发电机保护

发电机保护是发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是十分贵重的电气设备，因此，应该针对各种不同的故障和不正常工作状态，装设性能完善的继电保护装置。

电力系统一旦发生停电故障，就会带来较大的经济损失，所以验证发电机保护及控制的协调性是一项具有深远现实意义的工作。

特别是在电力系统振荡期间，发电机保护很可能发生误动，加强发电机保护及控制的协调性可以有效解决这些问题。

电力系统一旦发生停电故障，就会带来较大的经济损失，所以验证发电机保护及控制的协调性是一项具有深远现实意义的工作。

特别是在电力系统振荡期间，发电机保护很可能发生误动，加强发电机保护及控制的协调性可以有效解决这些问题。

以下主要介绍发电机保护与调速器系统、励磁系统以及与有功功率和无功功率之间的协调方法。

（一）调速器控制及低频协调
调速器控制的首要作用是在电力系统中为发电机机组维持合适的速度调节和负荷分配。

当发电机突然失负荷，那么转速加快的同时频率也会加大此时，调速器主要通过封闭导叶等方式减少机械力和输出功率反之亦然，当发电机在过载的状态下工作时，转速会相应减小，同时转动频率也随之下降。

发电机满负荷运行并处于低频状态的时候，现有的控制显然还不具备纠正这种过载的能力，低频甩负荷也需要在整个系统负荷匹配时才会发生。

例如，在大型系统发生振荡时，电力系统将解列成几个典型的由数个电厂构成的孤网。

在这些孤网里，存在着典型的负荷失配，如果在一个孤网上发生过载，频率将减小，导致发电机转速减缓。

这个时候，就要求系统低频甩负荷运行。

（二）励磁保护及系统稳定
发电机的励磁系统为保证发电机与电力系统同步提供磁场能,它为发电机转子绕组输入直流电。

在当前励磁系统中,直流电一般从连接至发电机出口的交直流转换变压器中获得。

交流电将转换成直流电,为给这台变压器启动时提供电势,该磁场需配置一套蓄电池以起励。

在过去的励磁系统中,该直流电源是由主发电机轴上的一台小发电机提供的。

除维持发电机同步以外,励磁系统还影响着由发电机吸收或输出的无功功率值。

励磁电流的加大会提高无功功率的输出并使电压升高。

减小励磁会起到相反的效果,并且在极端情况下,可能导致发电机不再与电力系统同步。

如果发电机已与电网解列或与电力系统联系微小,也没有其他无功电源控制其出口电压,加大励磁电流会使发电机出口电压升高。

励磁控制是用来防止不被允许的工况强加于发电机上。

这是带有过励和欠励限制功能的AVR控制。

过励控制可防止AVR 试图提供超过了系统能提供的或发电机磁场能承受的更多的励磁电流。

过励控制必须在发电机过电压保护动作前限制励磁电流。

欠励限制可防止AVR降低励磁到导致发电机有失去同步的危险低水平,防止超出机械欠磁承受力或因为超出失磁保护设置而跳闸。

过励和欠励限制功能是为了防止发电机超出其额定功率MW或MVAR(见图1)运行。

该有功功率MW和无功功率MVAR的向量之和与视在功率MVA值相等。

发电机通过控制转子和定子绕组的电流来控制其正常运行方式(过励)。

在欠励运行方式下,发电机通过从系统吸收无功功率来控制系统侧的高电压。

图1过励和欠励限制功能作用示意
（三）发电机静态稳定性
有些情况下，发电机静态稳定性会受到一定的影响，比如电厂输电到符合中心的输电线路过少等等。

当远端发电厂和负荷中心这两个电压向量之间的夹角达到90b 或以上时，系统间能够传输的电能可能会降低，电力系统也会出现震荡，并可能被解列出几个孤网。

发电厂或者负荷中心之间的线路由于故障断开，两点之间的电抗就会增加到一个能够提供传输却不能维持同步的最大电能点。

在这种震荡的状态下工作，发电机会因为磁极的跳动从而引起一系列的不同步。

系统间的断路会使得输电线路增加了负荷中心同远端的电厂之间的电抗，这样一来，电势衰减可能会同静态稳定不稳定同时出现。

（四）失磁保护
失磁保护需要与静态稳定、发电机容量以及欠励限制相协调。

为降低系统的高电压,发电机须在欠励工况下运行,并从电力系统中吸收无功功率。

这一点在一个大型系统发生振荡并解列成几个孤网时尤其明显。

重要的是,发电机可吸收无功来调节系统的电压。

发电机吸收无功的能力可以从发电机容量曲线中看出。

发电机欠励限制必须设置为在发电机容量曲线中可持续运行(见图1)。

失磁保护必须设置为允许发电机在欠励工况下运行。

同步发电机部分或全部失磁都不利于发电机及与其相连的电力系统。

这种状况必须尽快被检测出来,并从电力系统中隔离以避免损坏发电机。

失磁状况若未被检测出,则会大量消耗无功功率,从而对电力系统造成破坏性影响。

一台大型发电机失磁导致的无功损耗,会造成电力系统电压下降。

当发电机失去励磁,它就会像异步发电机一样运行,由于转子滑环引起的涡流,转子和阻尼条的温度也会迅速增加。

供给发电机磁场绕组的直流供电回路短路、磁场绕组短路或励磁系统断路器不慎跳闸都会引发失磁。

当失磁发生时,来自电力系统的高无功电流就会流经发电机,从而导致其定子绕组过载。

最广泛使用的检测发电机失磁的方法是使用阻
抗继电器来检测发电机出口的阻抗变化。

失磁继电器由2个偏移的阻抗特性(1区和2区)组成。

阻抗圆直径等于发电机同步电抗并向下偏移。

发电机暂态电抗的一半作为保护的第2区。

第2区保护动作将延迟30至45个周期,以防止在暂态振荡中误操作。

第2个继电器区(1区)是以标幺值为1的同步电抗(各台发电机)为直径,同样以发电机暂态电抗的一半为偏移量。

第1区操作发电机失磁保护有几个周期的延迟,并且能更迅速地检测到一部分失磁工况。

当同步电抗小于或等于标幺值为1的同步电抗(各台发电机)时,只有2区投入,且设置成圆直径等于标幺值为1的同步电抗(各台发电机)。

图2为一个发电机有功-无功性能参数图。

发电机失磁继电器检测阻抗,因此这些继电器特性都显示在R-X图上。

为协调发电机容量与失磁继电器,必须将容量曲线和励磁控制转换到R-X图或将阻抗继电器设置到有功-无功性能参数图上。

图2发电机失磁保护
此外,还需核查这种情况,即一般由输电系统短路引起的在瞬变过程中的阻抗轨迹不回转到失磁继电器动作的阻抗特性区域内造成的稳态系统暂态误跳闸。

（五）结束语
大型电力系统中发电机扮演着极为关键的角色，发电机保护与发电机满负荷运行容量及发电机静态稳定之间需要良好协调。

电力系统震荡中的发电机保护会出现保护性误动作，更是进一步显现出了发电机保护与发电机控制之间协调的必要性。

发电机的继电保护不仅要在保护上加强研究，同时更应注意到保护与控制间的统一协调。