发电机保护装置调整试验.doc

发电机保护原理介绍及装置调整试验第一节发电机保护的配置一发电机的故障及不正常运行方式1发电机的故障（1）定子绕组的故障定子绕组的故障主要有：相间短路（二相短路、三相短路） 接地故障：单相接地、两相接地短路故障 匝间短路（同分支绕组匝间短路，同相不同分支绕组之间的短路）。（2）转子绕组的故障主要有：转子绕组一点接地及二点接地，部分转子绕组匝间短路。2发电机异常运行方式发电机不正常运行方式主要有：定子绕组过负荷，转子绕组过负荷，发电机过电压；发电机过激磁，发电机误上电、逆功率、频率异常、失磁、发电机断水及非全相运行等。二发电机保护的配置发电机定子绕组或输出端部发生相间短路故障或相间接地短路故障，将产生很大的短路电流，大电流产生的热、电动力或电弧可能烧坏发电机线圈、定子铁芯及破坏发电机结构。转子绕组两点接地或匝间短路，将破坏气隙磁场的均匀性，引起发电机剧烈振动而损坏发电机；另外，还可能烧伤转子及损坏其他励磁装置。发电机异常运行也很危险。发电机过电压、过电流及过激磁运行可能损坏定子绕组；大型发电机失磁运行除对发电机不利之外，还可能破坏电力系统的稳定性。其他异常工况下，长期运行也会危及发电机的安全。为确保发电机安全经常运行，必需配置完善的保护系统。1短路故障的主保护发电机内部短路故障的主保护有：纵差保护，横差保护（单元件横差及三元件横差保护），发电机定子绕组匝间保护（主要有单元件横差保护、纵向零序电压匝间保护及负序功率方向保护），转子两点接地保护，励磁变纵差保护。2短路故障的后备保护发电机短路故障的后备保护主要有：复压闭锁过流保护，对称过流及过负荷保护，不对称过流及过负荷保护、负序过电流保护，转子过流及过负荷保护、转子两点接地保护、带记忆的低压过流保护。3其他故障保护发电机单相接地保护，发电机失磁保护。4发电机异常运行保护发电机异常运行保护有：发电机过电压保护，发电机过激磁保护、逆功率保护，转子一点接地保护，定子过负荷保护、非全相运行保护、大型发电机失步保护、频率异常保护等。5开关量保护发电机断水保护等。6临时性保护所谓临时性保护是指：发电机正常运行时应退出的保护。其中有发电机误上电保护及发电机启、停机保护等。第二节 发电机纵差保护发电机纵差保护，是发电机相间故障的主保护。一 基本概念1.保护输入回路发电机纵差保护，按比较发电机中性点TA与机端TA二次同名相电流的大小及相位构成。以一相差动为例，并设两侧电流的正方向指向发电机内部，图1为发电机完全纵差保护的交流接入回路示意图；图1 发电机完全纵差保护交流接入回路示意图2.动作方程DGT801系列发电机差动保护装置，为提高区内故障时的动作灵敏度及确保区外故障时可靠不动作，一般采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为式中：差动电流，制动电流， ，比率制动系数；拐点电流，开始起制动作时的最小制动电流；初始动作电流；、分别为中性点及机端差动TA的二次电流；3.动作特性发电机纵差保护其动作特性一般为两段拆线式。根据其动作方程，可以划出如图2所示的动作特性。图2 差动保护的动作特性在图2中：Idz动作电流；Izd制动电流；Idzo初始动作电流；Izdo拐点电流；Kz比率制动系数。由图2可以看出，纵差保护的动作特性由二部分组成：即无制动部分和有制动部分。这种动作特性的优点是：在区内故障电流小时，它具有很高的动作灵敏度；在区外故障时，它具有较强的躲过暂态不平衡电流的能力。4动作逻辑框图发电机纵差保护的出口方式，有两种设置：单相出口方式及循环闭锁出口方式。当采用循环闭锁出口方式时，为提高发电机内部及外部不同相同时故障时保护动作的可靠性，采用负序电压解除循环闭锁（即改成单相出口方式）。对于单相出口方式，设置专门的TA断线判别，并当差电流大于解除TA断线闭锁电流倍数Ict时可解除TA断线判别功能。两种出口方式的逻辑框图，分别如图3和图4所示。图3 单相出口方式的发电机纵差保护逻辑框图图4 循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图二 调整试验1 两侧差动电流通道平衡状况的检查 若两侧差动电流通道调整不一致或特性相差较大，则在正常运行时就会产生较大的差流，甚至可能造成保护误动。另外，在长期运行之后，两侧构成通道的硬件系统的特性可能发生变化，形成不平衡。因此，为了提高纵差保护的动作可靠性，在保护出厂时，或投运前（出厂验收或安装后）校验或定期检验时，校验两侧通道的平衡状况是必要的。 试验接线 检查差动保护两侧通道平衡状况的试验接线如图5所示。图5 检查通道平衡试验接线在图5中：Ia、Ib、Ic、IN分别为机端差动TA二次三相电流接入端子；Ia、Ib、Ic、IN分别为中性点差动TA二次三相电流接入端子。 试验方法操作触摸屏，调出差动保护实时参数的显示界面或显示有差动保护A相差流的界面。操作测试仪，使其输出电流分别为Ie及5Ie（Ie差动保护TA二次标称额定电流，一般等于5A）的工频电流，观察并记录屏幕显示的差电流。再将试验仪IA端子上的输出线分别接到、及、端子上，重复上述试验观察及记录。要求屏幕显示电流值清晰、稳定，完全纵差保护，记录的各差流的最大值应不大于2%Ie（即小于0.1A）。要求：计算值与实测值的最大误差不大于5%。否则，应对被试通道重新进行调整。对于DGT801系列由软件调通道的保护装置，可修改某一侧的相位或幅值系数来调节平衡。2 初始动作电流的校验 试验接线 试验接线如图6所示。图6 初始动作电流试验接线在图6中：UA、UB、UC分别为机端TV二次三相电压接入端子；其他符号同图5。该试验接线，适用于校验其构成框图如图4所示的差动保护的初始动作电流，该型保护需校验解除循环闭锁的负序电压定值。若校验如图3所示框图差动保护的动作电流，可不接输入电压。 试验方法操作界面触摸屏，调出差动保护的A相差电流显示通道。操作试验仪的输出电压，设定为负序三相对称电压，且大于3倍的负序电压（即解除循环闭锁的负序电压）定值。由零缓慢增加试验仪的输出电流至差动保护动作。记录保护刚刚动作时的外加电流值及屏幕显示的电流值。然后，操作界面触摸屏，调出差动保护的B、C相差电流显示通道。将试验仪IA端子引出的电流线分别接至、及、上，重复上述试验、观察并记录。将上述试验数据列于表1中。表1差动保护的初始动作电流TA安装位置机端中性点相别ABCABC动作电流外加值界面显示值要求：保护动作时外加电流等于屏幕显示电流，并等于整定值，最大误差小于5%。3 解除循环闭锁的负序电压值的测量试验接线同图6。操作界面触摸屏，调出负序电压计算值显示通道。操作试验仪，使其输出电流大于差动保护的初始动作电流。此时，装置发出TA断线信号。然后，缓慢同时增加试验仪输出电压至差动保护动作。记录外加电压，观察并记录屏幕显示的负序电压。要求：界面显示值清晰、稳定，外加负序电压等于解除循环闭锁的负序电压的整定值，最大误差小于5%。4 动作特性曲线的录制动作特性曲线是表征差动保护动作特性的重要标志。这是因为通过该特性曲线可知道保护的初始动作电流、制动系数及拐点电流。因此，对于具有制动特性的纵差保护，录制其动作特性曲线应是校验差动保护的必做项目。 (a)试验接线对于单相出口的差动保护，或如图4所示的采用负序电压解除循环闭锁的差动保护，录制动作特性曲线的试验接线如图6所示（后者试验时，需加负序电压）。 (b)初始动作电流Idzo 操作测试仪，使其输出电流I1与I2相位相差1800，且使I1（或I2）等于0，由0缓慢增加I2（或I1）至差动保护动作。记录动作电流，该电流等于初始动作电流Idzo。 按上述试验方法分别求出其他两相差动保护的初始动作电流Idzo。(c)制动特性按照规定，为了提高差动保护动作可靠性，动作特性曲线上的拐点电流（即开始起制动作用时的最小电流）应小于被保护设备的额定电流。操作测试仪，使图示中的I2等于1.2 Ie，（Ie被保护设备的标称额定电流，一般为5A）。此时，差动保护动作。然后，增大I1电流，使至差动保护动作返回。再慢慢降低I1电流至差动保护刚刚动作。设此时的I1电流等于Idz1。增大I2电流使其等于4 Ie。增大I1电流使差动保护返回。再慢慢降低I1电流使差动保护刚刚动作。设此时的I1电流等于Idz2。再将图中试验仪的两路输出电流端子上的线分别改接到、及、上，重复上述试验及记录。将上述试验结果列于表2中。表2 发电机差动保护的动作特性曲线相别A相B相C相各相的比率制动系数为各相的拐点电流 （3-12）要求：计算出的拐点电流及制动系数与整定值完全相同，最大误差不大于5%。5 差动速断定值的校验DGT801系列微机发变组保护装置中，发电机差动保护设置有差动速断功能。（a） 试验条件操作触摸屏，调出发电机差动保护运行实时参数显示界面。暂改变差动保护的整定值，使差动保护初始动作电流大于拐点电流，将比率制动系数调整到1以上，或者只加单相电流不加负序电压。（b） 试验接线及试验方法试验接线同图6。操作试验仪，增大制动电流I1或者I2，使其大于差动速断值，记录差动保护动作电流值。再分别将图6中的试验仪的电流线改接在、及、上，重复上述试验操作及记录。要求：动作电流等于整定值，其最大误差不大于5%。6 动作时间的测定 发电机纵差保护系发电机的主保护，其动作时间一般为2040ms。若无特殊要求，在校验保护时，可不测量其动作时间。测量差动保护动作时间的方法，应根据不同的保护装置及现有的试验设备来决定。第三节 发电机纵向零序电压式匝间保护发电机匝间保护，是发电机同相同分支匝间短路及同相不同分支之间匝间短路的主保护。一 基本概念1 纵向零序电压式匝间保护在纵向零序电压式匝间保护中，反应发电机匝间短路的主判据是纵向零序电压（即纵向基波零序电压）。此外，为防止专用TV的一次断线时匝间保护误动，需采用专用TV断线闭锁。 （1）交流输入回路纵向零序电压式匝间保护的接入电压，取自机端专用TV的开口三角形电压。对发电机专用TV的要求是：全绝缘式TV，其一次中性点不能接地，而应通过高压电缆与发电机中性点连接起来。DGT801系列保护装置的交流接入回路如图所示。图10纵向零序电压式匝间保护交流接入回路在图中：对保护接入专用TV二次电压的目的是用于TV断线闭锁。其他符号同图3-10。（2） 动作方程在DGT801系列装置中，匝间保护两段的动作方程为：次灵敏段：灵敏段为：以上各式中：3Uo纵向零序基波电压；Uohdzo纵向零序电压高定值；Uoldzo纵向零序电压低定值；KZ制动系数；U3wdz三次谐波电压的整定值。（3）逻辑框图为防止专用TV一次断线时匝间保护误动，引入TV断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他原因（例如专用TV回路出现问题）产生的纵向零序电压使保护误动，通常采用负序功率方向闭锁元件（也有采用负序功率增量方向元件闭锁的）。对于DGT801系列保护装置，负序功率方向判据应采用允许式闭锁。该保护的逻辑框图如图所示。发电机纵向零序电压式匝间保护逻辑框图在图中：纵向零序电压元件；负序功率方向元件； 时间元件。对匝间保护引入一个短延时的目的是：在专用TV一次断线或一次保险抖动时，确保可靠闭锁保护出口。（4）关于专用TV断线闭锁在大型发电机保护中，如果采用纵向零序电压式匝间保护，一定要有专用的TV断线闭锁元件。另外，当保护装置发出TV断线信号时，必须能判断出是匝间保护专用TV断线还是其他保护用普通TV断线。电压平衡式TV断线闭锁元件，是按比较两组TV二次同名相间电压、及的原理构成。其动作逻辑框图如图所示。电压平衡式TV断线闭锁逻辑框图在图中：差压整定值；、专用TV与普通TV二次同名相间电压之差；取、中的最大者；U2普通TV二次的负序电压。由图可以看出：若、及三者中任一个大于时，判为TV一次断线；此时，如果普通TV二次无负序电压，则判为专用TV断线，若普通TV二次有负序电压，则被判为普通TV断线。专用TV断线时，闭锁匝间保护；普通TV断线时，闭锁定子接地保护。二 调整试验对匝间保护的调试，主要是对纵向零序电压元件、负序功率方向元件及TV断线闭锁等元件的调试。此外，通过试验，尚要验证各种保护构成逻辑的正确性。1 DGT801系列装置纵向零序电压式匝间保护的调试 操作界面触摸屏，调出匝间保护运行实时参数显示或纵向零序电压及3次谐波电压通道显示值及电压计算值显示界面。保护的投入压板（包括软压板）在闭合状态。另外，对装置通入三相负序电压及负序电流显示匝间保护实时参数显示的负序功率为正值。 试验方法试验接线同如图。纵向零序电压式电压通道测量接线按以下步骤进行调试：（）灵敏段动作值的校验操作试验仪，使其输出电压中含有基波电压和三次谐波电压，其中基波电压分量大于灵敏段动作电压的整定值，而三次谐波电压分量也很大，灵敏段保护不动作。然后，维持电压中的基波电压不变，而缓慢减小三次谐波电压值至灵敏段保护动作，记录保护刚刚动作时界面显示的基波电压UO、三次谐波电压U3W。此时，应满足保护次灵敏段刚刚动作时的条件，即则在式中：UO保护次灵敏段动作时加入的基波电压；U3W保护次灵敏段动作时加入的三次谐波电压；Uoldz保护次灵敏段动作电压定值；U3wdz 三次谐波电压的整定值；KZ制动系数。要求：计算出的KZ值等于整定值，最大误差小于5%。然后，减小三次谐波电压至一较小值。减小基波电压至灵敏段动作返回。再缓慢增加基波电压至灵敏段保护动作，记录刚刚动作时界面上显示的基波电压值。要求：记录的基波电压值等于灵敏段的电压整定值。（）次灵敏段动作电压的校验操作试验仪，增大输出电压的基波电压，使匝间保护的次灵敏段动作，记录界面显示的基波电压值。要求：保护次灵敏段动作时，界面显示的基波电压值等于整定值，误差小于5%。再增加电压中的三次谐波电压值至10V以上，次灵敏段仍然动作。说明三次谐波电压对次灵敏段无影响。（III）负序功率方向元件的校验操作试验仪，对装置通入三相对称负序电压及三相对称负序电流，并移动者之间的相位，观察并记录界面上显示的负序功率的正、负及数值，并将显示值与计算值比较，两者之误差应小于5%。（VI）TV断线闭锁元件动作特性的校验在DGT801系列装置中，匝间保护用TV断线闭锁元件，既能判断专用TV断线，又能判断其他保护用TV（即普通TV）断线。动作逻辑正确性校验校验TV断线元件逻辑的试验接线如图所示。TV断线闭锁试验接线在图中：UA、UB、UC专用TV二次三相电压接入端子；UA、UB、UC普通TV二次三相电压接入端子。操作试验仪，使其输出电压为三相对称正序电压，电压值为100V（线电压）。在装置端子排电压端子上，去掉UA或UB、UC端子上的接入线，装置应发出“专用TV断线”信号。将UA、UB、UC电压端子上的接入线接上，而去掉UA或UB、UC端子上的接入线，装置应发出“普通TV断线”信号。差电压UAB、UBC定值的校验试验接线同图所示。差压定值校验接线在图中：UA、UB、UC专用TV二次三相电压接入端子；UA、UB、UC普通TV二次三相电压接入端子；、试验仪电压输出端子；UL、UN专用TV开口电压接入端子。操作界面触摸屏，调出匝间保护运行实时参数显示界面或差压显示通道。操作试验仪，使输出UL电压大于纵向零序电压的整定值。此时，匝间保护动作。然后，同时缓慢升高Ua、Ub、Uc三相电压，至匝间保护动作刚刚返回。记录三相电压；观察并记录界面上显示的差压。要求：界面上显示的差压等于整定值，且等于外加电压（相电压）的倍。第四节 发电机定子接地保护一 发电机定子单相接地的危害设发电机定子绕组为每相单分支且中性点不接地。发电机定子绕组接线示意图及机端电压向量图如图中的（a）、（b）所示。 （a） （b）定子绕组接线示意图及电压向量图设A相定子绕组发生接地故障，接地点距中性点的电气距离为（机端接地时1）。此时，相当于在接地点出现一个零序电压。由图（b）可以看出：A相绕组接地时，使B相及C相对地电压，由相电压升高到另一值，当机端A相接地时，B、C两相的对地电压由相电压升高到线电压（升高到倍的相电压）。另外，发电机定子绕组及机端连接元件（包括主变低压侧及厂高变高压侧）对地有分布电容。零序电压通过分布电容向故障点供给电流。此时，如果发电机中性点经某一电阻接地，则发电机零序电压通过电阻也为接地点供给电流。发电机定子绕组单相接地的危害是：非接地相对地电压的升高，将危及对地绝缘，当原来绝缘较弱时，可能造成非接地相相继发生接地故障，从而造成相间接地短路，损害发电机；另外，流过接地点的电流具有电弧性质，可能烧伤定子铁芯。如果定子铁芯烧伤，修复很困难。分析表明：接地点距发电机中性点越远，接地运行对发电机的危害越大；反之越小。中性点附近时，若不再出现其他部位接地故障，不会危害发电机。发电机定子接地保护的种类很多，有零序电压式、零序电流式，双频式、叠加直流式、叠加交流式、注入电流式等。下面主要介绍应用较多的双频式100%的定子接地保护一 基本概念所谓双频式100%的定子接地保护，它是由基波零序电压式定子接地保护和三次谐波电压式定子接地保护两部分构成。基波零序电压式定子接地保护，可以单独用于中小机组作定子接地保护，其保护范围是由发电机定子绕组端部（包括出线及与之有电联系的设备）至发电机内部的8095%定子绕组的接地故障。其保护的具体范围主要决定于动作电压的整定值。整定值越小，其保护范围越大；反之亦反。而三次谐波电压式保护主要保护发电机中性点及由中性点向机内2025%的定子绕组接地故障。1 交流输入回路保护接入3U0电压，取自发电机机端TV开口三角绕组两端，或取自发电机中性点单相TV（或配电变压器或消弧线圈）的二次。其交流输入回路如图所示。零序电压式定子接地保护交流接入回路三次谐波电压式定子接地保护，按比较发电机中性点及机端三次谐波电压的大小和相位构成。其交流接入回路如图所示。三次谐波定子接地保护交流接入回路2 动作方程基波零序电压式保护三次谐波电压式定子接地保护的构成主要有两种形式，其一是幅值、相位比较式，另一种是绝对值比较式。幅值、相位比较式保护的动作方程为电压绝对值比较式保护在式中：3U0零序基波电压；U0dz零序基波电压保护动作电压整定值；UN3发电机中性点三次谐波电压；US3发电机机端三次谐波电压；KZ制动系数；u门槛值；相位、幅值平衡系数；K3制动系数。3 构成框图零序电压式定子接地保护构成框图，有如图所示的三种。零序电压式定子接地保护幅值相位比较式三次谐波电压式定子接地保护构成框图，如图所示。定子接地保护逻辑框图二 调整试验双频式100%的定子接地保护的调试（1）试验接线如图所示。双频式定子接地保护试验接线在图中：L、N机端TV开口电压接入端子；L、N中性点TV或消弧线圈或配电变压器二次电压接入端子；X、Y试验仪停止计时的返回接点输入端子；1、2基波零序电压保护出口继电器一对接点输出端子；3、43保护出口继电器一对接点输出端子。（2）基波零序电压保护定值的校验暂将保护的动作延时调到较小值。试验接线如图（b）所示，操作试验仪，使其输出电压为基波值。由零缓慢增大Ua电压至3u0定子接地保护动作，记录定子接地保护刚刚动作时外加的电压值。当3u0保护的构成框图如图（c）所示时，可由零慢慢升高Ub电压至3u0保护动作，记录保护刚刚动作时外加的电压值。若构成框图如图（a）所示时，则应同时升高Ua及Ub至保护动作，记录保护刚刚动作时外加的电压值。（3）3保护动作逻辑校验操作试验仪，使其输出电压为三次谐波电压，且UA=1.2V，UB=1V，两者之间的相位差可等于0或180。（）K1、K2、K3的整定DGT801系列装置K1、K2、K3的整定方法（）动作状况检查如图所示，操作试验仪，使其输出电压的频率为150Hz。设定试验仪，使电压与电压的相位相同。由零增加Ub电压至保护动作。记录动作电压。其动作值应不大于0.1V。然后，维持Ub电压不变，缓慢增大电压Ua至保护返回，继续增加Ua电压至保护重新动作。记录动作电压。Ua-Ub的绝对值应不大于K3Ub+0.1V。三 提高双频式100%定子接地保护动作可靠性措施分析及运行实践证明，为提高3定子接地保护的动作可靠性，应采取以下措施：1 交流输入回路不应装设熔断器及TV刀闸的辅助接点。3定子接地保护是按比较机端及中性点三次谐波电压的大小、或大小及相位原理构成的。当由于保险的熔断或刀闸辅助接点接触不良而失去机端或中性点三次谐波电压时，将致使3保护拒动或误动。为此，要求机端TV三次输出回路及中性点TV（或配电变压器、或消弧线圈）二次输出回路不允许设置保险，也不允许串接隔离刀闸的辅助接点或其他接点。另外，在中性点TV的一次回路中，也不应装设保险。2 机端TV的三次回路及中性点TV（或配电变压器、或消弧线圈）的二次回路应满足“反措”要求为提高3定子接地保护的动作灵敏度，其无制动时的动作电压很小。对于按绝对值比较原理构成的保护，其无制动时的动作电压通常0.20.3V；而对于按幅值、相位比较式原理构成的保护，其无制动动作电压只有0.1V。因此，3定子接地保护受二次回路及其他扰动的影响相对大。运行实践证明，3定子接地保护的正确动作率远比其他保护低。为避免3保护输入回路中扰动的影响，要求保护用TV二次与三次回路不得公用电缆芯线，在机端TV三次回路及中性点二次回路中，不得有多点接地现象，不得与直流回路共电缆。3 机端TV一次中性点及发电机中性点TV（或配电变压器、或消弧线圈）一次地端必须可靠接地。由于3定子接地保护是按比较机端及中性点三次谐波电压的幅值和相位原理构成，因此，该两电压应有一个基础比较点（即公共点），即要求两者具有公共的地点。运行实践及测量表明：当机端TV一次中性点不接地或经消谐器接地（即经一个很大的电阻接地）时，中性点3电压与机端3电压之间的相位随发电机工况的变化而变化范围很大。为此，对于设计有3定子接地保护（特别是按幅值、相位比较式原理构成的保护）的发电机，其机端保护用TV一次中性点及发电机中性点TV（或配电变压器、或消弧线圈）的地端，必须可靠地接在接地网上。4 保护的动作灵敏度的整定要适当如在煤矿区、或污染较严重地区的发电机组，当发电机机端连接在电气元件（如：出线、避雷器、绝缘子等）露天设置时，3定子接地保护（主要指幅值、相位比较式）的动作灵敏度不宜整定得过高。主要原因是：在煤矿区，绝缘子串上经常附着大量灰尘，厂房顶积满灰尘。雨天（特别是刚刚开始下雨）水灰混合物沿着绝缘子串流向地面，形成水灰柱；或厂房顶部的灰水柱流向导线，从而使某相带电设备对地绝缘降低。若3U0及3定子接地保护整定得过于灵敏，可能要误动。5 3定子接地保护亦应设置TV一次断线闭锁当机端TV一次断线时，其开口三角形两端将出现很大的基波零序电压。此时，如果3通道的基波滤过器的过滤比不很高，很大的基波零序电压，将可能致使3保护误动作。另外，TV一相断开，可能使机端的三次谐波电压发生变化，也会影响3保护动作的可靠性。为此，与3U0定子接地保护一样，3定子接地保护亦应设置TV断线闭锁。四 3定子接地保护设计安装存在问题举例1 原始条件某电厂一台容量为300MW、额定电压为20KV的汽轮发电机。其定子接地保护采用双频式100%的定子接地保护装置。3接地保护采用幅值相位比较式。保护的交流输入回路及3U0接地保护逻辑框图，分别如图1及图2所示。图1 双频式接地保护交流输入回路图2 3U0接地保护构成框图在图1及图2中： TV发电机中性点TV，变比20/0.1KV； 1TV机端保护用TV，变比为KV； Pn熔断器； 3U01中性点TV二次零序电压元件； 3U02机端TV三次零序电压元件。2 指出设计及安装存在的问题分析表明，图1及图2所示的二次回路及保护构成存在以下问题：（1） 用于定子接地保护的TV一次中性点未直接接地，在运行中，当负荷变化时，由于中性点与机端三次谐波电压之间的相位不断变化，3定子接地保护将误动。（2） 机端TV三次回路有熔断器，当熔断器熔断或接触不良时，将使3定子接地保护误动及3U0保护拒动。（3） 中性点TV二次及机端1TV三次回路均有接地点，且接地点在就地而未在保护柜上，不满足反措要求，容易受干扰误动。（4） 发电机中性点TV的变比不对，可能致使3U0接地保护拒动，这是因为，当发电机定子绕组发生接地故障时，中性点3U0电压只有机端TV三次电压的。其正确变比应为KV。第四节 发电机失磁保护一 基本概念1 并网运行发电机的功角特性设所研究的发电机通过主变及输电线路与无穷大系统连接，如图所示。图1 并网发电机系统图发电机向系统送出有功及无功。发电机的同步电抗为、变压器的电抗为，则其等值网路，如下图所示。图2 并网运行发电机的等值网路在图中：发电机电势；发电机与系统联接的等值阻抗，其中发电机的同步电抗，分别为主变及线路的电抗值；P发电机发出的有功功率；Q发电机向系统送出的无功功率；发电机电流；无穷大系统的等效电压。根据图可以划出并网发电机电抗与无穷大系统电压的向量关系图，如图25所示。图3 并网发电机电势与无穷大系统电压向量关系图在图中： 发电机机端电压；功率因数角；发电机电势与无穷大系统电压之间的夹角；其他符号的物理意义同图2。在图3中，通常将角称之为功角。由图3可得出（17）将式（17）两边同乘一个，便得到（18）式（18）中：P发电机发出的有功功率；其他符号的物理意义，同图3。式（18）为并网运行发电机的功角方程。忽略发电机的损耗，则根据式（18）划出并网运行发电机的功角特性，如图4所示。图4并网运行发电机的功角特性在图4中： Pm功率极限，；原动机输出功率；发电机向系统送出的功率；发电机运行功角；其他符号的物理意义同图3。发电机的功角特性为半个周期的正弦曲线。当时达到功率极限。2并网运行发电机失磁后的物理过程1）发电机失磁的原因正常运行发电机发生失磁故障的原因很多，主要有：灭磁开关（MK或LMK）误跳，转子回路短路，励磁电源故障及励磁调节器异常等。2）从失磁到失步发电机正常运行时，由励磁系统提供转子电流，产生直流磁场。发电机以同步速旋转，直流磁场成为旋转磁场。旋转磁场切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电势，向系统送出电流。设原动机对发电机输入的有功功率为，它与功角特性的交点便是发电机向系统送出的电磁功率，其所对应的功角为。发电机稳定运行。发电机失磁后，发电机转子电流及气隙磁通按指数衰减，发电机电势也按指数减少，功角特性曲线逐渐降低，如图6所示，功角特性由曲线向、变化。图6发电机失磁后功角特性的变化此时，由于原动机输入的功率未变，发电机的功角必须增大，以满足其输入输出功率平衡。因此，当功角曲线向低变化时，功角必须逐步增大（由增大至），才能满足发电机输入与输出功率之间的平衡。上述变化一直持续到。由图6可以看出，当功角增大到之后，功角的增大反而使电磁功率减少，发电机输入功率大于输出功率，转子加速运行，很快使功角达到，此后，发电机便转入失步运行。3）发电机失步运行发电机失步之后，发电机转子的转速大于同步速，与定子旋转磁场之间形成滑差S。定子旋转磁场将切割转子，在转子上产生涡流，涡流磁场产生异步转矩，发电机发出异步功率。发电机失步运行时，输出的异步功率与转差的关系如图7所示。图7发电机异步功率随转差S的变化在图7中：发电机的异步功率；发电机输入功率；S发电机的转差；曲线汽轮发电机曲线；曲线水轮发电机曲线。发电机失磁失步之后，发电机加速运行，转速升高。调速器开始作用，使原动机的输出功率降低（即由图中的A点降到B点）；另外，由于发电机滑差的增大，其异步转矩急剧增大，当异步转矩达到B点之后，发电机的输入与输出达到了平衡，所对应的滑差为。发电机稳定异步运行。但是，由于发电机有剩磁，剩磁产生同步转矩。又由于失步运行发电机的同步功率忽而正、忽而为负，其平均值等于零，因此，同步功率的存在使发电机的所有电量（有功、无功、电压及电流）呈周期性的摆动，运行转差也忽大忽小。3并网运行汽轮发电机失磁后各电量的变化并网运行的汽轮发电机，失磁失步运行时，定子电流、定子电压、有功、无功及转子电流均按一定的规律变化。1）有功功率有功功率基本不变（略有减少）。发电机从失磁到功角为时，靠功角的不断增大，使发电机的有功功率维持不变；发电机失步运行时，发出异步功率维持发电机输入、输出功率平衡。调速器的作用使有功略有减小。2）无功功率由图3可得到（19）将式（19）两边同乘以，便得到得到（20）在式（20）中：Q发电机输出的无功功率；无穷大母线电压；发电机电势；发电机电势与无穷大母线之间的联系电抗；功角。由式（20）绘得的发电机输出无功随功角变化曲线如图8所示。图8发电机无功随功角变化的曲线由图8可以看出，发电机失磁后，无功很快（在之前）减小到零，然后向负变化到较大值，失步后，按照滑差周期有规律的摆动。理论分析表明：失磁发电机维持的有功越大及滑差越大，失磁后从系统吸收的无功越大。3）定子电流定子电流，。发电机失磁后，有功功率基本不变，而无功先减小到零，故定子电流先减少到某一值，此后，由于发电机吸无量增大及定子电压降低，定子电流增大。发电机失步后，定子电流作周期性的摆动。发电机失磁失步运行时，维持的有功功率越大，定子电流越大；滑差越大，定子电流越大。失磁运行汽轮发电机定子电流与发电机维持的有功P及滑差S的关系曲线如图10所示。图10汽轮发电机无励磁运行定子电流随有功及滑差S变化曲线由图10可以看出：发电机维持的有功越大，定子电流越大；失步后滑差越大，定子电流越大。当有功功率小于0.4Pe时，发电机定子电流不会超过额定值，但当有功功率接近额定功率时，定子电流可达到2.62.8倍的额定电流。4）定子电压发电机失磁后，定子电压降低。原因是此时的机端电压等于系统电压减去系统联系电抗上的电压降。定子电压下降到某一值之后，按滑差周期有规律地摆动。发电机无励磁运行时维持的有功越大，定子电压降低得越多。5）机端测量阻抗发电机在不同的工况下，其机端测量阻抗的规迹不同。（1）等有功阻抗园正常运行时，若维持发电机的有功不变，无功变化时机端测量阻抗的轨迹为阻抗复平面上的一个园。将该园称之为等有功阻抗园，如图11上曲线所示。图11汽轮发电机机端阻抗测量轨迹在图11中：发电机与系统联系的等值电抗； 发电机同步电抗； 发电机暂态电抗。由图11可以看出，对于同步发电机，等有功阻抗园位于阻抗复平面上的第I象限与第VI象限上，其园心坐标及半径分别为（21）在式（21）中：无穷大系统电压；P发电机维持的有功；系统等值阻抗；等有功阻抗园半径。由式（21）及图11可知：发电机维持的有功越大，等有功阻抗园的半径越小，与系统联系电抗越大，等有功阻抗园向正方向移动的距离越大。（2）静稳极限阻抗园在不同工况下，若维持发电机功角等于90，则机端测量阻抗的轨迹为阻抗复平面上的一个园，如图11中的曲线所示。将该阻抗园称之静稳极限阻抗园。可以看出静稳极限阻抗园，通过阻抗复平面上的及两点，其园心坐标及半径分别为（22）在式（22）中：静稳极限阻抗园的半径；其他符号的物理意义同图11。（3）异步边界阻抗园发电机或同步调相机失磁失步后，机端测量阻抗的轨迹必然进入一个园内，将该园称之为异步边界阻抗园，如图11中的曲线3所示。该园通过阻抗复平面上的及两点，其园心坐标及半径分别为（23）在式（23）中：异步边界阻抗园的半径；其他符号的物理意义同图11。6）发电机失磁后机端测量阻抗的轨迹发电机失磁后，由于有功功率维持不变而无功功率由送出向吸收变化，故机端测量阻抗一定沿着等有功阻抗园由第1象限向第4象限变化；发电机失步后便进入异步阻抗园内。另外，由于发电机有剩磁或发电机部分失磁时，在失磁失步运行时，发电机除发出异步功率之外，尚有正、负变化的同步功率，从而使机端的测量阻抗不平断的变化（忽大，忽小）。在某些工况下可能忽而进入阻抗园内，忽而又跑至园外。4发电机失磁运行的危害理论分析及运行实践证明，发电机失磁失步运行，对电力系统、相邻机组、机组本身及厂用电系统均可能造成危害。1）对电力系统的危害发电机失磁之后，从向系统送出无功变成从系统吸收无功。发电机维持的有功越大，失磁运行时从系统吸收的无功越多。大机组带大有功失磁运行时，将从系统吸收的无功很多。如果系统无功贮备不足，大机组的失磁运行可能破坏系统的稳定性。2）对相邻机组的危害发电机失磁运行（特别是大机组失磁运行），从系统吸收无功。造成的无功缺额要由其他机组（特别是相邻机组）补充，可能使相邻机组过负荷或过电流。3）对厂用系统的影响发电机失磁后，机端电压降低，厂用电压降低，电动机惰转，电动机电流增大，进而引起厂用电压更低，电动机电流更大，恶性循环下去，可能使厂用系统瓦解。4）对发电机组本身发电机失磁运行对机组本身的危害是：定子过电流，转子过热。失磁发电机的过电流倍数，与发电机维持的有功有关，与失步后发电机的转差S有关。当发电机维持满载运行时，最大过电流倍数将达额定电流的2.62.8。发电机失磁失步运行时，转子过热值可按下式计算，即KSP（24）在式（24）中：K热值；S滑差；P有功功率。由式（24）可以看出，失磁发电机维持的有功越大及滑差越大，转子过热程度越大。总之，发电机失磁运行的危害，主要由三个因数决定，即发电机有功功率、发电机的类型及系统中的无功贮备。对于汽轮发电机，当失磁后维持的有功较小（小于额定功率的40%），短时（例如30分钟）失磁运行对发电机无危害；当系统无功贮备很多时，发电机失磁运行对系统并无多大的危害。发电机部分失磁失步运行，对发电机及系统的影响比完全失磁失步运行大。主要原因是：部分失磁失步运行时，正、负交变的同步功率很大，使发电机电流、电压及功率波动范围大，不利于重新拖入同步运行。二 阻抗型失磁保护构成原理阻抗型失磁保护，通常由阻抗判据（Zg）、转子低电压判据（Vfd）、机端低电压判据（Ug）、系统低电压判据（Un）及过功率判据（P）构成。（a）阻抗判据在DGT801系列装置中，阻抗判据动作特性见图6-12-1。可知，根据需要整定不同的阻抗园园心和半径可以获得静稳边界阻抗园（图中1边界），或异步边界阻抗园（图中3边界），或过原点的下抛阻抗园（图中2边界），或用过原点的两根切线切去一部分阻抗以满足进相运行，或用进相无功切线切去一部分阻抗以满足进相要求。图6-12-1 失磁保护阻抗园特性在图6-12-1中系统阻抗；、发电机电抗和暂态电抗；Q、 失磁保护整定值（b）转子低电压判据转子低电压判据中动作电压与发电机有功有关，故又称Vfd-P判据。其动作方程为 式中 转子电压计算值；发电机的有功功率计算值； ，保护整定值转子低电压动作特性如图6-12-2所示。图6-12-2 失磁保护Vfd-P元件的动作特性逻辑框图阻抗型失磁保护的逻辑框图如图6-12-3所示图6-12-3 阻抗型失磁保护框图由图可以看出：当发电机失磁导致机端低电压动作时，经延时t4发出信号并作用于出口（如切换励磁或切换厂用电源等措施）；当发电机失磁导致机组功率超过整定值时，经延时t5发出信号并作用于出口（如降出力）；当发电机失磁并导致系统低电压动作时，经延时t3发出信号并作用于跳闸；当发电机失磁阻抗元件满足，或同时转子低电压也满足时，经t1延时或t2延时发出信号并作用于出口（如解列灭磁）。三 调整试验1阻抗圆特性的检验录制阻抗圆特性的试验接线如图337所示。在图337中：端子A、B、C及 a、 b 、c 、N，分别为机端TV二次三相电压及机端（或发电机中性点）TA二次三相电流的接入端子；而、及、，则分别为试验三相电流及三相电压的输出端子。（1）三相法录制动作阻抗圆（a）动作阻抗整定值的校验（以异步边界圆为例）操作试验仪，使输出电流为三相对称正序电流，电流值为I（通常为2A），使输出电压为三相对称正序电压，其相电压值为57V，并使电流超前电压90。缓慢降低三相电压，至失磁保护动作。记录保护刚刚动作时的电压值Udz1。继续降低电压至保护动作返回，再缓慢升高电压值至保护重新动作。记录保护刚刚动作时的电压值Udz2。Udz2及Udz1均为动作时的线电压。按下式计算动作阻抗圆上的两个整定值： 以上两式中：XC及 XB分别为图335异步边界圆上C点、B点的阻抗值。要求：计算值等于整定值。最大误差小于5%。（b）动作阻抗圆的录制操作保护装置界面触摸屏，调出失磁保护适时参数显示界面或机端阻抗计算值显示通道。操作试验仪，使三相电流值为I（通常为2A），并使其超前三相电压的相角分别为30、60、90、120、150，重复（a）项中的操作试验及记录。观察并记录界面显示的R及X值。将试验结果列于表312表312 动作阻抗圆（I=2A）电压超前电流角度306090120150动作电压Udz1Udz2计算阻抗XR界面显示阻抗XR要求：计算阻抗与界面显示阻抗相等，误差5%。（2）动作特性（即ULP）曲线的录制对于DGT801系列装置，校验失磁保护转子电压元件的试验接线如图441所示。在图341中：A、B、C失磁保护用发电厂高压母线TV二次三相电压接入端子；A、B、C失磁保护用机端TV二次三相电压接入端子；a、b、c失磁保护用TA二次三相电流接入端子；1、2失磁保护跳主开关的出口接点；其他符号的物理意义同图339。合上刀闸K。调节测试仪，使加入保护的直流电压为最大，记录直流电压ufd。操作界面触摸屏，调出失磁保护适时参数显示界面。操作试验仪，使三相输出电压为三相对称正序电压，线电压值为100V；使三相输出电流为三相对称电流，电流值为5A；使三相电流与三相电压之间的夹角（电流滞后电压）维持45或60。记录界面上显示的有功功率P，阻抗R+jX（落在阻抗圆内），失磁保护动作。此时，应满足（325）式（325）中：ufd外加直流电压；P输入有功功率；Pf反应功率的计算值；Kf整定的转子电压系数。突加电流、电压，测量失磁保护的动作时间，该时间应等于：t=(t1+1.5)秒。式中：t失磁保护动作时间；t1整定动作时间。然后，调节测试仪，将电压降至ufd1，使其ufd1小于，而大于转子低电压元件的最小动作电压（最小动作电压为usdo一般为发电机空载的转子电压的0.8倍）。突加电流、电压，测量失磁保护的动作时间，该时间应等于t1+0