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新闻主题	发电机过励磁、低频、误上电及断路器闪络保护

 

一、发电机过励磁保护

 

发电机的工作磁密与电压成正比、与频率成反比。对于发电机，当n＝U/f（标幺值）大于1时，会引起发电机过励磁。过励磁主要表现为发电机铁芯饱和之后谐波磁密增加，使附加损耗增加，引起过热。另外由于定子铁芯背部漏磁场增强，处于这一漏磁场中的定子定位筋，也要感应出电动势，并且与相邻定位筋中的感应电动势存在相位差，并通过定子铁芯形成闭路。在定位筋附近的部位电流密度很大，将引起局部过热，造成发电机组局部烧伤。

 

当发电机的U/f有较小的变化时，就有可能引起过励磁。过励磁使铁芯饱和时，漏磁场增大，使附近金属构件及油箱产生涡流损失，绕组导线也会产生涡流损失。这些损失造成发热，使绝缘受损及金属构件机械变形。此外，铁芯饱和时，励磁电流急剧增大，且含有大量高次谐波分量。而铁芯和其他金属部件的涡流损耗与频率平方成正比，所以将会导致发电机严重过热。如果过励磁倍数较大，且持续运行时间过长，将使发电机绝缘老化，缩短发电机的寿命，甚至遭到损坏。因此，对于造价高、检修困难、停电损失较大的大型发电机应装设专用的过励磁保护。

 

发电机后侧视角图

 

当发电机发生过电压时，发电机的励磁电流也将急剧增大，而这一励磁电流中的三次谐波和五次谐波成分十分显著。在其他工况下三次谐波也会经常出现，特别是内部短路电流很大时将有很显著的三次谐波成分。因此三次谐波不能作为判断过励磁的特征量，而五次谐波则可作为判断特征量，发电机差动保护一般选择五次谐波与基波的比不小于35％作为过励磁闭锁差动保护的判据。

 

一般来说，发电机承受过励磁能力比发电机要弱一些，当发电机和发电机之间不设断路器时，过励磁保护可按发电机过励磁特性来整定。过励磁保护可采用定时限和反时限两种，对于大型发电机组一般采用反时限特性。过励磁保护反应过励磁倍数n＝U/f的增加而动作，n的反时限允许特性曲线见图1。

 

发电机过励磁保护反时限允许特性曲线图

 

过励磁保护动作逻辑框图如图2所示。

 

图2 发电机过励磁保护动作逻辑框图

二、发电机逆功率保护

 

发电机逆功率保护主要用于保护柴油机。当主汽门误关闭时或机炉保护动作于主汽门关闭而发电机并未从系统解列时，发电机就变成了同步电动机运行，从电力系统吸收有功功率。这种工况，对发电机并无危险。但由于柴油机的鼓风损失，其尾部叶片有可能过热，造成柴油机事故，因此发电发电机组不允许在这种状况下长期运行。

 

逆功率保护有两种实现方法。其一是反应逆功率大小的逆功率保护，由于各种原因导致失去原动力，发电机变为电动机运行时逆功率保护动作跳开主断路器。发电机功率用三相电压、三相电流计算得到。另外一种是习惯上称为程序跳闸的逆功率保护。发电机在过负荷、过励磁、失磁等各种异常运行保护动作后需要程序跳闸时，程序跳闸的逆功率保护动作出口，先关闭柴油机的主汽门，然后由程序逆功率保护经主汽门触点闭锁跳开发电机一发电发电机组的主断路器。在发电机停机时，可利用该保护的程序跳闸功能，先将柴油机中的剩余功率向系统送完后再跳闸，从而更能保证柴油机的安全。

 

该保护是以反应发电机从系统吸收有功功率的大小而动作的，是以主汽门是否关闭的条件来决定动作时间的。程序跳闸逆功率保护动作逻辑框图如图3所示。

 

图3 发电机程序跳闸逆功率保护动作逻辑框图

 

三、发电机低频保护

 

发电机低频保护主要用于保护柴油机不受低频共振的影响。柴油机各节叶片都有一共振频率，当系统频率接近或等于共振频率时，将引起叶片的共振而损坏柴油机。低频运行对于柴油机而言是个疲劳过程，一般柴油机低频运行累计达一定时间，柴油机将达到疲劳寿命。因此，低频运行的时间是个积累的过程，而且不同的低频有不同的积累速度。保护装置停运不影响“低频运行的时间”积累值。低频保护反应系统频率的降低，并受出口断路器辅助触点闭锁，即发电机退出运行时低频保护也自动退出运行。发电机低频保护动作逻辑框图如图4所示。

 

图4 发电机低频保护动作逻辑框图

 

四、发电机误上电保护及断路器闪络保护

 

1．发电机误上电保护

发电机在盘车状态下（低速旋转），主断路器误合闸，系统三相电压突然加在机端，使同步发电机处于异步启动工况，此时，由系统向发电机定子绕组倒送大电流。定子气隙同步旋转磁场和转子有较大滑差，在转子本体中感应差频电流，会引起转子过热而损伤，是一种破坏性很大的故障。目前，大型发变组广泛采用500kV电压等级，3/2断路器的接线方式增加了误上电的几率。为了大型发电发电机组的安全，通常要求装设误上电（误合闸）保护。

误上电保护原理有多种，这里介绍其中一种。误上电保护将启停机过程分为两个阶段，以开机为例。第一阶段：开机→合磁场开关。在此期间，由于无励磁，发电机不可能进行并网操作，因此只要发电机断路器合闸和定子有电流，则必然为误上电，瞬时跳闸。第二阶段：合磁场开关→并网。在此期间，用阻抗元件来区分并网和误上电，并且误上电情况越严重，跳闸也越快。误上电保护逻辑框图见图5，保护动作的几种情况及判别如下：

（1）发电机盘车时，未加励磁，断路器误合，造成发电机异步启动。采用两组TV均低电压延时t₁投入，电压恢复，延时t₂（与低频闭锁判据配合）退出。

（2）发电机启停过程中，已加励磁，但频率低于定值，断路器误合。采用低频判据延时t₃投入，频率判据延时t₄，返回，其时间应保证跳闸过程的完成。

（3）发电机启停过程中，已加励磁，但频率高于定值，断路器误合或非同期。采用断路器位置接点，经控制字可以投退。判据延时t₃投入（考虑断路器分闸时间），延时t₄，退出，其时间应保证跳闸过程的完成。

当发电机非同期合闸时，如果发电机断路器两侧电动势相差180°附近，非同期合闸电流太大，跳闸易造成断路器损坏，此时闭锁跳出口断路器，先跳灭磁开关，当断路器电流小于定值时再动作于跳出口断路器。

高压厂用发电机低压侧断路器误合，也会导致发电机异步启动，高压厂用发电机侧断路器误合只经过低频判据闭锁。

误上电保护动作，跳开主断路器，若主断路器拒动，应启动失灵保护。误上电保护在发电机并网后自动退出运行，解列后自动投入运行。

2．断路器闪络保护

大型发变组在与系统进行并列过程中，断路器主触点两断口之间可能承受两侧电动势绝对值之和（δ＝180°）的高电压，有时会造成断口闪络事故。在高压侧断路器刚跳开不久的一段时间内，两断口之间也可能短时承受高电压而引起闪络。为尽快消除断口闪络故障而装设断路器闪络保护。

如果断路器未合闸而发电机定子有电流，则认为断路器发生闪络。断口闪络只考虑一相或两相，不会三相同时闪络。判断条件为：

（1）断路器三相位置接点均为断开状态；

（2）负序电流大于整定值；

（3）发电机已加励磁，机端电压大于一固定值。

保护动作首先使发电机灭磁，以降低断口电压，使之停止闪络，无效时再启动失灵保护。

 

图5 发电机误上电保护逻辑框图

 

五、启停机保护

 

发电机未与系统并网的启动或停机过程中，频率大幅度偏离额定值，谐波制动的发电机差动保护、三次谐波定子接地保护、负序电流保护等均不能正常工作。因此，要求配置在低频下能工作的反应相间故障和定子接地故障的保护。对于发电机、发电机、厂用变、励磁变的故障，各配置一组差回路过流保护。对于发电机定子接地故障，配置一套零序过电压保护。由于发电机启动或停机过程中，定子电压频率很低，因此保护采用不受频率影响的算法，以实现启停机过程中对发电机的保护。

 

上述启停机保护的投入可经低频元件闭锁，也可经断路器位置辅助接点闭锁。另外，发电机还配置有定子绕组对称过电流/过负荷保护、励磁绕组过电流/过负荷保护等。这些保护通常均采用反时限特性。励磁绕组过负荷保护反应励磁绕组的平均发热状况，保护动作量既可以取励磁变（励磁机）电流，也可以直接反应发电机转子电流。

 

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