，將同時(shí)作用在轉(zhuǎn)子大軸和定子機(jī)座上，從而引起100Hz的振動(dòng)。,負(fù)序電流在轉(zhuǎn)子

38、中所引起的發(fā)熱量，正比于負(fù)序電流的平方及所持續(xù)時(shí)間的乘積。在最嚴(yán)重的情況下，假設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為絕熱體（不向周圍散熱），則不使轉(zhuǎn)子過熱所允許的負(fù)序電流和時(shí)間的關(guān)系，可用下式表示,針對上述情況而裝設(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)，因此應(yīng)作為發(fā)電機(jī)的主保護(hù)方式之一。 此外，由于大容量機(jī)組的額定電流很大，而在相鄰元件末端發(fā)生兩相短路時(shí)的短路電流可能較小，此時(shí)采用復(fù)合電壓（低電壓和負(fù)序電壓）啟動(dòng)的過電流保護(hù)往往不能滿足作為相鄰元件后備保護(hù)時(shí)對靈敏系數(shù)的要求。在這種情況下，采用負(fù)序電流作為后備保護(hù)，就可以提高不對稱短路時(shí)的靈敏性。由于負(fù)序過電流保護(hù)不能反應(yīng)于三相短

39、路，因此，當(dāng)用它作為后備保護(hù)時(shí)，還需要附加裝設(shè)一個(gè)單相式的低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)，以專門反應(yīng)三相短路。,二、負(fù)序反時(shí)限過電流保護(hù),負(fù)序反時(shí)限動(dòng)作跳閘的特性與發(fā)電機(jī)允許的負(fù)序電流曲線相配合時(shí)，通常采用圖8-17所示的方式，即動(dòng)作特性在允許負(fù)序電流的上面，其間的距離按轉(zhuǎn)子溫升裕度決定。這樣配合可以避免在發(fā)電機(jī)還沒有達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)就把發(fā)電機(jī)切除。,保護(hù)裝置的動(dòng)作特性可表示為,按式（8-29）構(gòu)成反時(shí)限過電流保護(hù)及負(fù)序過負(fù)荷信號保護(hù)的一種原理圖如圖8-18所示。 過濾器的輸出電壓與負(fù)序電流成正比，同時(shí) 加于過負(fù)荷起動(dòng)回路和 運(yùn)算回路。,啟動(dòng)回路動(dòng)作后，當(dāng)負(fù)序電流超過發(fā)電機(jī)的長期允許值時(shí)，延時(shí)t1發(fā)出過負(fù)

40、荷信號。同時(shí)還輸出信號至Y1和Y2的輸入端，Y1用以開放反時(shí)限部分的計(jì)時(shí)回路，允許 運(yùn)算回路的輸出按式（8-29）所示關(guān)系進(jìn)行工作，Y2用以開放反時(shí)限部分的跳閘回路，以防止由于保護(hù)裝置內(nèi)部元件損壞造成誤動(dòng)作。 在反時(shí)限部分中，Y1的輸出和形成回路的輸出經(jīng)減法器后形成 ，然后加于反時(shí)限元件t2，一般可由RC積分電路構(gòu)成。電平檢測器反應(yīng)于 而動(dòng)作，動(dòng)作后即可通過Y2跳閘。當(dāng)用于A值不同的發(fā)電機(jī)時(shí)，可利用A值的整定回路選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值，以滿足被保護(hù)發(fā)電機(jī)的要求。,對過負(fù)荷的信號部分的整定原則： 整定值應(yīng)按照躲開發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)序電流之和最大負(fù)荷下負(fù)序過濾器的不平衡電流（均應(yīng)考慮繼電器的返回系數(shù)）來確

41、定。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，汽輪發(fā)電機(jī)的長期允許負(fù)序電流為68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，因此，一般情況下可取為 其動(dòng)作時(shí)限則應(yīng)保證在外部不對稱短路時(shí)的動(dòng)作的選擇性，一般采用510s。,第五節(jié) 失磁保護(hù),一、發(fā)電機(jī)的失磁運(yùn)行及其影響 二、發(fā)電機(jī)失磁后的機(jī)端測量阻抗 三、發(fā)電機(jī)在其他運(yùn)行方式下的機(jī)端測量阻抗 四、失磁過程中的勵(lì)磁電壓的變化特征 五、低勵(lì)失磁保護(hù)的構(gòu)成方式,一、發(fā)電機(jī)的失磁運(yùn)行及其影響,發(fā)電機(jī)失磁故障是指發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中其勵(lì)磁突然全部消失或部分消失。 引起失磁的原因：轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁機(jī)故障、自動(dòng)滅磁開關(guān)誤跳閘、半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤

42、操作等。 影響： 1、當(dāng)發(fā)電機(jī)完全失去勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流將逐漸衰減至零。由于發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢Eq隨著勵(lì)磁電流的減小而減小，因此，其電磁轉(zhuǎn)矩也將小于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，,因而引起轉(zhuǎn)子加速，使發(fā)電機(jī)的功角增大。當(dāng)超過靜態(tài)穩(wěn)定極限角時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機(jī)失磁后將從并列運(yùn)行的電力系統(tǒng)中吸收感性無功功率供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢。在發(fā)電機(jī)超過同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子回路中將感應(yīng)出頻率為fG-fs的電流，此電流產(chǎn)生異步制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)異步轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時(shí)，即進(jìn)入穩(wěn)定的異步運(yùn)行。,根據(jù)電機(jī)學(xué)的分析，異步發(fā)電機(jī)的等效電路與異步電動(dòng)機(jī)的相似，異步發(fā)電機(jī)的等效電路用圖8-19來表示，,當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁

43、后而異步運(yùn)行時(shí)，將對電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生以下影響： 1需要從電網(wǎng)中吸收很大的無功功率以建立發(fā)電機(jī)的磁場。所需無功功率的大小，主要取決于發(fā)電機(jī)的參數(shù)（X1、X2、Xad）以及實(shí)際運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率。例如，汽輪發(fā)電機(jī)與水輪發(fā)電機(jī)相比，前者的同步電抗Xd （ Xd = X1 + Xad ）較大，則所需的無功功率較小。又當(dāng)s增大時(shí)， 減小， 和 隨之增大，則相應(yīng)所需的無功功率也要增加。,假設(shè)失磁前發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)送出無功功率Q1，而在失磁后從系統(tǒng)吸收無功功率Q2 ，則系統(tǒng)中將出現(xiàn)Q1 + Q2的無功功率差額。 2由于從電力系統(tǒng)中吸收無功功率將引起電力系統(tǒng)的電壓下降，如果電力系統(tǒng)的容量較小或無功功率的儲(chǔ)備不足，

44、則可能使失磁發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、升壓變壓器高壓側(cè)的母線電壓、或其他鄰近點(diǎn)的電壓低于允許值，從而破壞了負(fù)荷與各電源間的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解。 3由于失磁發(fā)電機(jī)吸收了大量的無功功率，因此為了防止其定子繞組過電流，發(fā)電機(jī)所能發(fā)出的有功功率將較同步運(yùn)行時(shí)有不同程度的降低，吸收的無功功率越大則降低的越多。 4失磁后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，因此，在轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路中將產(chǎn)生頻率為 的交流電流，因而形成附加的損耗，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁回路過熱。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)差率越大時(shí)，所引起的過熱也越嚴(yán)重。,根據(jù)以上分析，結(jié)合汽輪發(fā)電機(jī)來看，由于其異步功率比較大，調(diào)速器也比較靈敏，因此當(dāng)超速運(yùn)行后，調(diào)速器立即關(guān)小

45、汽門，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。故汽輪發(fā)電機(jī)在很小的轉(zhuǎn)差下異步運(yùn)行一段時(shí)間，原則上是完全允許的。此時(shí)，是否需要并允許其異步運(yùn)行，則主要取決于電力系統(tǒng)的具體情況。 當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率供應(yīng)比較緊張，同時(shí)一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁后，系統(tǒng)能夠供給它所需要的無功功率，并能保證電網(wǎng)的電壓水平時(shí)，則失磁后就應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行； 反之，如系統(tǒng)中有功功率有足夠的儲(chǔ)備，或者系統(tǒng)沒有能力供給它所需要的無功功率，則失磁以后就不應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行。,對水輪發(fā)電機(jī)而言，失磁后異步運(yùn)行有如下后果： 1）其異步功率較小，必須在較大的轉(zhuǎn)差下（一般達(dá)到12）運(yùn)行，才能發(fā)出較大的功率；

46、2）由于水輪機(jī)的調(diào)速器不夠靈敏，時(shí)滯較大，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； 3）其同步電抗較小，如果異步運(yùn)行，則需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率； 4）其縱軸和橫軸很不對稱，異步運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振動(dòng)較大等因素的影響，因此水輪發(fā)電機(jī)一般不允許在失磁以后繼續(xù)運(yùn)行。 為此，在發(fā)電機(jī)上，尤其是在大型發(fā)電機(jī)上應(yīng)裝設(shè)失磁保護(hù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)失磁故障，并采取必要的措施，例如發(fā)出信號由運(yùn)行人員及時(shí)處理、自動(dòng)減負(fù)荷或動(dòng)作于跳閘等，以保證電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的安全。,二、發(fā)電機(jī)失磁后的機(jī)端測量阻抗,以汽輪發(fā)電機(jī)經(jīng)一聯(lián)絡(luò)線與無窮大系統(tǒng)并列運(yùn)行為例，其等值電路和正常運(yùn)行時(shí)的矢相量圖如圖8-20所示

47、。根據(jù)電機(jī)學(xué)中的分析，發(fā)電機(jī)送到受端的功率 分別為,受端的功率因數(shù)角為 在正常運(yùn)行時(shí)， 。一般當(dāng)不考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的影響時(shí)， 為穩(wěn)定運(yùn)行的極限， 后發(fā)電機(jī)失步。 發(fā)電機(jī)從失磁開始到進(jìn)入穩(wěn)定異步運(yùn)行，一般可分為三個(gè)階段：失磁后到失步前、臨界失步點(diǎn)、失步后的異步運(yùn)行階段 1失磁后到失步前 在失磁后到失步前的階段中,轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減，,隨之減小，發(fā)電機(jī)的電磁功率P開始減小，由于原動(dòng)機(jī)所供給的機(jī)械功率還來不及減小，于是轉(zhuǎn)子逐漸加速，使 和 之間的功角隨之增大， P又要回升。在這一階段中sin的增大與 Eq 的減小相補(bǔ)償，基本上保持了電磁功率P不變。與此同時(shí)，無功功率Q將隨著 Eq的減小和的增大而迅速減小

48、，按式（8-32）計(jì)算的Q值將由正變負(fù)，即發(fā)電機(jī)變?yōu)槲崭行詿o功功率。,在這一階段中，發(fā)電機(jī)端的測量阻抗為 = 表示在復(fù)數(shù)平面上其圓心O的坐標(biāo)為 ( , Xs ),半徑為 。 由于這個(gè)圓是在某一定有功功率P不變的條件下作出的，故稱為等有功阻抗圓。,由式（8-34）可見，機(jī)端測量阻抗的軌跡與P有密切關(guān)系，對應(yīng)不同的P值有不同的阻抗圓，且P越大時(shí)圓的直徑越小。 發(fā)電機(jī)失磁以前，向系統(tǒng)送出無功功率，角為正，測量阻抗位于第象限。失磁以后，隨著無功功率的變化，角由正值變?yōu)樨?fù)值，因此測量阻抗也沿著圓周隨之由第象限過渡到第四象限。,2臨界失步點(diǎn) 對汽輪發(fā)電機(jī)組，當(dāng)=90時(shí)，發(fā)電機(jī)處于失去靜穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，故

49、稱為臨界失步點(diǎn)。此時(shí)輸送到受端的無功功率，根據(jù)式（8-32）為 上式中Q為負(fù)值，表明臨界失步時(shí)，發(fā)電機(jī)自系統(tǒng)吸收無功功率，且為一常數(shù)，故臨界失步點(diǎn)也稱為等無功點(diǎn)。,此時(shí)機(jī)端的測量阻抗為,由式（8-35）可知，發(fā)電機(jī)在輸出不同的有功功率P而臨界失步時(shí)，其無功功率Q恒為常數(shù)。因此，在式（8-36）中，為變數(shù)，也是一個(gè)圓的方程，如圖8-22所示，其圓心的坐標(biāo)為（0， ），,圓的半徑為 這個(gè)圓稱為臨界失步阻抗圓，也稱等無功阻抗圓。其圓周為發(fā)電機(jī)以不同的有功功率P臨界失步時(shí)，機(jī)端測量阻抗的軌跡，圓內(nèi)為失步區(qū)。,3失步后的異步運(yùn)行階段 失步后的異步運(yùn)行階段可用圖8-19所示的等效電路來表示，此時(shí)按圖8-2

50、0所規(guī)定的電流正方向，機(jī)端測量阻抗應(yīng)為 當(dāng)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行失磁時(shí)，s0， ，此時(shí)機(jī)端的測量阻抗為最大,當(dāng)發(fā)電機(jī)在其他運(yùn)行方式下失磁時(shí)， ZG將隨著轉(zhuǎn)差率的增大而減小，并位于第象限內(nèi)。極限情況是當(dāng) 時(shí) , 趨近于零，ZG的數(shù)值為最小,有：,綜上所述，當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁前在過激狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其機(jī)端測量阻抗位于復(fù)數(shù)平面的第象限（如圖8-23中的a或a點(diǎn)），失磁以后，測量阻抗沿等有功阻抗圓向第四象限移動(dòng)。當(dāng)它與臨界失步圓相交時(shí)（b或b點(diǎn)），表明機(jī)組運(yùn)行處于靜穩(wěn)定的極限。越過b（或b）點(diǎn)以后，轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，最后穩(wěn)定于c（或c）點(diǎn)，此時(shí)，平均異步功率與調(diào)節(jié)后的原動(dòng)機(jī)輸入功率相平衡。,4異步邊界阻抗圓 失磁的發(fā)

51、電機(jī)，由同步運(yùn)行最終轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的參數(shù)將在Xd （ Xq ）與 ( )之間隨轉(zhuǎn)差率變化，轉(zhuǎn)差率越大，越接近 或 ，轉(zhuǎn)差率為零（即同步）時(shí)，參數(shù)為Xd （ Xq ），因此失磁發(fā)電機(jī)的參數(shù)以同步電抗Xd （ Xq ）為極限，不可能超越同步電抗值。,為了檢測發(fā)電機(jī)失磁后的異步運(yùn)行狀態(tài)，國內(nèi)外習(xí)慣在機(jī)端裝設(shè)異步邊界阻抗繼電器，其阻抗特性圓如圖8-24所示。它以 和 兩點(diǎn)為直徑作圓，進(jìn)入圓內(nèi)表明發(fā)電機(jī)已進(jìn)入異步運(yùn)行。該阻抗圓在第 、象限，其阻抗動(dòng)作圓一定小于靜穩(wěn)定極限阻抗圓，即臨界失步阻抗圓。,所以同一臺(tái)發(fā)電機(jī)在同一工況下的系統(tǒng)中運(yùn)行，若失磁保護(hù)采用靜穩(wěn)極限阻抗繼電器，在失磁故障時(shí)一定比采用異步

52、邊界阻抗繼電器的動(dòng)作早，與此同時(shí)，前者比后者的誤動(dòng)幾率高。,三、發(fā)電機(jī)在其他運(yùn)行方式下的機(jī)端測量阻抗,1發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端測量阻抗 （1）當(dāng)發(fā)電機(jī)向外輸送有功和無功功率時(shí)，其機(jī)端測量阻抗ZG位于第I象限，如圖8-25中的1點(diǎn)所示，它與R軸的夾角為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)角。 （2）當(dāng)發(fā)電機(jī)只輸出有功功率時(shí)，測量阻抗位于R軸上的2點(diǎn)。,（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)欠激運(yùn)行時(shí)，它向外輸送有功，同時(shí)從電網(wǎng)吸收一部分無功功率（Q值變?yōu)樨?fù)），但仍保持同步并列運(yùn)行，此時(shí)，測量阻抗位于第四象限的3點(diǎn)。,2發(fā)電機(jī)外部故障時(shí)的機(jī)端測量阻抗 當(dāng)采用0接線方式時(shí)，故障相測量阻抗位于第一象限，其大小和相位正比于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地

53、點(diǎn)之間的阻抗，如圖8-25中的5點(diǎn)。如繼電器接于非故障相，則測量阻抗的大小和相位需經(jīng)具體分 析后確定。,3發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時(shí)的機(jī)端測量阻抗 根據(jù)圖8-20(a)的等值電路和第四章第七節(jié)中有關(guān)分析，當(dāng)認(rèn)為EqUs時(shí)，振蕩中心位于0.5X處。當(dāng)Xs0時(shí)，振蕩中心即位于 處，此時(shí)機(jī)端測量阻抗的軌跡沿直線 變化，當(dāng)=180時(shí)，測量阻抗的最小值為 。,四、失磁過程中的勵(lì)磁電壓的變化特征,發(fā)電機(jī)失磁故障發(fā)生在轉(zhuǎn)子中，早期的失磁保護(hù)判據(jù)就是以勵(lì)磁電壓的極度下降為特征。后來隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)許多超高壓遠(yuǎn)距離輸電線，后者有很大的三相電容。當(dāng)負(fù)荷低谷時(shí)期，由于輸電線的電容電流，使系統(tǒng)電壓過高，發(fā)電機(jī)被

54、迫減小勵(lì)磁電壓，有時(shí)作進(jìn)相運(yùn)行，發(fā)電機(jī)成為吸收感性無功的設(shè)備，起著調(diào)相機(jī)的作用，這時(shí)的發(fā)電機(jī)雖然勵(lì)磁電壓較低，但機(jī)端電壓卻是高的，決非失磁或低勵(lì)故障，因此失磁保護(hù)由原始簡單的轉(zhuǎn)子判據(jù)發(fā)展為定子判據(jù)，即根據(jù)機(jī)端三相電壓和三相電流，用機(jī)端阻抗的變化檢測低勵(lì)失磁故障。這種利用機(jī)端阻抗判據(jù)的失磁保護(hù)裝置，在并非失磁故障的系統(tǒng)振蕩、經(jīng)過渡電阻發(fā)生外部短路等情況下，機(jī)端阻抗有可能進(jìn)入失磁保護(hù)阻抗動(dòng)作范圍內(nèi)引起誤動(dòng)，為此又增設(shè)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓作輔助判據(jù)，與機(jī)端阻抗主判據(jù)共同判別失磁故障與非失磁故障。,五、低勵(lì)失磁保護(hù)的構(gòu)成方式,(一）利用自動(dòng)滅磁開關(guān)聯(lián)鎖跳開發(fā)電機(jī)斷路器 過去發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)都是采用這種方式。但實(shí)

55、際上發(fā)電機(jī)失磁并不都是由于自動(dòng)滅磁開關(guān)跳開而引起的，特別是當(dāng)采用半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，由于半導(dǎo)體元件或回路的故障而引起發(fā)電機(jī)失磁是可能的，而在這種情況下保護(hù)將不能動(dòng)作。因此這種保護(hù)方式一般用于容量在100MW以下帶直流勵(lì)磁機(jī)的水輪發(fā)電機(jī)以及不允許失磁運(yùn)行的汽輪發(fā)電機(jī)上。,（二）利用失磁后發(fā)電機(jī)定子各參數(shù)變化的特點(diǎn)構(gòu)成失磁保護(hù) 這種方式的保護(hù)所反應(yīng)的是發(fā)電機(jī)定子參數(shù)的變化，如：機(jī)端測量阻抗由第一象限進(jìn)入第四象限，無功功率改變方向，機(jī)端電壓下降，功角增大，勵(lì)磁電壓降低等。目前對容量在100MW以上的發(fā)電機(jī)和采用半導(dǎo)體勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)，普遍增設(shè)了這種方式的保護(hù)。,利用失磁后發(fā)電機(jī)定子各參數(shù)變化的特點(diǎn)構(gòu)成失磁

56、保護(hù),1圖8-27所示為汽輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)裝置（動(dòng)作于跳閘）的一種構(gòu)成方式。圖中阻抗元件是失磁故障的主要判別元件，可按臨界失步阻抗圓進(jìn)行整定；母線低電壓(UG)元件用以監(jiān)視母線電壓，按保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行所允許的最低電壓整定，是失磁故障的另一個(gè)主要判別元件；勵(lì)磁低電壓(Ufd)元件用作閉鎖元件，一般按躲開空載運(yùn)行時(shí)的最低勵(lì)磁電壓整定，但應(yīng)考慮在滿載運(yùn)行情況下部分失磁時(shí)，繼電器可能拒動(dòng)。,當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁時(shí)，阻抗元件和勵(lì)磁低電壓元件動(dòng)作，啟動(dòng)Y2，立即發(fā)出發(fā)電機(jī)已失步的信號，并經(jīng)t2延時(shí)后，通過H門動(dòng)作于跳閘。延時(shí)t1用以躲開系統(tǒng)振蕩或自同步并列時(shí)的影響，一般取為11.5s。,如果失磁后，機(jī)端電壓下降到低于安全運(yùn)行的允許值，則母線低電壓元件動(dòng)作，此時(shí)&1門起動(dòng)，經(jīng)延時(shí)后，通過或門動(dòng)作于跳閘。延時(shí)用以躲開振蕩過程中的短時(shí)間電壓降低或自同步并列時(shí)的影響，一般取為0.51s。 由于有勵(lì)磁低電壓元件（Ufd）的閉鎖，因此在短路故障以及電壓互感器回路斷線時(shí)，Y1和Y2都不可能啟動(dòng)，因而保護(hù)裝置不會(huì)誤動(dòng)作。當(dāng)電壓互感器回路斷線時(shí)，（UG）或（Z）誤動(dòng)作后，均可發(fā)出電壓回路斷線信號。當(dāng)勵(lì)磁回路電壓降低時(shí)，(Ufd)動(dòng)作 ，發(fā)出信號。,2圖8-29所示為一種新型的、整定值能自動(dòng)隨有功功率P變化的轉(zhuǎn)子低電壓失磁繼電器