发电机及变压器保护原理.doc

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1、发电机及变压器保护原理发电机及变压器保护原理 一、一、发电机的故障异常运行状态及其保护方式发电机的故障异常运行状态及其保护方式 由于发电机结构复杂，在运行中可能发生故障和异常 状态，这样会对发电机造成危害，同时，由于系统故障也 可能损伤发电机，特别是现代的大中型发电机，由于单机 容量大对系统影响大，出了故障维修困难，因此要对发电 机可能发生的故障类型及不正常运行状态进行分析，并有 针对性地设置相应的保护。应根据发电机可能发生的故障 装设相应的保护装置，综述如下： 1.定子绕组相间短路，会引起巨大的短路电流，严重 烧坏发电机，需装设瞬时动作的纵联差动保护。 2.定子绕组的匝间短路(分为同相一分支

2、绕组的匝间短 路和同相异分支绕组的匝间短路)，同样会产生巨大的短路 电流而烧坏发电机，需装设瞬时动作的专用的匝间短路保 护。 3.定子绕组的单相接地。这是发电机容易发生的一种 故障，通常是因绝缘破坏使其绕组对铁芯短路，虽然此种 故障瞬时电流不大，但接地电流会引起电弧灼伤铁芯，同 时破坏绕组的绝缘，从而发展为匝间短路或相间短路，因 此应装设灵敏的反应全部绕组任一点接地故障的100定子 绕组接地保护。 4.发电机转子绕组一点接地和两点接地。转子绕组一 点接地后虽然对发电机运行无影响，但若再发生另一点接 地，则转子绕组一部分被短接造成磁势不平衡而引起机组 剧烈振动，产生严重后果，因此需同时装设转子绕

3、组一点 接地保护和两点接地保护。 5.发电机失磁。发电机失磁分完全失磁和部分失磁， 它是发电机的常见故障之一，失磁故障不仅对发电机造成 危害，而且对系统安全也会造成严重影响，因此需装设失 磁保护。 6.定子绕组负荷不对称运行，出现负序电流可能引起 发电机转子表层过热，需装设定子绕组不对称过负荷保护 (转子表层过热保护)。 7.定子绕组对称过负荷，装设对称过负荷保护(一般采 用反时限特性)。 8.转子绕组过负荷，装设转子绕组过负荷保护。 9.并列运行的发电机可能因机炉的保护动作等原因将 主汽阀关闭，而导致逆功率运行，使汽轮机叶片与残留尾 气剧烈摩擦过热，而损坏汽轮机叶片，因此需装设逆功率 保护。

4、 10.为防止过激磁引起发热而烧坏铁芯，应装设过激磁 保护。 11.系统振荡而引起发电机失步异常运行，危及发电机和 系统运行安全，需装设失步保护。 12.其他保护。定子绕组过电压、低频运行、非全相运 行及与发电机运行直接有关的热工方面保护，对水内冷发 电机还应装设断水保护等。 另外，还应装设发电机的后备保护，如电流、电压保 护、阻抗保护等。 二、变压器的故障异常运行状态及其保护方式二、变压器的故障异常运行状态及其保护方式 电力变压器是电力系统的重要组成元件，它的故障将 对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。电力变 压器的故障分为油箱内部故障和油箱外部故障。油箱内部 故障包括绕组的相间短路

5、，中性点直接接地侧的接地短路 和匝间短路。变压器油箱内部故障的危害很大，故障处的 电弧不仅会烧毁绕组及铁芯的绝缘，而且使绝缘材料和变 压器油强烈气化，可能会引起油箱爆炸。油箱的外部故障， 主要是绝缘套管和引出线上发生的相间短路和中性点直接 接地侧的接地短路。变压器的异常运行状态主要有：过负 荷外部短路引起的过电流、外部接地短路引起的中性点过 电压、油面下降及过电压或频率降低引起的过励磁现象等。 为了保证电力系统的安全可靠性运行，针对上述故障和异 常运行状态，电力变压器应装设如下的保护： 1.防止变压器绕组和引出线相间短路，直接接地系统 侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的(纵联) 差动

6、保护。 2.防止变压器油箱内部各种短路或断线故障及油面降 低的瓦斯保护。 3.防止直接接地系统中变压器外部接地短路并作为瓦 斯保护和差动保护后备的零序电流保护、零序电压保护以 及变压器接地中性点有放电间隙的零序电流保护。 4.防止变压器过励磁保护。 5.防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保 护后备的过电流保护和阻抗保护。 6.防止变压器对称过负荷的过负荷保护。 7.反应变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障 的相应保护。 三、发电机、变压器组保护原理三、发电机、变压器组保护原理 现代大型汽轮发电机组通常采用的是发电机、变压器 组单元接线方式，发电机与主变压器、厂用变压器之间采 用封闭

7、母线直接相连接（如果采用机端自并励时，发电机 与励磁变压器之间也直接连接） ，因此当发电机、变压器、 厂用变压器、励磁变压器及其相互连接的封闭母线发生故 障时，任何元件保护装置动作都应作用于所有设备（发电 机、变压器、厂用变压器、励磁变压 器）全停。下面介绍发变组系统各种 保护装置的基本原理。 1.1.相间短路的纵联差动保护相间短路的纵联差动保护 ICJ TA2n I2I1 nTA1 I2 nTA2 TA1n I1 f2 f1 CJ I1 I2 TA2 TA1 G 图(3-5) 纵差保护的基本原理是比较发电机两侧电流的大小和 相位，它是反应发电机及其引出线的相间短路故障的主要 保护。如图（8-

8、1）所示，为发电机纵联差动保护原理，将 发电机两侧变比和型号相同的电流互感器两侧同极性端纵 向连接起来，差动继电器 CJ 接于其差回路中。 当正常运行或外部故障（f1）时，与大小相等,反 1 . I2 . I 向流入发电机，CJ 的电流为 ： -0, 1 1 . TAn I 2 2 . TAn I 故差动继电器 CJ 不会动作。 图 8-1 当在保护区内 f2 点故障时，与同相流入发电机， 1 . I2 . I CJ 的电流为： -=， 1 1 . TAn I 2 2 . TAn I TA f n I2 . 当大于 CJ 的整定值时，即，CJ 动作。 TA f n I2 . actI . TA

9、 f n I2 . actI . 以上情况是一种理想情况，实际上两侧 TA 的特性不可 能完全一相，误差也不一样，即 nTA1nTA2，正常运行时， -0，总有一定量的电流流入 CJ，此电流称为不平 1 1 . TAn I 2 2 . TAn I 衡电流，用表示，在发电机正常运行时，此电流很小， unbI . 当外部故障时，由于短路电流的作用，TA 的误差增大，差 动保护就有可能发生误动作。为使 CJ 在发电机正常运行及 外部故障时不发生误动作，CJ 的整定电流值必须大于可能 的最大不平衡电流。这样使得发电机内部故障时保护的灵 敏度就降低了。 为了既不降低发电机内部故障时保护的灵敏度，又要不

10、使发电机正常运行和外部故障时发生保护误动作，现常采 用的是具有比率制动特性的差动保护，其算法如下： 动作量 ID=- 1 . I2 . I 制动量 Iz=(+) 2 1 1 . I2 . I 当发电机正常运行或外部故障时, = 1 . I2 . I ID=-0 很小, 1 . I2 . I Iz=( +)=较大( 为发电机正常电流或 2 1 1 . I2 . ITAn I . I . 外部故障电流) 所以保护不会动作。 当发电机内部故障时： = 1 . I2 . I ID= -=,很大 1 . I2 . I TA f n I1 . Iz= ( +)=,很小(等于发电机两侧短路电 2 1 1 .

11、 I2 . I TA f n I2 . 流差的一半) 特别是当=时,Iz=0。可见保护能可靠动作， 1 . I2 . I 且动作灵敏度大提高了。 以上所讲的是发电机的差动保护，变压器及输电线路 的差动保护原理也是如此，只是主变压器的差动保护还引 入了高厂变和励磁变分支的电流量。 2.95%2.95%定子接地保护和定子接地保护和 100%100%定子接地保护定子接地保护 发电机定子绕组接地危害：为了提高发电机运行可靠 性，发电机定子绕组中性点一般不接地，所以定子单相接 地并不构成短路。但发电机定子绕组对铁芯之间有一定的 电容，若电容值较大，则发生一相接地后会出现相当大的 接地电流，当接地电流不大

12、于 11.5A 时，可以认为是一 种异常状态，此时，要求继电保护动作于信号；而当接地 电流大于 5A 时，产生的电弧将灼伤铁芯，甚至进一步发展 成相间或匝间短路。一旦铁芯熔化到一定程度就很难修复， 而造成发电机报废。此外，巨大的短路电流会发展成两相 接地短路，造成发电机进一步损坏。为了补偿发电机定子 电压回路的电容电流使之不超过规定值，为防止发电机定 子单相接地故障时，电容电流形成的电弧对发电机的定子 铁芯造成严重损伤，所以发电机中性点经接地变压器接地。 定子接地（单相）保护组成和工作原理： （1）95%定子接地保护: 发电机正常运行时，其三相定子电压平衡，中性点电 压为零，但如果发电机某相定

13、子出口接地时，发电机中性 点电压会发生位移，发电机出口 PT 开口三角形可以检测出 这一零电压 3U0=100V，可见，可以用发电机出口 PT 开口三 角形电压来反映发电机定子接地故障。但发电机正常运行 时，其三相电压是不可能绝对平衡的，这样在 PT 开口三角 形上也会有较小的不平衡电压约为 1530V，通过三次谐波 滤过器后，其值约为 510V，因此，定子单相接地保护整 定值必须大于 510V，以防止保护误动作，所以这种保护 存在 5%10%的死区，因此常称为 95%定子接地保护。 （2）100%定子接地保护: 如图（8-2）所示，为发电机机端及中性点的三次谐波 电势等效图。发电机正常运行时

14、，发电机机端及中性点的 三次谐波电势为： 机端：= Us . Es . CtC C M M 2 中性点：= NU . Es . CtC Ct C M M 2 所以 NU . sU . 图 8-2 当发电机中性点经高阻抗接地时,上式仍成立。 当发电机某相在离中性点 %处发生单相接地时，三次 谐波电压等效图如图（8-3）所示。 Ct CM 22 CM ES USUN 此时：=（1- Us . ）Es . = NU . Es . = NU Us . . 1 当 50%时， NU . sU . 当 50%时， NU . sU . 如果以此关系作为动作条件，则这种原理的保护“死 区”为 50%，但若将这

15、种保护与基波零序电压保护共同 组合起来，就可以构成保护区为 100%的定子绕组单相接地 保护。 3.3.转子接地保护转子接地保护 发电机转子接地危害： 发电机励磁回路是不接地的，在正常运行情况下，绕组 各部分对地电压由绝缘电阻分配，如电阻为均匀的，绕组 最大电压为励磁电压的一半。如转子回路发生一点接地， 虽不会出现大的接地电流，但改变了绕组对地电压的分配， 如接地点偏向励端，则另一端对地电压升高，容易引发两 UNUS ES 2 CM Ct 图(8-3) CM 2 ES (1-) (1-) 点接地，引起以下严重后果： （1）转子磁场发生畸变，不仅使发电机电压和电流的 波形发生畸变，而且引起机械振

16、动。 （2）励磁电流经部分铁芯而形成回路，在接地点处产 生直流电弧。如产生电弧，则在高温作用下，会烧坏励磁 绕组甚至使转子铁芯局部熔化，造成永久性损伤，使转子 报废。 （3）巨大的励磁电流杂散流过汽轮机外壳，可使汽缸 磁化。 （4）由于短路后励磁回路电阻减小，结果励磁电流增 大，如短路匝数过多，会使励磁回路过电流。 转子接地保护组成、工作原理： 注入波幅为 50V 左右、频率为 12.5Hz 的方波电压，通 过测量转子回路对地电阻来判断转子绕组接地故障。 Ur=50，=1 k，而正常情况下 R 转子很大， 转子RR R ER ER ERR 故 Ur 很小，当转子绕组发生一点接地时，R 转子大幅

17、降低， 故 Ur 很大。经微机保护装置内部换算后，即可判断出转子 绝缘降低程度。 转子绝缘降到 5k 时报警，报警延时 0.5S。 转子绝缘降到 500 时跳闸，跳闸延时 2.5S。 4.4.低频保护低频保护 频率高或低对发电机本身危害： 频率增高，主要是受 转子机械强度的限制，频率高就是电机的转速高，而转速 高，转子上的离心力就增大，这就易使转子的某些部件损 坏，频率最高不应超过 52.5HZ，这是考虑到虽然发电机的 转子在出厂时，经受过超出额定值 20%的超速试验，但汽机 的危急保安器是整定在超过额定转速的 10%左右，而实际运 行时再留一点余度。 频率降低对发电机有以下各方面的影响： （

18、1）频率降低引起转子的转速降低，使两端风扇鼓进 的风量降低，其后果是使发电机的冷却条件变坏，各部分的 温度升高。 （2）由于发电机的电势和频率磁通成正比，若频率降 低，必须增大磁通才能保持电势不变。这就要增加励磁电流， 致使发电机转子线圈的温度增加。 （3）频率降低时，为了使机端电压保持不变，就得增 加磁通，这就容易使定子铁芯饱和，磁通逸出，使机座的 某些结构部件产生局部高温，有的部位甚至冒火星。 （4）频率降低还可能引起汽机断叶片，因为频率低， 转速也低，当该转速引起叶片振动的频率接近或等于叶片的 固有振动频率时，便可能因共振而使叶片折断。 汽轮机的叶片都有一个自然振荡频率，如果发电机运 行

19、频率低于或高于额定值，在接近或等于叶片自振频率时， 将导致共振，使材料疲劳。 达到材料不允许的程度时， 叶片就有可能断裂，造成严 重事故。材料的疲劳是一个 不可逆的积累过程，所以汽 轮机给出了在规定频率下允 许的累计运行时间。低频运 行多发生在重负荷下，对汽 轮机的威胁将更为严重，另 外对极低频工况，还将威胁到厂用电的安全，因此发电机 应装设频率异常保护。 频率降低还有一个严重的后果，就是厂用电动机的转 速降低，这可能造成一系列的恶性循环，如给水泵的压力 不足，致使锅炉的汽压不足，循环水泵、凝结水泵的出力 不足，影响汽机真空等。这一切又会影响电机的出力并直 接威胁着发电机甚至整个电厂和系统的安

20、全运行。尤其是 频率对电压也有影响，往往频率低，使电压也低，这是因 为感应电势的大小与转速有关的缘故。 对发电机频率异常运行保护有如下要求： （1）具有高精度的测量频率的回路。 图 8-4 低频保护逻辑图 （2）具有频率分段启动回路，自动累积各频率段异常运 行时间，并能显示各段累计时间，启动频率可调。 （3）分段允许运行时间可整定，在每段累计时间超过该 段允许运行时间时，经出口发出信号。 （4）能监视当前频率。 低频保护保护组成、工作原理： F1:频率跳闸定值 48.5Hz。 F2:频率跳闸定值 48Hz。 F3:频率跳闸定值 47.5Hz。 以上保护动作后自动到 DCS 系统进行计时，时间达

21、到 了方才启动保护发变组保护出口继电器。 F4:频率跳闸定值 47Hz,延时 t1 跳闸。 5.5.低阻抗保护低阻抗保护 对发变组外部相间短路引起的过电流，如过流保护装 置不能满足灵敏和选择性的要求时，可采用低阻抗保护。 阻抗保护是通过阻抗继电器来测量故障点与保护安装 处之间的阻抗，即保护安装处电压与电流的比值 ZJ= UJ/IJ，将测量阻抗与保护安装处至保护区末端之间的整定 阻抗进行比较。ZJZZD时保护动作，称低阻抗保 护。 作用： （1）变压器内部相间故障的近后备作用，当变压器的 主保护拒动时经过整定时限后动作，跳开变压器各侧的开 关。 （2）外部相间故障的远后备作用，当外部相间故障引

22、起变压器过电流延时动作。 低阻抗保护组成、工作原理： 阻抗保护电压量取自发电机出口 PT，用作发变组相间 短路故障的后备保护，保护范围包括发电机定子绕组、封 闭母线、主变、高厂变、励磁变等。 6.6.定子对称过负荷保护定子对称过负荷保护 发电机对称过负荷原因、危害：通常是由于系统中切 除了电源，生产过程中技术要求出现的短时冲击过负荷， 大型电动机自启动，发电机强励动作，发电机失磁运行， 同期误操作以及振荡等原因所引起。对于大型发电机，由 于线负荷大，材料利用率很高，绕组容量与铜损的比值减 小，因而发热时间常数较低，为了避免发电机温升过高， 必须限制发电机的过负荷限额。 定子对称过负荷保护（反时

23、限）保护组成、工作原理：定 子电流定值 I1.16IN 时保护启动,延时跳闸，定子电流越 大延时时间越短。 7.7.定子非对称过负荷保护定子非对称过负荷保护 发电机非对称过负荷出现负序电流的危害： 在电力系 统中发生不对称短路故障或非全相运行时，发电机定子绕 组内出现负序电流。在定子气隙中产生负序旋转磁场，其 方向与发电机转子磁场相反。这样，相对于转子的速度为 二倍同步转速，当负序旋转磁场以二倍同步转速切割发电 机转子时，在转子铁芯表面、槽楔、其他金属构件和转子 绕组中感应出倍频（100HZ）电流，倍频电流在转子表面流 通，引起了额外损耗（与电流平方成正比）和发热，同时 还会使转子金属构件接触

24、面如护环嵌装面、槽隙接缝处、 大齿表面等产生局部高温，严重者发生局部烧伤及腐蚀， 如局部高温产生在护环部位时还可能导致护环松动的危险。 与此同时负序旋转磁场与转子励磁电流之间，正序旋转磁 场与定子电流（负序电流）之间所产生的 100HZ 脉动电磁 转矩，将同时作用在发电机的定子和转子上，引起发电机 组的振动。因此反时限负序电流保护首先是防止转子由于 负序电流烧伤的主要保护，也可兼作系统不对称故障的后 备保护。 8.8.励磁回路过负荷保护励磁回路过负荷保护 励磁回路过负荷原因：发电机在强行励磁或励磁系统 故障时均可使转子过负荷。且大型发电机转子绕组承受过 载能力低，允许过负荷时间短，一般在 2

25、倍额定励磁电流 时仅允许运行 20S 左右。作为发电机转子绕组的主保护， 并兼作励磁变及外部交流部分的后备保护。 9.9.失磁保护失磁保护 发电机失磁危害：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。励磁异常下降是指发电机 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。失磁可能是由于励磁开关误跳闸， 励磁调节器故障，转子回路某处断线等原因引起。 对发电机本身的影响： （1）发电机输出同步电磁功率下降 发电机的同步功率是励磁电流建立的磁场所传递的有 功功率，随励磁电流的减小，同步功率将相应地减小。而 定子磁场与转子电流相互作用产生的转矩称为异步转矩，

26、它们之间所传递的功率称为异步功率。 发电机在正常运行时，从汽轮机传过来的主力矩与同 步力矩相平衡。当某种原因造成励磁电流中断时，由于磁 场不会消失，在短暂的时间内，转子磁场将逐渐衰减，使 同步力矩逐渐减小，所出现的过剩力矩就会使转子加速， 而使转子转速与定子旋转磁场的转速变得不一致。与此同 时，发电机变为欠励，从电网吸收感性无功功率，以维持 气隙磁场。 由于定子旋转磁场与转子间有相对速度，即有了转差 率 S，于是在闭路的励磁绕组、阻尼绕组和转子的其它金 属构件中感应出频率与转差率相应的交变电流。该电流和 定子旋转磁场作用产生异步力矩。主力矩克服异步力矩过 程中作功，亦可以继续向电网送出有功。

27、异步力矩是随 S 增大而增大的，而汽机又因转速升高 使调速器动作而减少输给发电机的机械功率，所以当主力 矩和异步力矩相等时，即达到新的异步运行平衡状态。 （2）发电机要从系统中吸收很大的无功功率 失磁发电机从系统中吸收的无功功率分为两部分。一 部分用来维持发电机励磁所需的无功，它与 S 无关，与端 电压的平方成正比。另一部分为负荷电流通过定、转子的 漏磁所消耗的无功功率，在一定端电压下，其值随有功功 率输出的增加而增大。当系统中无功储备不足时，发电机 端和系统电压将严重下降，甚至造成系统电压崩溃，有时 将降低其它并列运行机组的送电功率极限，导致系统失去 稳定，引起大面积停电事故的发生。 （3）

28、发电机失步将在转子的阻尼系统、转子铁芯的表 面、转子线圈中产生差频电流，引起附加温升。所谓差频 电流就是由于定子旋转磁场与转子不同步，定子磁场切割 转子使转子中感应出与转差相对应的频率的电流，称为差 频电流。差频电流在转子槽楔与齿壁之间、槽楔与套箍之 间，以及齿壁与套箍之间的接触面上，都可能引起高温， 这样便可能危及转子的安全。 （4）发电机失步，在定子绕组中将出现脉动的电流， 即差拍电流，这将产生交变的机械力矩，使定子绕组温度 增加。 （5）对电力系统的不良影响 1）发电机未失磁时，要向系统输出无功，失磁后将从 系统吸收无功，从而使系统出现无功差额，这一无 功差额将引起失磁发电机附近的电力系

29、统电压下降。 2）由于上述无功差额的存在，若要力图补偿，必然造 成其它发电机过电流，P e与Pe比值越大,过电流 越严重。 由于过电流,就有可能引起系统中其它元件或发电机被 切除,从而导致系统电压的进一步下降,严重时,将使系统因 电压崩溃而瓦解。 对于大型汽轮发电机来讲,由于其励磁系统造成失磁的 机会相对来讲较多,而大型机组本身的过热容量相对比较低,耐 受失磁运行的能力也低,更由于大型发电机 P e与P e比值 大,对系统影响更为显著。 10.10.逆功率保护逆功率保护 发电机逆功率的危害：逆功率保护用于保护汽轮机。 当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，而发变组出口主断路

30、器未断开时，发电机将变为同 步电动机运行。对于发电机并无危险，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，将使尾部长 叶片过热，从而使汽轮机损坏。因此，当汽轮机主汽门关 闭时，当发电机检测到输出功率为负时，延时跳开发电机 出口断路器。 11.11.定子过电压保护定子过电压保护 发电机产生过电压的原因： （1）发电机甩负荷时的转速升高及其电枢反应的消失。 （2）励磁系统调节器故障。 （3）电容负荷引起自励磁。 对于大型发电机组，由于功频调节器调节过程比较迟 缓，励磁调节系统的时间常数较大，并由运行实践证明发 电机过电压仍常见，其值可达 1.31.5 倍额定电压。 发电机产生过电压的

31、危害：过电压不仅会对发电机定 子绕组绝缘构成威胁，同时使主变压器励磁电流剧增，引 起变压器过励磁，使铁芯饱和，损耗增大，可能损坏绝缘。 由于过电压是三相对称出现，因此可只用一只过电压 继电器接于发电机出口处电压互感器的二次线电压上。保 护动作后，断开发变组出口主断路器及灭磁开关。 12.12.发电机突加电压保护发电机突加电压保护 （1）定义：发电机在盘车过程中，发电机出口开关误 合闸，突然加上电压，使发电机异步启动造成机组严重损 坏。针对这种异常运行而设置突然加电压保护，以迅速切 除电源。 （2）突然加电压的危害： 盘车中的发电机突然加电压后，其电抗接近 Xd，并 在启动过程中基本不变。计及升

32、压变压器的电抗 Xb 和系统 连接电抗 Xs，并且在 Xs 较小时流过发电机定子绕组的电流 可达 34 倍额定电流值。定子电流所建立的旋转磁场，将 在转子中产生差频电流（频率在变） ，如果不及时切除电源， 使流过的电流持续时间过长，则在转子上产生的热效应 I2t 将超过允许值，引起转子过热而遭到损坏；此外，还可能 因润滑油压低而使轴瓦遭受损坏。 （3）保护构成及动作过程： 突然加电压后的异步启动过程，一般流过发电机的电 流总是大于额定电流，意外加电压保护可以用一个低频组 件 F 和一个过流组件 I 组成。 当频率降到可能的最低运行频率之下时，低频元件 F 输出逻辑为 1，启动一延时返回的时间元

33、件 t，时间元件 t 和电流元件 I 经与门输出启动保护出口元件。频率元件 F 用于正常运行时把电流元件的输出回路解除，使之只在低 频时才起作用。突然加电压后，由于外加电压的频率是额 定频率，频率元件将立即返回，输出 1 变为 0；为保证电流 元件 I 动作后完成跳闸过程，设置时间元件 t，其返回延时 应保证跳闸过程的完成。当发电机停机（发变组出口刀闸 未拉开前）时，应保持意外加电压保护始终投入。突加电 压保护动作跳开发电机出口断路器，当发电机并网（发变 组断路器合闸）后该保护退出。 13.13.发变组过激磁保护发变组过激磁保护 变压器过激磁保护：用于大容量变压器，反应变压器 过激磁（实际工作

34、磁密超过额定工作磁密） ，动作于信号或 跳闸。变压器运行中，因电压升高或频率降低，使变压器 的工作磁密超过额定磁密的情况，称为变压器的过励磁。 根据变压器的电压表达式 U = 4.44fNBS10-8 ，可以写出变 压器的工作磁密 B 表达式： B = （10-8 /4.44NS）（U/f）= KU/f 式中 f频率；N绕组匝数；S铁芯截面积； K常数；K=10-8 /4.44NS。 由公式看出，工作磁密 B 与电压、频率之比 U/f 成正 比，即电压升高或频率下降都会使工作磁密增加。大型变 压器额定工作磁密 B = 1.71.8T，饱和工作磁密 B =1.92.0T，两者相差不大。当 U/f

35、 增加时，工作磁密 B 增加，使变压器励磁电流增加，特别是在铁芯饱和之后， 励磁电流要急剧增大，造成变压器过励磁。过励磁会使铁 损增加，铁芯温度升高，同时还会使漏磁场增强，使靠近 铁芯的绕组导线、油箱壁和其它金属构件产生涡流损耗， 发热，引起高温，严重时造成局部变形和损伤周围的绝缘 介质。因此，现代大型变压器应装过激磁保护。 发电机过激磁保护：大容量发电机无论在设计和用材 方面裕度都比较小，其工作磁密很接近饱和磁密。当由于 调节器故障或手动调压时突然甩负荷或频率下降等原因， 使发电机产生过激磁时，其后果非常严重，有可能造成发 电机金属部分的严重过热，在极端情况下，能使局部硅钢 片很快熔化。因此

36、对于大容量发电机应装设过激磁保护。 对于发变组，其过激磁保护装于机端。如果发电机与 变压器的过激磁特性相近（应由制造厂提供曲线） ，当变压 器的低压侧额定电压比发电机额定电压低（一般约低 5%） 时，则过激磁保护的动作值应按变压器的磁密整定，这样 既保护了变压器，又对发电机是安全的；若变压器低压侧 额定电压等于或大于发电机的额定电压，则过激磁保护的 动作值应按发电机的磁密整定，对发电机和变压器都能起 到保护作用。 14.14.发电机失步保护发电机失步保护 发电机与系统发生失步时，将出现发电机的机械量和 电气量与系统之间的振荡，这种持续的振荡将对发电机组 和电力系统产生有破坏力的影响。 （1）采

37、用单元接线的大型发变组电抗较大，而系统规 模的增大使系统等效电抗减小，因此振荡中心往往落在发 电机机端附近或升压变压器范围内，使振荡过程对机组的 影响大为加重。由于机端电压周期性的严重下降，使厂用 辅机工作稳定性遭到破坏，甚至导致全厂停机、停炉、停 电的重大事故。 （2）失步运行时，当发电机电势与系统等效电势的相 位差为 1800的瞬间，振荡电流的幅值接近机端三相短路时 流经发电机的电流。对于各种短路故障均有快速保护切除， 而振荡电流则要在较长时间内反复出现，若无相应保护， 会使定子绕组遭受热损坏或端部遭受机械损伤。 （3）振荡过程中产生对轴系的周期性扭力，可能造成 大轴严重机械损伤。 （4）

38、振荡过程中由于周期性转差变化在转子绕组中引 起感应电流，引起转子绕组发热。 （5）大型机组与系统失步，还可能导致电力系统解列 甚至崩溃事故。 因此，大型发电机组需装设失步保护，以保障机组和 电力系统的安全。 失步保护采用阻抗元件，组成几个动作区域的失步保 护。利用测量振荡中心电压及其变化率的失步预测保护。 失步保护在短路故障、系统稳定振荡、电压回路断线等情 况下不应误动作。失步保护一般动作于信号，当振荡中心 在发变组内部，失步运行时间超过规定值，对发电机有危 害时，才动作于发电机解列。 15.15.变压器瓦斯保护变压器瓦斯保护 （1）变压器瓦斯继电器动作原理 当变压器出现内部故障时，产生的气体

39、将聚集在瓦斯 继电器的上部，使油面降低。当油面降低到一定程度后， 上浮筒便下沉，使水银接点接通，发出信号。如果是严重 故障，油流会冲击挡板，使之偏转，并带动挡板后的连动 杆向上转动，挑动与水银接点卡环相连的连动环，使水银 接点分别向与油流垂直的两侧转动，两水银接点同时接通， 使开关跳闸或发出信号。常用的瓦斯继电器有两种：一是 浮子式；二是挡板式。挡板式瓦斯继电器是将浮子式的下 浮子改为挡板结构。两者的区别是，挡板式的挡板结构不 随油面下降而动作，而是在油的流速达到 0.61.0m/s 时 才动作，所以挡板式瓦斯继电器遇到油面下降或严重缺油 时，不会造成重瓦斯误动跳闸。 （2）变压器瓦斯保护的范

40、围 瓦斯保护的范围是变压器内部相间短路、匝间短路、 匝间与铁芯或外皮短路、铁芯故障（发热烧损） 、油面下降 或漏油、分接开关接触不良或导线焊接不良。 瓦斯保护的 优点是不仅能反映变压器油箱内部的各种故障，而且还能 反映差动保护所不能反映的不严重的匝间短路和铁芯故障。 此外，当变压器内部进入空气时也有所反映。因此，是灵 敏度高、结构简单、动作迅速的一种保护。 其缺点是不能 反映变压器外部故障（套管和引出线） ，因此瓦斯保护不能 作为变压器各种故障的唯一保护。瓦斯保护抵抗外界干扰 的性能较差，例如剧烈的震动就容易误动作。如果在安装 瓦斯继电器时未能很好地解决防油问题或瓦斯继电器不能 很好地防水，就

41、有可能漏油腐蚀电缆绝缘或继电器进水而 造成误动作。 针对瓦斯继电器会发生误动作，应采取一定的反事故 措施： a 将瓦斯继电器下浮筒式改为挡板式，触点改为立式， 这样可以提高重瓦斯动作可靠性。 b 瓦斯继电器引出线应采用耐油绝缘线。 c 瓦斯继电器的引出线和通往室内的二次电缆应经过接 线箱。在箱内端子排的两侧，引线应接在下面，电缆应接 在上面，以防电缆绝缘被油侵蚀；引线排列应使重瓦斯跳 闸端子与正极隔开。 d 处理假油位时，注意防止瓦斯继电器误动。 e 瓦斯继电器的端盖部分及电缆接线端子箱应有防雨措 施。 f 对新投入的瓦斯继电器的浮筒应作密封试验，在其运 行中应进行定期试验。 g 如果使用塑料

42、电缆，应注意检查是否有被老鼠、白蚂 蚁咬坏等情况。 16.16.发电机断水保护发电机断水保护 大型发电机的定子绕组一般采用水内冷方式，当发电 机定子冷却水中断时，发电机定子绕组温度会迅速上升， 所以必须设置断水保护。通常发电机断水保护取发电机定 子冷却水流量作为是否断水的判据，保护动作第一时限发 信号，第二时限动作于发电机程序跳闸，也可以投入全停。 一般发电机断水保护有两种方式： （1）带额定负荷运行 30S，若 30S 后备用水泵不能投 入，则应解列发电机，并使端电压降为 0。 （2）断水 5S 开始减负荷，2MIN 内降至 26%额定负荷， 此后根据线圈入口、线圈出口、离子交换器出口导电率

43、， 如三个点均小于 0.5US/CM，运行 1 小时；其中一个点大于 0.5US/CM， 运行 3 分钟；如 3 个点均大于 0.5US/CM，立即停机。 如图 8-5 所示 17.17.发电机启、停机保护发电机启、停机保护 （1）定义：发电机在启动或停机过程中有励磁电流流 过励磁绕组， （因误操作、机组低转速下并列、盘车状态利 用励磁绕组对转子预热） ，此时定子电压的频率很低，许多 保护在低频下不起作用，通常要装设反应定子接地故障和 相间故障的保护装置，这种保护称为启停机保护或启动保 护，也称为低频运行保护。 （2）保护构成：一般启、停机保护中，用一只电磁式 电压互感器接入零序电压 3U0，

44、装在机端或中性点侧，反映 定子接地故障；在发电机、升压变压器和机端引出的厂用 变压器的差动保护回路中，各接入一组电磁式电流继电器， 用于反应相间短路故障。在低频下运行时，电流互感器的 输出电压也要相应降低，但不会影响启动保护的工作。 18.18.断路器闪络保护断路器闪络保护 （1）定义：在进行同期合闸的过程中，断路器合闸之 前，作用于断口上的电压，随待并发电机与系统等效发电 机电势之间角度差 的变化而不断变化，当 =180o时， 值最大，为两者电势之和。当两者电势相等时，则有两倍 的运行电压作用于断口上，有时造成断口闪络事故。 （2）断路器闪络的危害：断口闪络要造成断路器损坏， 还可能由此引起

45、事故扩大，破坏系统的稳定运行；闪络时 一般是一相或两相闪络，一是要产生冲击转矩作用于发电 机上，二是产生负序电流，在转子上引起附加损耗，威胁 发电机的安全。 （3）闪络保护的构成：断路器三相断开位置时有负序 电流。 保护原理：（1）利用负序电流元件 I2和三相断路器的 辅助触点构成。当出现负序电流后，如果断路器有一相或 两相是断开的，则说明是非全相运行，则动作于跳闸，断 路器拒动时，启动断路器失灵保护；如果断路器三相是断 开的，则说明是断口闪络，此时应首先动作本发电机灭磁， 以降低断口电压，无效时，再启动失灵保护。当断路器三 相断开位置时任一相有电流，保护就启动，保护动作后启 动本断路器失灵保护。 第二节