大型发电机误上电保护方案

大型发电机误上电保护方案在发电机并网之前升速升压过程中以及在发电机停机后的盘车过程中，假若由于运行人员误操作，将断路器DL合闸（励磁开关出于“断”或“合”的状态），这属于非同期并网，这称为“误上电”，将对发电机造成巨大危害。

因此，大型发电机要求配置误上电保护，尽可能快速跳开断路器。

一、有关的基本理论（准备知识）1.在阻抗平面上，机端或主变高压侧同各相电压电流的比值表达式的测量阻抗Z J（例如Z J=U AI A 或Z J=U ABI AB）在不同象限表达的P、Q2.当同步发电机处于发电机运行状态，功率角δ为正，是E f超前于E s的角度。

功角特性, P=E f E sX d+X ssinδ式中δ=arg E fE s，只当E f超前于E s时，δ为正，sinδ为正，有功功率P为正，机组才能发出有功。

当同步电机处于电动机运行状态时，E f滞后于E s，为负，sinδ为负，有功功率P为正，机组从系统吸取有功。

3.在R-X平面上表示系统振荡时某一瞬间的功率角δ及保护安装处的测量阻抗Z J。

图中，I—振荡电流；N—发电机中性点；F—发电机机端；T—主变高压侧；S—无穷大系统；E f—发电机电势；E s—系统电势。

ZΣ=X d‘+Z T+Z S式中，Z S—主变高压侧与无限大系统间的阻抗；Z T—主变电抗；X d‘—发电机暂态电抗。

在振荡过程中，发电机阻抗值采用X d‘（或X d’‘），在正常同步运行中，发电机阻抗值采用X d。

因发电机并网前，机端TV的高压熔丝XXX，所以误上电保护自主变高压侧TA、TV取得电压电流。

所以图-2中的阻抗平面以主变高压侧T为坐标原点“o”。

设系统中各元件X d、Z T、Z S的阻抗角相等，为φZ。

(a)(b)图-2 系统振荡中，某一瞬间的Z J、δ（该图中的n点所表达的瞬间为发电机状态）(a)电压电流相量 (b)阻抗图图-2中，振荡中不同瞬时的相量I 恒指向R 正轴不动，S 、N 点也不动，而n 点随时间移动。

图-2a 各电压三角形每边都被I 除之，则得到图-2b 。

可见在R -X 平面上（图-2b ），on ⃗⃗⃗⃗ =Z J =U T I 为主变高压侧T 点在某瞬时的测量阻抗，sn ⃗⃗⃗⃗ 与Nn ⃗⃗⃗⃗⃗ 的夹角就是该瞬时的δ角。

在图-2中n 点的δ角是E f超前于E s 的角度，同步电机处于发电机状态。

n 点若位于Ns⃗⃗⃗⃗⃗ 阻抗线以左，如图-3所示，则n 点所表达的瞬时为E f 滞后E s ，相当于电动机运行状态，δ为负值。

n 点若位于Ns⃗⃗⃗⃗⃗ 阻抗线上，则E f 与E s 相位差δ为180°图-3 系统振荡中，另一瞬时的Z J 、δ（该图中n 点所表达的瞬时同步电机为电动机状态）4. 系统振荡中，保护安装点的测量阻抗Z J 相量末端随时间变化的轨迹如图-4a 所示。

图-4a 发电机与系统间振荡，主变高压侧T 点的Z J 相量末端随时间变化的轨迹，自右向左移动，机组转速高于同步速。

图-4b 电动机与系统间振荡，主变高压侧T点的Z J相量末端随时间变化的轨迹，自左向右移动，机组转速低于同步速。

对电动机而言，不可能有E f>E s的情况。

二、对误上电保护的要求1.在发电机停机后及并网前的整个启动机组的过程中，若断路器DL错误闭合，误上电保护应快速跳闸。

2.在发电机停机后及并网前的整个启动机组的过程中，若DL未错误地闭合，误上电保护不应动作。

3.当发电机以正常准确同期方式并网时，即DL正确地闭合，误上电保护不应动作。

4.发电机正常并网后，误上电保护应退出运行。

三、建议许继采用的误上电保护方案机组误上电保护端子电流、电压大多数情况应取自主变高压侧的TA、TV，见图-5所示，其原因为：大机组多为发变组，发电机与变压器之间无GCB。

并网或解列是依靠操作主变高压侧断路器进行的。

再者，有些发电厂的操作规程中规定：在停机或启动过程中，将发电机机端TV的高压熔丝拔掉。

图-5需指出，如果再停机和启动过程中，机端TV的高压熔丝未拔掉，则误上电保护端子的电压、电流也可取自机端的TA、TV。

建议许继采用的误上电保护方案框图，见图-6所示。

图-6 建议采用的误上电保护框图区别“停机及启动整个过程中误上电”与“正常准确同期方式并网”的主判据为一个全阻抗继电器。

区别“停机及启动过程中励磁开关尚未闭合的过程中误上电”与“正确准确同期方式并网”的另一个主判据为过流继电器。

全阻抗继电器的端子电压、电流为U AB、I AB（或者为U A、I A），取自主变高压侧（若有可能也可取自机端）。

圆内为动作区，其整定值R set按躲开机组正常准确方式并网后1s时主变高压侧出现的最大负荷电流I T.fh整定，以保证正常并网时全阻抗继电器可靠不动作，如图-7所示。

图-7 全阻抗继电器的整定值R set分析图因为该继电器为延时1s返回，所以应保证正常并网后1s时出现的负荷电流I T.fh情况下，继电器能可靠不动作。

正常并网，断路器合闸瞬间，DL主触头两侧的电压同相位，此时发电机电势E f比略超前于主变高压母线电压U T。

例如，δf=arg E fU T=8°，并网后1s，由于自动调速使主汽门又开大些，δf会增大些。

例如δf=12°，此时机组的有功输出较小，一般不超过额定值的30%，再放宽一些裕度，设此时的I T.fh=0.37I T.e（I T.e为额定值）。

R set=K K R T.fh=K K Z T.fh cosφ=K T.e√3I =K T.e√3×0.37I(1)式中，K K—可靠系数，取K K=0.8；U T.e—主变高压侧额定线电压；I T.e—主变高压侧额定电流；功率因数cosφ=0.8.将K K=0.8、cosφ=0.8.代入式(1)，得R set=T.e√3×0.37I =U T.eI T.e(2)如此整定，阻抗圆很大，但在正常准确并网时及并网后1s有负荷电流的情况下，全阻抗继电器不会误动，而误上电时能可靠动作。

又考虑正常准确并网时及并网后1s内，假若有冲击，保护的测量阻抗Z J有可能因波动而落入圆内（见图-8），则会招致全阻抗继电器动作，误上电保护误跳。

为了防止这种误跳，加添了低阻抗型阻抗元件，见图-8所示，低阻抗元件与全阻抗元件组成“与”门输出。

则图-8中阴影侧范围为该“与”门得动作区，低阻抗元件的整定值R set(R)为：R set(R)=K K R set=0.75R set=0.75U T.e(3)I T.e图-8 全阻抗元件与低阻抗元件的“与”门特性电流元件的整定值I set为误上电时最小电流的50%，保证误上电时电流元件可靠动作。

一般取I set=(6~10%)I e。

各种运行工况下，误上电保护（图-6）的动作行为分析如下：1.机组的断路器DL主触头断开，励磁开关LK主触头也断开的情况（停机、或盘车、或启动升速但LK未闭合），若误上电，LK输出为“1”，DL输出为“1”，过流元件动作，误上电保护快速跳闸。

因为机组并网前的过程中，LK处于跳闸状态的过程最长，误上电多数在这个阶段内发生，电流元件动作能快速出口有重要意义。

再者，这种情况的误上电，机组属于同步电机的异步启动，机组自系统吸收有功，相当于一个异步电动机。

E f=0，主变高压侧的测量阻抗Z J.T位于图-9中的N点附近，全阻抗元件动作，误上电保护也能经短延时t1跳闸，这是双重化保护出口。

又全阻抗元件延时t3返回，为了保证DL可靠地跳闸，t3应大于DL的跳闸时间并有裕度，t3整定为1s为宜。

2.并网前，机组启动、DL断开、而LK闭合的情况，LK输出为“0”，将“与”门闭锁，过流元件退出动作。

DL输出为“1”。

机组处于升速升压过程中，E f有相当值。

若误上电，E f小于系统电压U，机组为电动机，机组转速小于同步速，自系统吸收有功P。

这属于非同期合闸，有以下几种情况：1)主变高压侧测量阻抗Z J.T在圆内第Ⅲ或第Ⅱ象限摆动，而最终稳定于圆内一点，见图-9中δ1摆动到δ2，全阻抗元件及低阻抗元件动作，经短延时t1=30ms跳闸。

t1短延时是为了防止干扰。

由于阻抗圆很大，Z J.T在园外第Ⅲ或第Ⅱ象限摆动，而最终稳定于圆外某点的可能性是不存在的。

2)这种非同期合闸引起E f<E s的低励振荡，这是电动机与系统间的振荡，机组转速小于同步速，Z J.T随时间变化的轨迹（见图-9中的曲线）自第Ⅱ或Ⅲ象限向第Ⅳ或Ⅰ象限移动。

当Z J.T进入圆内时，全阻抗元件动作，而低阻抗元件早已动作，因此误上电后，全阻抗元件可能立即动作，也可能迟一些动作，经t1短延时跳闸。

延时t2返回的作用是：全阻抗元件动作后，由于低励振荡，低阻抗元件可能动作又返回，周而复始。

为了保证在全阻抗元件动作后，动作信号一直保持为“1”，以利于可靠跳闸，延时t2返回是必要的。

一般，t2=0.5~1s。

3.机组正常并网成功，DL合上，DL输出为“0”，延时t3=1s返回为“0”，将“与”门1和2闭锁，误上电保护退出运行。

所以机组正常并网1s后，误上电保护就退出了，因此全阻抗元件和低阻抗元件的动作区虽大，但无需考虑机组并网后系统短路、振荡等对它的影响。

图-9 分析误上电保护特性的图（阴影侧的范围为该误上电保护的动作区）终上所述，框图-6所述的误上电保护既简单又有良好的动作特性。

【附录】南京论文所讲的误上电保护有以下问题：偏移阻抗圆整定值{Z 正=(X s −X T −X d ‘)2×K K Z 反=(X T +X d ’)×K K1. 当X s 大时，圆大，正常并网时及并网后1s 内，南京误上电保护可能误跳闸。

2. 当X s 小时，圆小，在停机、启机过程中，若误上电，保护测量阻抗在第三象限的m →n 点摆动，最终稳定于一点，此点在圆外，误上电保护拒动。

这种误上电是非同期合闸，机组处于电动机运行状态，自系统吸取有功，同步电机逆功率运行，危害极大。