发电机装设失步保护

曹树栋

摘要：对于大机组，特别是大型汽轮发电机，需要装设失步保护，用以及时检出失步故障，迅速采取措施，以保障机组和电力系统的安全运行。

关键词：发电机 失步 保护

对于中小机组，通常都不装设失步保护。当系统发生振荡时，由人来判断，然后用人工增加励磁电流、增加或减少原动机出力，局部解列等方法来处理。对于大机组，由于下述的理由，这样处理将不能保证机组的安全，需要装设用于反映振荡过程的专门的失步保护。

对手大超高压电力系统，发电杌装有快速响应自动调整励磁装置，并与升压变压器组成单元接线，送电网络不断扩大，使发电机与系统的阻抗比例发生了变化。发电机和变压器的阻抗值增加了，而系统的等效阻抗值下降T。因此，振荡中心常落在发电机机端或升压变压器的范围内。例如，在图10一5-1所示的简化系统图中，单机与系统之间发生振荡时，振荡中心将落在机内，若三机对系统之间发生振荡，则振荡中心可能在机端附近。

由于振荡中心落在机端附近，使振荡过程对机组的影响加重了。机端电压周期性地严重下降，这点对大型汽轮发电机的安全运行特别不利。因为机炉的辅机都由接在机端的厂用变压器供电。电压周期性地严重下降，将使厂用机械工作的稳定性遭到破坏，甚至使一些重要电动机制动，导致停机停炉。对于给煤机或给油电动机，由于转速下降，可能导致锅炉灭火电压回升后，转速叉增长，在热态下向炉内送入燃料，可能因此而引起炉膛爆炸。汽轮机转速的暂态上升，随后失步，将使调速汽门关闭，直到又恢复同步速为止。这样，就使单元制机组的再热器蒸汽需要量迅速改变，随之而来的是压力和温度的瞬变，锅炉水位的波动，引起炉管过热。由于振荡过程对锅炉的上述危害，有的国家，例如英国中央发电局和法国电力公司，规定失步运行的持续时间不超过3秒。

振荡过程中，当发电机电势与系统等效电势的夹角为180。时，振荡电流的幅值将接近机端三相短路时流过发电机的短路电流的幅值。机端三相短路时，流过发电机的短路电流的幅值为I=7发生振荡时，若取发电机电抗为Xj=Os32，则流过发电机的振荡电流幅值为I；=25.44。三相短路电流I心稍大于振荡电流Iz，但三相短路将由相间短路保护迅速切除，而振荡电流则要在较长的时间内反复出现。因此，对能使定绕组端部遭受机械损伤。

从振荡电流引起的热效应方面看，由丁大机纽热容量相对下降，对振荡电流持续的时间，也有了较严格的限制。例如，一台20万千瓦的汽轮发电机，其定子绕组的发热时间常数：37.5。若振荡电流的幅值=5，相应的有效值为5/d2=3.53，则允许的持续时间约为K/(I一1)=37.5/(3.53t-1)ss3.3秒，即在3.3秒内没有消除振荡过程时，发电机定子绕组有可能过热而遭受损伤。振荡过程常伴随短路故障出现。发生短路故障和切除故障后，汽轮发电机轴系可能发生扭转振荡。当故障切除后，若随即发生电气参数的振荡过程，则加到轴系上的制动转矩是一脉振转矩，从而可能加剧轴系的扭转振荡，使大轴遭受机械损伤，甚至造成严重事故。在短路伴随振荡的情况下，定子绕组端部先遭受短路电流产生的应力，相继又承受振荡电流产生的应力，使定子绕组端部出现机械损伤的可能性增加。

对于电力系统来说，一台发电机与系统之间失步，如不能及时和妥善处理1,：可能扩大到整个电力系统，导致电力系统的崩溃。特别是在电力系统中举足轻重的大机组，影响就更大，而大机组一般都采用单元控制方式，各发电机分别在不同的控制室内控制，这又增加了处理上的困难。

由于上述原因，对于大机组，特别是大型汽轮发电机，需要装设失步保护，用以及时检出失步故障，迅速采取措施，以保障机组和电力系统的安全运行。

失步保护应当能够尽快检出失步故障。显然，当扰动一出现，如果保护装置能够立即判断出来将发生非稳定振荡，并及时采取措施，是最理想的。因为这样就可以避免振荡过程的发生，或者可以把非稳定振荡转化为稳定振荡，至少也可以最大限度地缩短振荡过程，减轻振荡过程对电力系统的不利影响。然而，要做到在扰动出现时立即检出失步故障，常常是困难的。因此，通常要求失步保护在振荡的第一个振荡周期内能够可靠动作。

失步保护动作后，应当根据被保护发电机的具体状况9采取不同的措施，而不应当无条件地动作于跳闸。一般，对于处于加速状态的发电机，应当动作于快速降低原动机的输出功率，必要时再切除部分发电机.而对于处于减速状态的发电机，应当在发电机不过负荷的条件下，快速增加原动机的输出功率，必要时再切除部分负荷。

当动作于跳闸时，若在电势角8=180。时使断路器断开，则将在最大电压下切断最大电流，对断路器的工作条件最为不利，有可能超过断路器的遮断容量。因此，失步保护应避免在这一时机动作于跳闸。保护装置应能鉴别短路故障和非稳定振荡，当发生短路故障时，失步保护不应误动作。◆

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作者单位：西北民族大学电气工程学院 05级电气工程及其自动化专业（2）班