發電機組失步保護原理與裝設的必要性

發電機組失步保護原理與裝設的必要性
一、裝設失步保護的必要性
對于中小發電機組，通常都不裝設失步保護。當系統發生振蕩時，由運行人員來判斷，然后利用人工增加勵磁電流、增加或減少原動機出力、局部解列等方法來處理。對于大發電機組，這樣處理將不能保證發電機組的安全，通常需要裝設用于反應振蕩過程的專門的失步保護。
一般認為失步將帶來的危害有以下幾項。
（1）對于大發電機組和超高壓電力系統，發電機裝有快速響應的自動調整勵磁裝置，并與升壓變壓器組成單元接線。由于輸電網的擴大，系統的等效阻抗值下降，發電機和變壓器的阻抗值相對增加，因此振蕩中心常落在發電機機端或升壓變壓器的范圍以內。由于振蕩中心落在機端附近，使振蕩過程對發電機組的危害加重。機爐的輔機都由接在機端的廠用變壓器供電機端電壓周期性地嚴重下降，將使廠用機械工作的穩定性遭到破壞，甚至使一些重要電動機制動，導致停機、停爐。
（2）振蕩過程中，當發電機電動勢與系統等效電動勢的夾角為180°時，振蕩電流的幅值將接近機端三相短路時流過的短路電流的幅值。如此大的電流反復出現有可能使定子繞組端部受到機械損傷。
（3）由于大發電機組熱容量相對下降，對振蕩電流引起的熱效應的持續時間也有限制，因為時間過長有可能導致發電機定子繞組過熱而損壞。
（4）振蕩過程常伴隨短路故障出現。發生短路故障和切除故障后，柴油發電機軸系可能發生扭轉振蕩。當故障切除后，若隨即發生電氣參數的振蕩過程，則加到軸系上的制動轉矩是一脈振轉矩，從而可能加劇軸系的扭轉振蕩，使大軸遭受機械損傷，甚至造成嚴重事故。
（5）在短路伴隨振蕩的情況下，定子繞組端部先遭受短路電流產生的應力，相繼又承受振蕩電流產生的應力，使定子繞組端部出現機械損傷的可能性增加。
對于電力系統來說，一臺發電機與系統之間失步，如不能及時和妥善處理，可能擴大到整個電力系統，導致電力系統的崩潰。
由于上述原因，對于大發電機組，特別是大型柴油發電機，需要裝設失步保護，用以及時檢出失步故障，迅速采取措施，以保障發電機組和電力系統的安全運行。由于失步會帶來上述危害，因此通常要求發電機失步保護在振蕩的第一、二個振蕩周期內能夠可靠動作。
靜音型柴油發電機組結構示意圖
二、失步保護原理
要求失步保護只反應發電機的失步情況，能可靠躲過系統短路和同步搖擺，并能在失步開始的搖擺過程中區分加速失步和減速失步。目前，實用的失步保護主要基于反應發電機機端測量阻抗變化軌跡的原理。這里介紹一種數字保護中應用的具有雙遮擋器動作特性的失步保護原理。
如圖1所示（圖中忽略了電阻），假定振蕩中心落在機端保護安裝處m。r1、r2、r3、r4將阻抗平面分為0～4共五個區，加速失步時測量阻抗軌跡從＋r向-r方向變化，0～4區依次從右到左排列；減速失步時測量阻抗軌跡從-r向＋r方向變化，0～4區依次從左到右排列。當測量阻抗從右向左穿過r1時判定為加速失步，當測量阻抗從左向右穿過r1時判定為減速失步。然后當測量阻抗穿過1區進入2區，并在1區及2區停留的時間分別大于t1和t2后，對于加速過程發加速失步信號，對于減速過程發減速失步信號。加速失步信號或減速失步信號作用于降低或提高原動機出力。若在加速或減速信號發出后，沒能使振蕩平息，測量阻抗繼續穿過3區進入4區，并在3區及4區停留的時間分別大于t3和t4后，進行失步周期（也稱滑極）計數。當失步周期累計達到一定值時，失步保護出口跳閘。
發電機失步阻抗軌跡與失步保護整寫圖
若測量阻抗在任一區內永久停留，則判定為短路。無論是在加速過程還是在減速過程，測量阻抗在任一區（1～4區）內停留的時間小于對應的延時時間（t1～t4）就進入下一區，則判定為短路。若測量阻抗軌跡部分穿越這些區域后以相反的方向返回，則判斷為可恢復的搖擺振蕩。

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