大型发电机变压器组保护配置与整定计算(5)

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热灼伤，甚至引起护环松脱导致发生重大事故。另外，在定子转子之间产生的100HZ交变电磁力矩的作用下，机组会发生振动。为防止以上事故的发生，发电机应装设转子表层负序过负荷保护，即反时限负序电流保护。同时，该保护还可以兼作系统不对称故障的后备保护。

对于中小型的发电机转子表层的负序过负荷保护，通常采用两段式定时限负序电流保护。Ⅰ段动作电流按与相邻元件后备保护配合的条件整定，一般取I?op?(0.5?0.6)Ig,n，经3～5s延时后动作于跳闸。Ⅱ段动作电流按躲过发电机长期允许的负序电流，一般取

I?op?0.1Ig,n，经5～10s延时后动作于信号。

大型发电机组转子表层负序过负荷保护，一般由定时限负序电流保护反时限负序电流保护两部分组成。定时限负序电流保护动作与信号，反时限负序电流保护动作于跳闸。定时限负序电流保护的动作电流，按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定。反时限负序电流保护的动作电流应与发电机承受负序电流的能力相配合。 3.3.3转子过负荷保护

转子过负荷保护用于大型发电机组作为转子励磁回路过流和过负荷保护，兼作交流励磁机的后备保护，接成三相式。由定时限过负荷和反时限过流两部分组成，定时限部分经延时动作于信号，反时限部分动作于解列灭磁。 其保护原理：

定时限过负荷保护的电流元件按正常运行额定励磁电流下能可靠返回的条件整定；反时限过流按转子绕组允许的过热条件决定，其关系式为：

Kt?2

I*?(1?a) (3.18)

式中： K——转子绕组过负荷常数，整定范围1～100；

I*——发电机励磁回路整流器交流侧电流的标么值；

a——与转子绕组温升特性和温度裕度有关，一般为0.01～0.02。

3.3.4失磁保护

发电机失磁通常是指发电机励磁异常下降或励磁完全消失的故障。励磁异常下降指发电机励磁电流的降低超过了静态稳定极限所允许的程度，使发电机稳定运行遭到破坏。造成励磁异常下降的原因通常是由于主励磁机故障；误操作的过量调整等。完全励

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磁消失就是发电机失去励磁电源，通常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等原因引起。对于不允许失磁后继续运行的发电机，失磁保护应动作于跳闸。当发电机允许失磁运行时保护可动作于信号，并要求失磁保护与切换励磁、自动减负荷等自动控制相结合，以取得发电机失磁后的最好处理效果。

发电机失磁对发电机本身的影响主要有: 1、由于发动机失磁后出现转差,在发电机转子回路中出现差频电流,差频电流在转子回路中产生损耗,如果超出允许值,将使转子过热。特别是直接冷却的高力率大型机组,其热容量裕度相对降低,转子更容易过热。而转子表层的差频电流,还可能使转子本体槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤； 2、失磁发电机进入异步运行之后,发电机的等效电抗降低,从电力系统中吸收无功功率,失磁前带的有功功率越大,转差就越大,等效电抗就越小,所吸收的无功功率就越大。在重负荷下失磁后,由于过电流,将使发电机定子过热；3、对于直接冷却高力率的大型汽轮发电机,其平均异步转矩的最大值较小,惯性常数也相对降低,转子在纵轴和横轴方面,也呈较明显的不对称。由于这些原因, 在重负荷下失磁后,这种发电机转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动，将有很大甚至超过额定值的电机转矩周期性地作用到发电机的轴系上,并通过定子传递到机座上。此时,转差也作周期性变化,其最大值可能达到4%～5%, 发电机周期性地严重超速。这些情况,都直接威胁着机组的安全；4、失磁运行时,定子端部漏磁增强,将使端部的部件和边段铁芯过热。 3.3.5逆功率保护

逆功率保护作用于保护汽轮机，在发电机与系统并列运行的情况下，若汽轮机主汽门突然关闭即汽轮机处于断汽运行状态，而发电机出口断路器未断开时，发电机将变为同步电动机运行，这种情况下对发电机并无危险，但对于汽轮机由于尾部残留的蒸汽与叶片的摩擦产生鼓风损失，将使尾部叶片过热。当发电机转为电动机后，将从系统中吸收有功功率（即逆功率），其大小将随机组转动轴系储存动能的下降而逐渐增大。逆功率的大小主要取决于发电机的损耗、摩擦损耗及鼓风损耗，其值约为发电机额定功率的3～5%。因此，装设了发电机逆功率保护。

逆功率保护主要由一个灵敏的功率继电器构成，另外还有逆功率测量元件、闭锁电路、时间电路等组成。由于逆功率的数值很小，因此要求逆功率继电器应具有较高的灵敏性，动作功率可在1～5%额定功率范围内调整。一般按照比较绝对值原理构成功率方向继电器交流测量回路，其交流电压形成回路采用和差接线方式以获得两个比较电量

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即：和电压相量、差电压相量，保护通过对两电量的比较来鉴别发电机功率方向。

当发电机正常运行时：差电压相量小于和电压相量（即动作量小于制动量），继电器不动作；汽轮机主汽门突然关闭时：差电压相量大于和电压相量（即动作量大于制动量），继电器动作，经一定延时切除发电机。逆功率保护设两段延时，以1～1.5s短时延时动作于信号；以2～3分钟的延时动作于断路器跳闸。

发电机各种保护动作于停机时，通常是同时给汽门和出口断路器发出跳闸信号。因此，除短路事故保护和可能造成机组严重破坏的故障保护除外，其他动作于跳闸的保护都可用逆功率保护闭锁，这时先关闭主汽门，逆功率后再断开出口断路器。 3.3.6失步保护

随着电力系统容量不断增加，大型发电厂高压母线的系统阻抗较小，一旦发生系统非稳定性振荡，其振荡中心很容易进入失步发电机变压器组内部，这将严重威胁失步的发电机和系统的安全运行。所以发电机组均加装有失步保护，并有多种不同类型判据的失步保护。

失步保护的基本原理

失步保护的基本原理主要是通过测量阻抗的轨迹变化情况来检测是否失步。其主要指标有三点:一是测量阻抗轨迹为自左向右或自右向左依次穿越整定阻抗区域，穿越一次则记录为滑极次数加一；二是每穿越一个区域都大于一定延时，以区别于故障以及区分失步振荡和稳定振荡；三是滑极次数达到一定值时，则动作出口。

失步保护要求在短路故障、系统振荡、电压回路断线等情况下，保护不误动作。失步保护反应发电机失步振荡引起的异步运行，失步保护阻抗元件计算采用发电机正序电压、正序电流，阻抗轨迹在各种故障下均能正确反映。国内失步保护主要采用三阻抗元件失步保护动作特性或双遮挡器失步保护动作特性。保护采用三阻抗元件失步继电器动作特性, 如下图3-7

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图3-7三阻抗元件失步继电器动作特性

第一部分是透镜特性，图中①，它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透镜外的部分O。

第二部分是遮挡器特性，图中②，它把阻抗平面分成左半部分L和右半部分R。 两种特性的结合，把阻抗平面分成四个区OL、IL、IR、OR，阻抗轨迹顺序穿过四个区（OL→IL→IR→OR或OR→IR→IL→OL），并在每个区停留时间大于一时限，则保护判为发电机失步振荡。每顺序穿过一次，保护的滑极计数加1，到达整定次数，保护动作。

第三部分特性是电抗线，图中③，它把动作区一分为二，电抗线以上为I段（U），电抗线以下为II段（D）。阻抗轨迹顺序穿过四个区时位于电抗线以下，则认为振荡中心位于发变组内，位于电抗线以上，则认为振荡中心位于发变组外，两种情况下滑极次数可分别整定，保护可动作于报警信号, 也可动作于跳闸。 3.3.7发电机低频保护原理 (1) 保护原理

大型汽轮发电机运行中允许其频率变化的范围为48.5～50.5Hz,低于48.5Hz 时,累计运行时间和每次持续运行时间达到定值,保护动作于信号或跳闸。

汽轮机叶片有自己的自振频率。并网运行的发电机，当系统频率异常时，汽轮机叶片可能产生共振，从而使叶片发生疲劳，长久下去可能损坏汽轮机的叶片。

发电机频率异常保护，是保护汽轮机安全的。

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(2) 保护的逻辑框图见图3-8

图3-8保护的逻辑框图

3.3.8发电机起停机保护原理

发电机启动或停机过程中，频率低，转速也低。若在启停机过程中发电机发生故障，反映工频的主设备保护可能不能正确动作，因此应设置能反映在启停机过程中发生定子接地故障和相间短路故障的启停机保护，即：反映发电机低速运行时的定子接地故障的零序电压式启停机保护，及反映发电机低速运行时的相间故障的低频过电流保护。 (1) 构成原理及逻辑框图

保护的输入电压为取自机端TV 开口三角形绕组的零序电压或中性点TV（或消弧线圈或配电变压器）二次电压，采用专用的测量回路，其工作频率范围：5HZ～55HZ，误差不大于±5%。

该保护只作为发电机启停机过程中的辅助保护，它由断路器辅助接点控制，待发电机并网后可自动退出运行。

动作方程

3U0?3U0g （3.19）

式中：3U0——机端TV 开口三角电压或中性点TV（配电变压器或消弧线圈）

二次电压；

3U0g——动作电压整定值。

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