发电机、变压器与母线保护

./发电机、变压器与母线保护编写玉海.发电机保护第一节基本概念一发电机发电机的作用是将汽轮机或水轮机输出的机械能变换成电能。1主要构成发电机主要由定子和转子两部分构成。在定子与转子间留有适当的间隙,通常将该间隙称作为气隙。极对数为1的三相交流同步发电机的结构示意图如图1所示。在定子铁芯上设置有槽,每个定子槽分上槽和下槽,上槽及下槽中设置有定子绕组。每台发电机的定子绕组为三相对称式绕组,如图1中的a-x、b-y、c-z所示。所谓三相对称绕组是指三个绕组〔即a-x、b-y、c-z的匝数相等,其空间分布相对位置相距1200。在定子铁芯的上槽与下槽之间设置有屏蔽层。在转子铁芯上也有槽,槽设置有转子绕组〔如图1中的W－j所示。图1三相同步交流发电机结构示意图为提高发电机的单机容量及降低铁芯及绕组的温度,各种发电机均设置有冷却系统。小型发电机一般采用空气冷却方式,也有采用氢冷式；对于大型汽轮发电机,通常采用水冷及氢冷方式。2作用原理在转子绕组中〔图1中的W－j通入直流,产生一恒定磁场〔其两极极性分别为N－S。发电机转子由汽轮机或水轮机拖着旋转,恒定磁场变成旋转磁场〔通常称之气隙磁场。转子旋转磁场切割定子绕组,必将在定子绕组产生感应电势。由于转子磁场在气隙中按正弦分布,而转子以恒定速度旋转,从而使定子绕组中的感应电势按正弦波规律变化。发电机并网运行时,定子绕组中出现感应电流,向系统输出电能。3发电机的额定转速转子磁场旋转时,每转过一对磁极,定子绕组中的电势便历经一个周期。因此,定子绕组中电势的频率可由每秒钟转过磁极的极对数来表示。设发电机的极对数〔即一个N、一个S为P,每分钟的转速为n,则频率转速…………………〔1汽轮发电机的极对数P＝1,当电网的频率f＝50赫时,n＝3000转/分。对于水轮发电机,其极对数较多,故允许其转速转低,当P＝4时,水轮机的转速n=750转/分,当极对数P＝24时,其转速为125转/分。4两种旋转磁场〔1直流激磁旋转磁场直流激磁旋转磁场,又叫机械旋转磁场。在同步发电机转子上装设有转子绕组,通入直流后产生直流激磁的磁极,当转子旋转时,在气隙形成旋转磁场。该旋转磁场与转子无相对运动。气隙旋转磁场的转速与转子的转速相同。发电机正常运行时,转速为同步速。〔2交流激磁的旋转磁场发电机定子三相对称电流流过三相对称绕组时,将在气隙中产生旋转磁场。该旋转磁场由三相交流产生,故称交流激磁的旋转磁场。发电机正常运行时,两种旋转磁场的转速均等于同步速,它们之间无相对运动。又因为转子的转速也等于同步速,因此,定子旋转磁场与转子之间无相对运动,而转子磁场紧拉着定子旋转磁场转动。5发电机的冷却方式根据冷却介质流通的路途,同步发电机的冷却方式,可分为外冷式及冷式两种。外冷式又称之表面冷却方式,其冷却介质有空气及氢气两种；冷式称之直接冷却方式,其冷却介质有氢气及水两种。当采用水冷却方式时,绕组为空心铜制绕组,冷却水直接由绕组流通。目前,大型汽轮发电机定子绕组的冷却方式,多采用水冷方式。有些发电机的转子绕组也采用水冷方式。将转子绕组及定子绕组均由水冷冷却的发电机,称之双水冷发电机。6并网运行汽轮发电机电势与端电压的关系发电机并网运行时,向系统送出有功及无功。此时,机端电压与发电机电势的关系是…………………〔1式中：－发电机电势；U－机端电压；I－发电机定子电流；－发电机的同步电抗。若以机端电压为参考向量,及的向量关系如图2所示。图2机端电压与电势的向量关系在图中：－功率因数角；－发电机电势与机端电压之间的夹角,又称之功角。由图2可以看出,当发电机送出有功及无功时,发电机电势E0大于机端电压U。当发电机从系统吸收无功时,发电机电势将小于机端电压。7发电机的阻抗若不及电阻分量,发电机的阻抗有同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗、负序电抗和零序电抗。〔1同步电抗发电机的同步电抗也叫正序电抗。正常运行时发电机的电抗,称之同步电抗；〔2负序电抗发电机不对称运行时,负序电流产生负序旋转磁场,负序旋转磁场以2倍同步转速切割转子绕组。负序电抗等于机端负序电压与定子绕组中负序电流的基波分量之比。〔3零序电抗零序电抗具有漏抗的性质,其大小决定于零序电流产生的漏磁通。〔4暂态电抗当定子电流突然变化时,在转子绕组中产生感就电势〔像变压器一样,在转子回路中产生感应电流。该电流的作用使定子电抗减小,将减小后的电抗称之为暂态电抗。〔5次暂态电抗当转子上有阻尼绕组时,若定子电流突然变化,由于阻尼绕组回路的阻抗不能突变,致使磁路的磁阻很大,相应的电抗更小。二电压互感器及电流互感器〔TV及TA1电压互感器将电力主设备一次高电压降低至与一次电压成比例的较小电压,然后送至测量仪表或保护装置的设备,称之为电压互感器〔TV。它相当一个二卷或三卷降压变压器。〔1特点A、一次绕组匝数很多,二次或三次绕组匝数很少,其阻很小,相当一定压源。B、变比,设一次设备的额定电压为。在小电流系统中,保护用TV变比为KV；在大电流系统中,保护用变比为KV；发电机中性点TV的变比应为KV。C、保护用三相TV的接线方式,通常采用YN,yn,。D、运行中TV二次不能短路。〔2类型按一次绕组两端对地绝缘的状态分类,TV可分为两类,即全绝缘TV及半绝缘TV。所谓全绝缘TV是指一次端部绕组及中性点处绕组的对地绝缘完全相同；而半绝缘TV则是TV一次端部绕组的对地绝缘远高于中性点处绕组的对地绝缘。2电流互感器TA将电力系统一次大电流降低到与一次电流成比例的小电流,然后送到测量仪表、自动装置及保护装置的设备,称之为电流互感器TA。其特点是：A、一次匝数少〔最少为一匝,二次匝数很多,其阻很大,对外相当于一定流源；B、运行中TA二次不得开路。3电压互感器及电流互感器的接地为防止运行中由于互感器一次与二次之间绝缘击穿使一次高电压串到二次回路中,而危及人身及二次设备的安全,TA及TV二次必须有一个可靠的接地点,通常称之"保安接地"。对于TA采用TA二次中性点接地；而对于TV可采用二次中性点接地〔即N接地,也可采用B相接地。第二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,励磁机纵差保护。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。第三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。一纵差保护的分类1按输入电流的不同分类发电机差动保护由三个分相差动元件构成。若按由差动元件两侧输入电流的不同进行分类,可以分成完全纵差保护和不完全保护两类。其交流接入回路分别如图3〔a和图3〔b所示。<a><b>图3发电机纵差保护的交流接入回路在图3中：Ja、Jb、Jc－分别为发电机A、B、C三相的差动元件；A、B、C－发电机三相输入端子。由图3可以看出,发电机完全纵差保护与不完全纵差保护的区别是：对于完全纵差保护,在发电机中性点侧,输入到差动元件的电流为每相的全电流,而不完全差动保护,由中性点输入到差动元件的电流为每相定子绕组某一分支的电流。2按制动方式分类为确保区外故障时纵差保护可靠不动作,在差动元件中设置有制动量。按制动方式分类,差动保护可分为比率制动式和标积制动方式。3按出口方式分类目前,发电机纵差保护均采用由三个差动元件构成的分相差动保护。由于发电机电压系统系小电流接地系统,故保护的出口既可以采用单相出口方式,也可以采用循环闭锁出口方式。所谓循环闭锁出口方式,是指：在三个相差动元件中,只有二个或三个元件动作后,保护才作用于出口。另外,为防止发电机两相接地〔一个接地点在差动保护区,另一个接地点在差动保护区外短路时差动保护拒绝出口,一般采用由负序电压元件去解除循环闭锁措施。此时,当负序电压元件动作之后,只要有一相差动元件动作,保护就作用于出口。二动作方程目前,国生产及广泛应用的发电机差动保护装置,为提高区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…………………〔1式中：－差动电流,完全纵差：,不完全纵差：；－制动电流,完全纵差：,不完全纵差：,标积制动式完全纵差时：,标积制动式不完全纵差时：；－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；K－由中性点流入差动TA的电流与中性点全电流的比值；Φ－与之间的相位差。三动作特性具有两段折线式发电机纵差保护的动作特性如图4所示。由图4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。在图4中：－最小启动电流；－拐点电流；－动作电流〔差电流；－制动电流；－制动系数,。图4发电机纵差保护动作特性某些厂家生产的发电机差动保护的动作特性,采用所变谓斜率〔变制制系数的动作特性,实际上是多段折线式的动作特性。数十年的运行实践表明,只要对各参数〔、及进行合理的整定,图4所示的动作特性,完全可以满足发电机对差动保护动作可靠性及动作灵敏度的要求。四逻辑框图发电机纵差保护的出口方式：有单相出口方式及循环闭锁出口方式两种,其逻辑框图分别如图5〔a及图5〔b所示。〔a单相出口方式的发电机纵差保护逻辑框图〔b循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图图5发电机纵差保护逻辑框图由图5〔a可以看出：当采用单相出口方式时,只要有一相差动元件动作,保护即作用于出口。由图5〔b可以看出：当采用循环闭锁出口方式时,只有二相差动元件动作后,才作用于出口；但是,当出现负序电压时,只要有一相差动元件动作,保护即作用于出口。五整定原则及取值建议由纵差保护的动作特性可以看出,对其定值的整定,主要是确定其构成三要素：即比率制动系数,最小动作电流和拐点电流。1最小动作电流最小动作电流也叫启动电流或初始动作电流。对于动作特性为两段或多段折线式纵差保护,最小动作电流实质是无制动时的动作电流。对的整定原则是：按躲过正常工况下的最大不平衡电流来整定。可按下式进行整定…………………〔2式中：－可靠系数,通常取1.5~2；－TA变比误差,10P级互感器误差为0.03,故可取0.06〔考虑两侧TA正、负误差；－保护装置通道传输变换及调整误差,可取0.1；－发电机额定电流,TA二次值。代入式〔2可得＝〔0.24~0.32,一般取0.3。对于不完全纵差保护,尚应考虑每相分支电流的不平衡,故还应适当提高定值。2拐点电流理论上分析,外部故障时短路电流总比发电机的额定电流大,因此,其纵差保护的拐点电流应大于或等于其额定电流。但是,由于差动保护的初始动作电流是按照发电机正常工况的不平衡电流来整定的,未考虑暂态过程的影响,故在外部故障切除后的暂态过程中,若无制动作用,则差动保护有可能不正确动作。在外部故障切除后的暂态过程中,由于差动两侧TA二次的暂态特性不能完全相同,致使差动两侧电流之间的相位发变化,从而使不平衡电流增大。此外,若拐点电流过大,由于无制作用可能致使差动保护误动。因此,应取〔0.5~0.8。3比率制动系数比率制动系数的取值原则,应按使差动元件躲过发电机外部三相短路时产生的最大不平衡电流来整定。区外三相短路时,差动元件可能产生的最在不平衡电流为…………………〔3式中：－最大不平衡电流；－最大短路电流；－TA的10%误差；－通道的变换及传输误差,取0.1；－两侧TA暂态特性不一产生的误差,取0.05。代入式〔3得＝0.25,当不计拐点电流时,差动元件的比率制动系数应为,可取0.3~0.4。对于不完全纵差保护,当两侧差动TA型号不同时,可取。4解除循环闭锁的负序电压元件定值一般按高压母线出线末端故障产生的负序电压来整定。通常六对各类发电机纵差保护的评价各种类型的发电机纵差保护均有自己的特点。1完全纵差保护发电机完全纵差保护,是发电机相间故障的主保护。由于差动元件两侧TA的型号、变比完全相同,受其暂态特性的影响较小。其动作灵敏度也较高,但不能反应定子绕组的匝间短路及线棒开焊。2不完全纵差保护不完全纵差保护除保护定子绕组的相间短路之外,尚能反应定子线棒开焊及某些匝间短路。但是,由于在中性点侧只引入其一分支的电流,故在整定计算时,尚应考虑各分支电流不相等产生的差流。另外,当差动元件两侧TA型号不同及变比不同时,受系统暂态过程的影响较大。3比率制动式与标积制动式两者均能有效躲过区外故障,其动作特性也完全相同。当区外故障时,标积制动方式纵差保护与比率制动式纵差保护工况完全相同。不同的是标积制动式纵差保护的制动电源反映两侧电流之间的相位敏感,故部故障时其灵敏度更高〔因制动量为负值。第四节发电机横差保护发电机横差保护适用于定子绕组为多分支的发电机,当某相中某一分支发生匝间短路或某相两分支之间在不同匝数处发生短路时,横差保护应立即动作切除发电机。一横差保护的分类根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数量不同,发电机横差保护可分为单元件横差和三元件横差。三元件横差又称裂相横差。二单元件横差保护单元件横差保护,适用于每相定子绕组为多分支,且有两个或两个以上中性点引出的发电机。1交流接入回路及动作方程单元件横差保护的输入电流,为发电机两个中性点连线上的TA二次电流。以定子绕组为每相两分支的发电机为例,其交流接入回路如图6所示。图6单元件横差保护的交流接入回路其动作方程为…………………〔4式中：－中性点TA二次电流；－横差保护动作电流整定值。2逻辑框图横差保护是发电机部短路的主保护,应无延时动作。但考虑到转子两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动,故在转子一点接地保护动作后,使横差保护带一个小延时动作。保护动作逻辑框图如图7所示。图7单元件横差保护逻辑框图3定值的整定对单元件横差保护的整定,主要是确定动作电流及动作延时。〔1动作电流目前,在单元件横差保护中,设置有三次谐波滤过器。因此,其动作电流应按躲过系统发生不对称短路或发电机失磁失步运行时转子偏心产生的最大不平衡电流。…………………〔5式中：－可靠系数,取1.5；－额定工况下,同相不同分支绕组由于参数的差异产生的不平衡电流,最大可取；－正常工况下气隙不均匀产生的不平衡电流,取0.05；－异常工况下转子偏心产生的不平衡电流,取0.1。将各参数代入式〔5得＝〔0.3~0.35,可取0.35。〔2动作延时动作延时可取0.5~1秒。三裂相横差保护1交流输入回路裂相横差保护由三个横差元件构成,每个元件两侧的输入电流分别接在某相定子绕组两分支〔或两分支组上的TA二次。以A相横差元件为例,其交流接入回路如图8所示。图8A相横差保护交流接入回路由图可以看出：由于两组TA二次呈反极性连接,且在正常工况下一次电流,故流入差动元件的电流为零。当定子绕组的某一分支匝间短路或两分支不同匝间短路时,图中的一次电流,故在差回路中产生差流,保护动作。2逻辑框图在转子两点接地之后,为避免横差保护抢先动作,对于裂相横差保护应具有短动作延时。裂相横差保护的逻辑框图如图9所示。图9裂相横差保护逻辑框图3动作方程及动作特性图9中的横差元件,可以采用具有比率制动特性的差动元件,也可以采用像单元件横差元件那样的过电流元件。采用过电流元件时,其动作方程为…………………〔6式中：－差回路中的差流；－差动元件动作电流整定值。采用具有比率制动特性的差动元件时,其动作方程为式中：－差流,；－制动电流,；－初始动作电流；－比率制动系数；－拐点电流；、〔TA二次值－分别为某相定子绕组分支〔或分组电流。根据式〔6可以划出如图10所示的动作特性。图10裂相横差保护的动作特性在图10中：各种符号的物理意义同式〔6。4整定计算〔1采用过电流元件时动作电流应按躲过区外不对称短路时产生的最大不平衡差流来整定。…………………〔7式中：－可靠系数,取1.15~1.2；－两侧TA的10%误差,取0.1；－通道传输及调整误差,取0.1；－不对称短路时,由于转子偏心造成的误差取0.1。将以上各数据代入式〔7,可得可取〔2采用具有比率制动特性的差动元件时对其定值的整定,主要是确定最小动作电流,拐点电流及比率制动系数。A、最小动作电流按躲过正常工况下产生的最大不平衡电流来整定。…………………〔8式中：－可靠系数,取1.5~2；－两侧TA变比误差,取0.06；－气隙磁场不均匀产生的误差,取0.05；－保护装置通道传输及调整误差,取0.1。代入式〔8可得＝〔0.25~0.27,可取0.2。B、拐点电流在额定工况下,保护的制动电流约为0.5,因此,拐点电流可取〔0.3~0.4。C、比率制动系数比率制动系数可取0.4。第五节纵向零序电压式发电机定子匝间保护发电机定子绕组发生匝间短路时,将出现纵向零序电压。纵向零序电压式匝间保护是以纵向零序电压为判据构成的发电机匝间短路保护。一交流接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：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。保护装置的交流接入回路如图10所示。图10纵向零序电压式匝间保护交流接入回路在图10中：对保护接入专用TV二次电压的目的是用于TV断线闭锁。二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。对于微机型保护装置,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11所示。图11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。三专用TV断线闭锁元件匝间保护及式定子接地保护TV断线闭锁,在TV一次断线时应动作。为防止TV一次断线时保护误动,通常采用比较两组TV二次电压大小及相位差的原理。国已采用过的反应TV一次断线的TV断线闭锁装置,其构成原理有两种：一种是比较TV二次三相电压向量和比较式,另一种是电压平衡原理。1三相电压向量和比较式反映TV二次三相电压向量和的比较式TV断线闭锁装置,是按对专用TV及普通TV二次三相电压的向量和进行绝对值比较的原理构成。其动作方程为…………………〔9…………………〔10在式〔9和〔10中：、、－专用TV二次三相电压；、、－普通TV二次三相电压。式〔9表示专用TV一次断线；式〔10表示普通TV一次断线。正常工况下,TV二次三相平衡,其向量之和近似等于零。当专用TV一次某相断线时V,而普通TV二次。反之,当普通TV一次断线时,,而V。因此,式〔9及式〔10能正确反应TV一次断线。但是,由于专用TV一次中性点不接地,而普通TV一次中性点直接接地,当发电机定子绕组发生单相接地进,断线闭锁元件将误判普通TV断线。2电压平衡式原理电压平衡式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12所示。图12电压平衡式TV断线闭锁逻辑框图在图12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12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。分析表明：当发电机定子绕组一点接地时,断线闭锁装置不会误动。四负序功率方向负序功率方向元件的接入电压为机端普通TV二次三相电压,接入电流为机端TA二次三相电流。负序功率方向元件的作用,是防止区外故障及因任何原因使专用TV三次回路异常时匝间保护误动。为此,其动作方向应指向发电机,当发电机输出负序功率时,允许保护动作。五定值整定对纵向零序电压式匝间保护的整定,主要是确定纵向零序电压元件的动作电压,断线闭锁元件的差压,负序电压元件的动作电压。1动作电压动作电压的整定原则是：能可靠躲过正常工况下由于发电机纵向不对称及TV一次或三次参数不一致产生的零序电压；另外,在定子绕组发生最少匝间短路时,保护应可靠动作。对于定子绕组为单Y连接的发电机,其整定值可适当增大。例如对于电机厂生产的125MW双水冷式汽轮发电机,可取8V以上；而对于容量为200MW~300MW、定子绕组呈双Y连接的汽轮发电机,可取3V左右。2压差压差的整定值,应确保专用TV一次断线时,其二次相间电压与普通TV同名相相间电压之差等于其2~3倍。多卷式石英沙型TV一次保护熔断时,因两断点之间的距离很近而不能使TV一次电压完全消失,故该差压可取6~8V。3负序功率方向元件的动作方向为防止因专用TV三次回路异常或一次保险熔断不干脆使保护误动,负序功率方向元件的动作方向应指向机。4负序电压元件的动作电压负序电压元件的动作电压,应保证正常工况不误动,通常取6~8V。五提高动作可靠性措施为确保纵向零序电压式匝间保护动作可靠性,除增加一动作小延时及设置负序功率方向元件之外,尚应保证专用TV二次及三次回路满足反措要求。在TV三次回路不应设置保险或隔离刀闸的辅助接点；在TV端子箱TV二次和三次回路严格分开。另外,专用TV一次中性点对地绝缘应高〔采用全绝缘式TV,一次中性点通过高压电缆与发电机中性点联接起来,决不允许一次中性点接地。第六节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13中的〔a、〔b所示。〔b图13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13〔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。二零序电压及安全接地电流设定子A相接地,接地点距中性点的电气距离为,则机端对地电压为。接地点的零序电压…………………〔11由式〔11可以看出,定子单相接地时,发电机系统的零序电压与接地点的位置有关,如图14所示。图14零序电压与接地位置的关系在图14中：－发电机相电压额定值；－发电机系统的零序电压；－接地点距中性点的电气距离,机端接地时,＝1。可以看出：接地点距中性点越远,零序电压越高。机端接地时零序电压最大〔等于发电机相电压；中性点接地时,零序电压等于零。接地时的最大电容电流为………………〔12式中：－机端接地时流过接地点的电容电流,单位为安培；－发电机电压,单位KV；－发电机对地容抗,单位法拉。所谓发电机的安全接地电流,是指长期流过接地点、而不损坏发电机定子铁芯的最大电流。对于不同电压等级及不同容量的发电机,其安全接地电流不同。发电机电压越高及容量越大,其安全接地电流越小。安全接地电流与发电机电压及容量的关系列于下表。发电机电压容量安全接地电流备注6.3KV50MW及以下4A10.5KV50~100MW3A13.8~15.75KV125~200MW2A氢冷发电机2.5A18KV以上300~600MW1A三发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压各种类型发电机运行时,均会产生三次谐波电势。在额定工况下,发电机的三次电压可能超过其额定电压的5%。发电机定子绕组对地有分布电容。因此,在发电机定子绕组及对地分布电容构成的回路中,将流过三次谐波电流,从而在发电机端及中性点对地之间产生三次谐波电压。1发电机三次谐波电量的等值回路作以假设：发电机定子绕组对地的分布电容沿发电机定子绕组均匀分布,其总电容为；发电机出线及连接元件〔厂高变高压侧,主变低压侧对地总电容为；发电机的三次谐波电势为。若将电容分成两等分,其一置于机端,另一置于中性点,则发电机三次谐波电流流通的等值回路如图15所示。图15三次谐波电量的等级回路在图15中：－发电机的三次谐波电势；－三次谐波电流；－发电机的对地总分布电容；－发电机出线及所连元件对地总电容。由图可以看出：三次谐波电势通过对地电容产生三次谐波电流,三次谐波电流在机端及中性点对地容抗上产生压降,从而形成机端三次谐波电压及中性点三次谐波电压。还可以看出,由于机端对地电容〔+比中性点对地电容大,故＜。+≈。机端三次谐波电压的大小可在机端TV开口三角绕组两端测量；而中性点的三次谐波电压,可在中性点TV〔或消弧线圈或配电变压器二次进行测量。2、及的变化规律理论分析及测量表明,对于大多数发电机,其三次谐波电势随基波电势的增大而增大。在并网之前,机端及中性点的三次谐波电压随发电机电压升高而升高；在并网之后,对于汽轮发电机,机端及中性点三次谐波电压随有功的增大而增大；而对于水轮发电机则随着无功功率的增大而增大。测量表明,在从发电机零起升压到负荷的全过程中,与之间的相位变化不大。3定子接地时接地点位置对及的影响分析表明,发电机定子绕组发生接地故障时,对及之间相对大小及相对相位均有影响。接地点的位置不同,及之比不同。当机端接地时,＝0,而最大；而中性点接地时,＝0,而最大。及随接地点的变化规律如图16所示。图16及的大小与接地位置的关系4机端连接元件的变化对及的影响机端连接元件对及的影响,主要是连接元件对地电容的影响。不同的连接元件,对地电容不同。连接元件对地电容越大,其影响越大。理论分析及测量结果表明：当发电机断路器两侧对地并有电容时,发电机并网后增大而减小。三发电机定子接地保护统计表明,在发电机的各种故障中,定子接地故障占的比例很大。为确保发电机的安全,当出现定子绕组接地故障时,应即时发现并作相应的处理。这要靠定子接地保护。规程规定,对容量为100MW及以上的发电机,应装设100%定子接地保护〔即没有死区的接地保护。1定子接地保护的类别定子接地保护的种类很多。其中有零序电压式,零序电流式,三次谐波电压式,叠加直流式,叠加交流式,注入式等等。2零序电流式定子接地保护目前,用的零序电流式定子接地保护有两种。一种用于小机组,另一种用于大机组。小机组零序电流式定子接地保护的原理构成接线图如图17所示。图17零序电流式定子接地保护构成示意图在图中：TA－零序TA,套在发电机三相出线上。由图可以看出,接地保护实际上由一接在零序TA二次的电流元件及时间元件构成。零序TA无变比,靠漏磁使一次零序电流〔即电容电流传递至二次的。该保护的优点是：构成简单及选择性强,可以区分接地点在机还是在机外。其缺点是：由于零序TA尺寸的限制,只能用于小机组。用于大机组零序电流式定子接地保护的原理接线图如图18所示。图18零序电流式定子接地保护构成示意图在图18中：R－发电机中性点对地附加电阻,通常为1KΩ；TA－电流互感器。当定子绕组接地,有电流流过中性点,电流元件动作,经延时作用于出口。该保护的优点是：构成简单。其缺点是：有死区,在中性点附近接地时不动作,不能满足大机组对接地保护的要求；另外,增加了流过接地点的电流,对发电机很不利。3叠加式定子接地保护叠加式定子接地保护有两类,其一是叠加直流式,另一是叠加低频交流式〔例如叠加一12.5Hz的低频电压。叠加式定子接地保护的优点是：动作灵敏度高〔特别是叠加直流式及无死区〔100%定子接地保护。缺点是构成复杂,需要一套外加电源。4零序电压式定子接地保护零序电压式定子接地保护的零序电压,可取自机端TV三次开口电压,也可取自发电机中性点TV二次〔或消弧线圈或配电变压器二次。其动作逻辑框图如图19所示。图19零序电压式定子接地保护逻辑框图在图19中：＞－零序电压元件。当零序电压元件＞接于至机端TV三次时,为防止TV一次断线保护误动,应设置TV断线闭锁。该保护的优点是：构成简单,动作可靠,其缺点是有死区,在从中性点向机10~15%的定子绕组接地时,该保护不动作。四双频式100%定子接地保护双频式定子接地保护,由两部分组成。其一是基波零序电压式接地保护,另一是三次谐波式定子接地保护。基波零序电压式接地保护的保护围是：由机端向机85%~90%的定子绕组接地。三次谐波式定子接地保护的保护围决定于其构成方式,主要用于保护由发电机中性点向机15~20%左右的定子绕组接地。1交流接入回路双频式100%定子接地保护的交流接入回路如图20所示。图20双频式定子接地保护交流接入回路图20中：TV1－中性点电压互感器〔或消弧线圈或配电变压器；TV2－机端电压互感器。多数定子接地保护不引入中性点TV二次电压,因此,当机端TV一次断线时,保护要误动,故需设置专用的TV断线闭锁元件。2逻辑框图〔1定子接地保护的逻辑框图目前,国应用的定子接地保护,根据接入的零序电压的取处,其动作逻辑框图有三种形式。图19所示的逻辑框图为零序电压取自机端三次的构成形式。当零序电压取自中性点TV〔或消弧线圈或配电变压器二次时,不需设置TV一次断线闭锁,故其逻辑框图为图21所示。图21零序电压式定子接地保护逻辑框图〔电压取自中性点TV或消弧线圈二次第三种形式保护的逻辑框图如图22所示。图22零序电压式定子接地保护逻辑框图在图22中：＞－零序电压取自机端的电压元件；＞－零序电压取自发电机中性点的电压元件。图22所示的零序电压式定子接地保护,不需要设置TV断线闭锁,其动作可靠性高。〔2定子接地保护的逻辑框图目前,国生产并广泛应用的定子接地保护的构成方式有两种：其一是幅值比较式,另一是幅值相位比较式。A、动作方程所谓幅值比较式,是比较中性点三次谐波电压与机端三次谐波电压的幅值。其动作方程为………………〔13式〔13中：－调平衡系数；－制动系数；－浮动门坎电压；－机端三次谐波电压；－中性点三次谐波电压。幅值相位比较式,是同时比较中性点三次谐波电压与机端三次谐波电压的大小及相位。其动作方程为………………〔14式〔14中：、－幅值、相位平衡系数；－制动系数；其他符号的物理意义同式〔13。B、逻辑框图三次谐波电压式定子接地保护的逻辑框图,如图15所示。图23定子接地保护逻辑框图〔3定值的整定A、零序电压式定子接地保护的整定对零序电压式定子接地保护的整定：是确定电压元件的动作电压及时间元件的动作时间。电压元件动作电压整定原则：当保护装置中有性能良好的三次谐波滤过器时,应按躲过正常工况下TV开口或中性点TV二次可能出现的最大基波零序电压来整定。………………〔15式中：－零序电压元件动作电压；－可靠系数,取1.5~2；－正常运行发电机出现的最大横向电压。影响的因素很多,主要有发电机三相电压系统对地不平衡,机端TV三相参数不一致,TV三相负载不均等。发电机定子引出线不是封闭母线时,可取10~13V；当发电机母线为封闭时,可取8~10V。当主变高压侧发生接地短路故障时,高压侧的零序电压可通过变压器两侧的耦合电容传递至发电机系统。当定子接地保护不引入高压侧零序电压作为制动量时,其动作延时t,应按与主变高压侧接地故障保护的后备段相配合………………〔16式中：－定子接地保护动作延时；－主变高压侧零序保护后备段最长动作时间；－时间级差,一般取0.3~0.5S。B、定子接地保护的整定幅值、相位平衡系数、应在发电机空载额定电压下或小负荷工况下调平衡整定。而制动系数的确定应按下述原则进行：水轮发电机取0.2左右；汽轮发电机可取0.6~0.8。五提高双频式定子接地保护动作可靠性措施双频式定子接地保护,可以有效保护发电机定子绕组上任一点的接地故障,当发电机机端连接元件对地绝缘降低或接地时亦能反应。如果发电机引出线及所连元件露天安置时,雨天〔特别是污尘严重地区保护可能误动。此时,为提高保护的动作可靠性,在计算其整定值时,不宜整定得过于灵敏。三次谐波电势、中性点及机端三次谐波电压的大小和相位关系,与发电机类型、结构、运行方式均有关。因此,应在发电机运行工况下对定子接地保护进行调整及整定〔最好在空载额定电压下或小负荷时进行整定及调整。保护的输入回路应满足反措要求：机端TV三次回路中不应设置保险或隔离刀闸的辅助接点；TV三次回路与二次回路应在TV端子箱处分开,不应有公共回路；中性点TV〔消弧线圈或配电变压器二次不应设置保险及其他辅助接点,其二次回路中只能有一个接地点,且接地点在保护盘上；中性点TV一次不应装保险；机端TV三次回路不允许有多点接地现象。当定子接地保护采用幅值相位比较式时,机端TV一次中性点及发电机中性点TV〔或消弧线圈或配电站一次应可靠接地,机端TV一次中性点不允许经消谐器接地。当发电机中性点经消弧线圈或单相TV接地时,如果其一、二次之间的变比等于KV时,整定的幅值、相位比较式保护,其在0.9~1.1之间,一般小于0.1。不应大于1。对于发电机出口断路器两侧并有接地电容、或发电机电压系统有电缆出线、或扩大单元接线〔两台机公用一台变压器时,宜设置两套保护,分别在不同工况下投入运行。为防止机端TV一次保险保险熔断特性不良致使定子接地保护误动,保护的引入电压可取中性点TV或消弧线圈或配电变压器的二次,亦可取机端元件与中性点元件组成的"与门"作为定子接地保护〔其逻辑回路如图22所示。应当指出的是：如果采用接入中性点TV二次〔或消弧线圈或配电变压器二次电压的接地保护,在整定动作电压时,应注意TV的变比。只有在其变比为KV时,其动作电压定值与接入机端时机同。当厂高变低压侧的中性点〔低压绕组接成Y型经小电阻接地时,发电机接地保护定值的整定,尚应考虑与厂高变低压侧的接地保护相配合。为确子接地保护回路正确、定值整定无误,在机组启动时应作机端及中性点的真机接地试验。第七节发电机失磁保护一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23所示。图23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,则图23的等值网路,如图24所示。图24并网运行发电机的等值网路在图23及图24中：－发电机电势；－发电机与系统联接的等值阻抗,其中娄电机的同步电抗,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24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25并网发电机电势与无穷大系统电压向量关系图在图25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24。在图25中,通常将角称之为功角。由图25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25。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26所示。图26并网运行发电机的功角特性在图26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25。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。二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27所示,功角特性由曲线eq\o\ac<○,1>向eq\o\ac<○,2>、eq\o\ac<○,3>、eq\o\ac<○,4>……变化。图27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27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28所示。图28发电机异步功率随转差S的变化在图28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eq\o\ac<○,1>－汽轮发电机曲线；曲线eq\o\ac<○,2>－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。三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25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29所示。图29发电机无功随功角变化的曲线由图29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30所示。图30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30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2.6~2.8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31上曲线eq\o\ac<○,1>所示。图31汽轮发电机机端阻抗测量轨迹在图31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31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31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900,则机端测量阻抗的轨迹为阻抗复平面上的一个园,如图31中的曲线eq\o\ac<○,2>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31。〔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,将该园称之为异步边界阻抗园,如图31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31。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。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,忽而又跑至园外。四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2.6~2.8。发电机失磁失步运行时,转子过热值可按下式计算,即K＝SP………………〔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。水轮发电机不允许失磁运行。主要原因有二。其一是其异步转矩小,失磁之后滑差很大,对发电机的危害很大；其二是机组振动大,危及发电机组本体。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、电压及功率波动围大,不利于重新拖入同步运行。五失磁保护1对失磁保护的要求前已述及,发电机失磁运行对机组本身及系统均有影响。因此,发电机失磁保护既是机组保护,又是系统保护。另外,在对发电机及系统无损害的情况,汽轮发电机可以维持一定功率〔例如0.4倍的发电机额定功率无励磁运行30分钟左右,这对发电厂及系统的经济运行很有利。根据上述情况对失磁保护提出以下要求、需有快速、可靠的失磁检测元件,当发电机失磁后能快速检查出失磁；具有失磁危害判别元件,以判断发电机失磁运行对系统对机组的影响；具有自动处理功能,能根据失磁运行的危害程度自动选择出口方式,例如作用于减有功、切厂用、或作用于跳灭磁开关或切除失磁机组；躲系统不正常运行〔例如故障的能力强。2失磁检测元件分析表明,能够检测发电机失磁运行的元件有：转子欠电流元件,转子低电压元件,异步阻抗元件及逆无功+过电流元件等。〔1转子欠电流元件因灭磁开关误跳,励磁调节系统故障及转子回路开路等引起的发电机失磁的主要特点是转子电流呈指数规律衰减。因此,用转子欠电流元件可以反映发电机失磁。但是,由于运行时转子电流变化围很大〔例如,由空载的100A到满载的1500A,确定整定值极为困难,因此,在大机组失磁保护中不能采用。〔2转子低电压元件用转子低电压元件可以反映发电机失磁,但是,当转子电压低时不一定是失磁故障。另外,与转子电流一样,发电机运行时,转子电压变化围很大,无法确定合理的整定值。因此,不能单独由转子电压元件来检测发电机失磁。〔3异步边界阻抗元件发电机失磁失步之后,机端测量阻抗的轨迹将位于异步边界阻抗园。因此,用异步边界阻抗元件可以检查发电机失磁运行。〔4逆无功+过流元件发电机失磁及励磁降低到不允许程度的唯一标志是逆无功及过流同时出现。并网运行发电机失磁之后,无功很快进相〔功角在900之前便进相,此时,若发电机维持的有功较大,定子过电流。因此,由无功方向元件与定子过负荷元件构成的检测元件,能较好地检测发电机不允许失磁运行。3危害判别元件〔1危害系统的判别元件目前,国外广泛采用的发电机失磁运行对系统危害的判别元件,是系统低电压元件。低电压元件的接入电压通常取发电厂高压母线电压。〔2危及厂用系统的判别元件发电机正常运行时,该机组的厂用电源由发电机供给,因此,通常采用机端低电压元件,作为发电机失磁运行时对厂用电危害的判别元件。〔3危害机组的判别元件前已述及,发电机失磁运行对机组的主要危害是转子过热及定子过流。失磁运行发电机维持的有功越大,转子过热越严重,定子过流倍数越大。因此,用功率元件可以间接判别失磁运行对机组本般的危害。另外,失磁的发电机滑差越大,转子过热越严重,定子过流倍数越大。可以由滑差元件作为对机组危害的判别元件。4躲系统异常运行元件系统异常运行方式主要有：系统振荡、系统故障。在失磁保护中,采用一定的出口延时,可躲过系统振荡；采用负序电压元件可躲系统故障及故障切除后系统振荡对失磁保护的影响。另外,对阻抗型失磁保护,还应有TV断线闭锁元件。5阻抗型失磁保护目前,在国,由于设计规程的"帮助"〔不适当的干涉,阻抗型失磁保护特别由低阻抗元件及转子低电压元件构成的失磁保护应用较多。〔1构成框图由低阻抗元件及转子低电压元件构成的失磁保护的逻辑框图如图32所示。图32阻抗型失磁保护逻辑框图在图32中：－低阻抗元件；－系统低电压元件；－转子低电压元件；－发电机低电压元件；、－时间元件。由图可以看出：当低阻抗元件及转子低电压元件同时动作时,即判断出发电机失磁。发电机失磁后,机端低电压元件必定动作,经延时作用于切换厂用电。如果发电机失磁后系统低电压元件也动作,则经过延时作用于切除发电机。当机端TV断线时,将失磁保护闭锁。〔2低阻抗元件低阻抗元件的动作特性,为阻抗复平面上的一个园。根据现场要求,该园可以整定成静稳边界园,异步边界园或过坐标原点的下抛园。如图33所示。图33阻抗元件动作特性在图33中：曲线1－静稳边界阻抗园；曲线2－过坐标原点下抛阻抗园；曲线3－异步边界阻抗园；－系统等值电抗；－发电机的暂态电抗；－发电机的同步电抗。园为低阻抗元件的动作区。〔3转子低电压元件〔I动作方程目前,用较多的转子低电压元件的动作特性,其动作判据是维持发电机功角时转子电压的变化曲线。通常该曲线取与发电机有功功率有关的I段折线式或II段折线式曲线。其动作方程为………………〔25式中：－转子电压；－转子低电压元件的最小动作电压,一般低于发电机空载时转子电压；P－发电机的有功；－发电机的反应功率,又称为凸极功率；对于汽轮发电机,等于零,而对于水轮发电机,〔－交轴同步电抗,－发电机的视在功率；－特性曲线斜率,〔－含系统电抗的发电机同步电抗标么值,－发电机空载转子电压；〔II动作特性根据式〔25绘制出的转子电压元件的动作特性如图34所示。图34转子电压元件的动作特性在图34中：曲线1－汽轮发电机转子电压元件的动作特性；曲线2－水轮发电机转子电压元件的动作特性；其他符号的物理意义同式〔25。应当指出,式〔25第二项中的是按照并网运行发电机的功角等于〔即静稳极限的条件下导出的,故转子电压元件的动作电压,随有功功率的增大而增大。6逆无功+过流型失磁保护〔1构成原理在该型保护中检测发电机失磁运行的主判据为逆无功〔－Q和定子过电流〔。失磁运行的危害判据有系统低电压〔和机端低电压〔,用于判断失磁对系统及厂用电的影响。另外,为衡量失磁运行对机组的危害程度,采用有功功率判据〔。该型保护的输入量有：机端三相电压、发电机三相电流及主变高压侧三相电压〔或某一相间电压。采用负序电压元件来躲过系统故障及故障切除后系统振荡对保护的影响。〔2逻辑框图在DGT801系列保护装置中,逆功率+过电流型失磁保护的逻辑框图如图35所示。图35逆无功原理失磁保护逻辑框图在图35中：、－分别为定子过负荷元件和定子过电流元件；－负序电压元件。发电机失磁后,无功倒流,定子过流。此时,逆无功元件、定子过负荷元件、定子过电流元件动作。由图35可以看出：逆无功元件及过负荷元件动作后,启动时间开始计时。此时,若发电机的有功功率较大,保护发出减有功指令,自动减小发电机有功功率。发电机失磁后,若逆无功元件、过电流元件及机端低电压元件均动作,则经延时发出切换厂用电及跳灭磁开关的命令。若发电机失磁运行危及电力系统的稳定性,此时,逆无功元件、定子过电流元件及系统低电压元件同时动作,经延时后发出切机命令。当系统发生故障时,短时会出现负序电压,负序电压元件动作,闭锁失磁保护,且在故障切除后,失磁保护仍被闭锁时间,以确保故障切除后系统短时振荡时保护不会误动。在装置发出减有功命令的同时,对"或门"返送出一个信号,防止发电机失步后,由于电流波动幅度过大,致使减有功元件不断返回,影响减载速度及效果。7定值的整定〔1对阻抗型失磁保护的整定对阻抗失磁保护的整定,主要是确定低阻抗元件,系统低电压元件、机端低电压元件、转子低电压元件及时间元件的整定值。〔I低阻抗元件当按静稳阻抗园来整定时,其园主坐标及园半径,应按式〔22计算,当异步边界园来整定时,其园心坐标就为纵坐标：横坐标：0园半径：当按过园点的下抛园进行整定时,其园心坐标为,园半径。〔II系统低电压元件按发电机失磁运行不破坏系统稳定性整定取值,通常＝85~90V〔III机端低电压元件机端低电压元件的动作值,应按照以下条件来整定：躲过发电机强行励磁启动电压及不破坏厂用电系统的安全,一般＝80V〔IV动作延时当低阻抗元件按静稳边界园来整定时,保护出口动作延时可取1.5S；当低阻抗元件安下抛阻抗园来整定时,各组动作延时,不应超过1S。〔V转子低电压元件；特性曲线斜率：。〔2对逆无功+过电流型失磁保护的整定〔I系统低电压及机端低电压的整定原则及取值同阻抗型失磁保护。〔II逆无功元件按发电机额定无功功率的5%~10%来整定。………………〔26式中：－逆无功元件的动作功率；－发电机的额定无功功率。〔III过电流元件低定值〔即过负荷元件过电流元件的低定值,可取：………………〔27式中：－过电流元件低定值；－发电机额定电流。〔IV过电流元件高定值过电流元件高定值,可取………………〔28式中：－过电流元件高定值；－发电机额定电流。〔V有功元件按照发电机允许无励磁运行条件来整定,可取………………〔29式中：－功率元件的动作功率整定值；－发电机额定功率。〔VI负序电压元件动作电压为提高保护躲过不正常运行方式的能力,可按照发电厂高压母线出线末端两相短路时,机端出现的最小负序电压来整定。通常,取式中：－负序电压元件动作电压整定值。〔VII时间元件〔A动作延时、、保护减载延时,切换厂用电延时及切机延时均取〔0.7~0.8S。〔B动作延时为使保护能可靠躲过系统故障切除后的振荡过程,可取6~8S。8阻抗型失磁保护存在的问题运行实践表明,阻抗型失磁保护存在一些问题。〔1阻抗元件按静稳边界整定时当阻抗元件按静边界的条件整定时,为防止误动,必须由转子低电压元件闭锁。但是,转子低电压元件的动作电压也是按静稳边界确定的,因此,当系统出现问题时,两个元件同时误动的可能性是存在的。此外,在失磁保护中采用转子低电压元件存在以下问题：无刷励磁的发电机无法取得转子电压；现代的励磁系统中均采用可控硅流,励磁电流中的高次谐波分量很大,特别是大型发电机,励磁电压〔转子电压中的高次谐波分量很大,有的高达1~2KV。这么高的电压引到保护装置中,对装置的安全运行威胁很大。〔2阻抗元件按异步边界整定时阻抗元件按异步边界整定,若失磁发电机维持的有功较大且与系统的联系电抗也较大时,则等有阻抗园距异步边界园较远,可能两者无交点或相交部分很小。失磁发电机失步前,机端阻抗的测量轨迹不会进入异步阻抗园；而发电机失步之后,虽机端测量轨迹能进入园,但由于同步功率的存在,机端测量阻抗在不断的变化,特别是发电机维持有功很大及部分失磁或剩磁很大时,使机端测量阻抗变化很大,其忽而进入园,忽而又跑出园外,又由于失磁保护动作有延时,故有拒动的可能性。在发电机维持很小有功失磁运行时,由于等有阻抗园很大,失磁保护将很快动作。特别是发电机空载失磁,机端测量阻抗轨迹直接沿纵轴向下进入异步阻抗园,动作更快。前已述及,发电机失磁运行时,维持的有功越大,对发电机及系统的危害越大；发电机维持较小的有功或空载失磁运行,则对机组及系统没有什么危害。可以看出,上述失磁保护难以满足保护发电机及系统的要求,同时,还可造成不必要的切除发电机。9提高失磁保护动作可靠性问题前已述及,失磁保护既是发电机组的保护,又是系统保护,其构成方式及类别多,受系统条件及其他不正常运行方式的影响大。运行实践表明,该保护的"合理"正确动作率较低。运行实践及分析表明,根据系统及机组实际情况,正确选择失磁保护的构成逻辑及根据失磁危害程度选择适宜的出口方式,是提高失磁保护"合理"正确动作率及确保机组安全经济运行的条件。另外,尚应合理地选择保护的动作时间。〔1不宜采用只由系统低电压及转子低电压两个元件构成的失磁保护某些电厂,为简化失磁保护的构成,采用只由系统低电压及转子低电压两个元件构成的失磁保护。保护的逻辑框图如图36所示。图36失磁保护逻辑框图在图36中：－系统低电压元件；－转子低电压元件。随着电力系统的发展,超高压输电线越来越多,发电机组数量越来越多,系统的容量及无功贮备越来越大。对某发电厂的计算及真机失磁测试表明,一台300MW发电机失磁运行其高压母线电压降低不多,系统低电压元件不会动作,按图36构成的失磁保护将拒绝动作。转子低电压元件的动作电压,是按静稳极限整定的,系统静稳破坏时容易误动。此时,若系统再受冲击使高压母线电压降低时,由于元件动作致使保护误动。此外,转子电压回路容易出问题。运行实践表明,由于转子低电压元件误动,致使失磁保护误动的次数不少。〔2大型汽轮发电机失磁保护应有多路出口对于大型汽轮发电机,维持较小的有功无励运行一定的时间是允许的。这样可以减少因失磁造成切机机率,对发电厂的经济运行及系统的安全是有利的。为使发电机失磁运行的危害很小或者无危害,在系统允许的情况下发电机失磁后应首先作用于减有功及切换厂用电。在很短时间将发电机的有功功率减少到50%的额定有功功率之下,并保证厂用系统的安全。为使失磁运行的发电机各电量的摆幅不大及有利于重新拖入同步,发电机失磁运行时,应跳开灭磁开关。另外,跳开发电机的灭磁开关的利处还有：当因转子或励磁系统短路造成发电机失磁时,也有利于保护励磁设备及发电机转子的安全。〔3慎重采用系统低电压元件闭锁失磁保护出口的方式当失磁保护没有设置减小发电机有功的出口方式,或发电机组无法实现保护减有功时,在采用系统低电压元件来闭锁失磁保护切机出口时应慎重。在采用之前,应计算并验证电厂在最大运行方式下,一台发电机失磁时运行时,能否将高压母线电压拉下来。若一台发电机失磁对高压母线电压影响不大,应采用机端低电压元件取代系统低电压元件闭锁保护出口。〔4保护的动作延时不应大于1S维持较大有功失磁运行的发电机,定子电压、定子电流及机端测量阻抗摆动很大,影响失磁保护各元件的正确测量及失磁保护的正确动作。为确保失磁保护动作的可靠性,应适当减少该保护的出口延时。前联对失磁保护进行的动模试验结果表明,为保证发电机失磁后失磁保护能可靠动作,该保护的动作时间应小于1S。这对动作特性为异步边界园的阻抗型失磁保护,是非常必要的。〔5应设置转子低电压元件动作告警信号采用转子低电压元件闭锁的失磁保护,当转子电压元件动作后应发出告警信号,以防止由于转子电压元件输入回路异常未被发现致使失磁保护误动。第八节发电机负序过负荷及过电流保护、一问题电力系统中发生不对称短路或三相负荷不对称〔例如电气化机车、冶炼电炉等单相负荷时,发电机定子绕组中将出现负序电流。负序电流产生负序旋转磁场,它以2倍的同步速切割转子,在转子部件中感应倍频电流,使转子表层〔特别是端部、护环表面、槽楔与小齿接触面等过热,进而烧伤及损坏转子。另外,定子负序电流与气隙旋转磁场〔由转子电流产生之间、负序旋转磁场与转子电流之间将产生100赫的交变电磁力矩,引起机组振动。装设发电机负序过电流保护的主要目的,是保护发电机转子。同时,还可以作发电机变压器组部不对称短路故障的后备保护。对于大型汽轮发电机,其承受负序电流的能力,主要取决于转子的发热条件。发热有一个积累过程,因此,汽轮发电机的负序过流保护应具有反时限动作特性。水轮发电机在负序电流作用下,转子过热程度比汽轮机小得多,约为汽轮发电机的十分之一。但是,由于水轮发电机的直径较大,焊接件较多,与的差值较大,其承受负序电流的能力应由100赫的振动条件限制。因此,水轮发电机的负序过流保护可不具有反时限特性,其动作应较快。二保护的构成该保护应由负序过负荷及负序过电流两部分构成。过负荷保护作用于信号,过电流保护作用于切机。大型汽轮发电机的负序过电流保护,应由两部分组成,即反时限部分及上限定时限部分。反时限部分用以防止由于过热而损伤发电机转子,上限定时限主要作为发变组部短路的后备保护。在有些保护装置中,对负序过流保护尚设置下限定时限部分,并作为该保护的启动元件。保护的引入电流,为发电机TA二次三相电流。大型汽轮发电机负序过负荷及过电流保护的逻辑框图如图37所示。图37汽轮发电机过负荷及过电流保护的逻辑框图在图37中：、、、－发电机TA二次三相电流；－负序过负荷元件；－负序过流下限定时限元件；－负序过流上限定时限元件；－负序过流反时限元件；、、－动作延时。三动作方程及动作特性1动作方程负序过负荷元件………………〔30过电流元件………………〔31在式30~31中：－负序电流计算值；－负序过负荷定值；、－分别为负序过电流下限及上限整定值；－与发电机转子冷却方式有关的常数；A－热值常数；－负序电流标么值〔以发电机额定电流为基准,TA二次值。2动作特性负序过负荷保护的动作特性为定时限特性。负序过电流保护的动作特性为如图38所示的反时限特性。图38负序反时限过流保护动作特性在图38中：－上限动作负序电流；－下限动作负序电流；－上限动作时间；－下限动作时间。四整定原则及取值建议1定时限过负荷保护对负序过负荷保护的整定,就是要确定过负荷元件的动作电流及动作延时。〔1动作电流按发电机长期允许的负序电流来整定。即………………〔32式中：－负序过负荷动作电流；－可靠系数,取1.2；－返回系数,取0.95；－发电机长期允许负序电流。〔2发电机长期允许的各国大型发电机长期允许的负序电流〔标么值值如下：中国〔300~600MW5%~8%日本、瑞典8%法国≥500MW6%~8%德国〔300~400MW6%~8%≥400MW4%~6%意大利320MW6%英国10%~15%俄国5%~6%美国〔960~1500MW5%~8%≤900MW10%〔3取值建议动作电流取〔8~10%〔－发电机额定电流,二次值。动作延时取6~9S。2反时限过电流保护〔1下限动作电流及动作延时下限动作电流,可按定时限过负荷保护动作电流的1.1~1.15倍来整定,动作时间可取300~600S。〔2上限动作电流及动作