1、主設備異常運行其它保護高效培訓教案 相應的銅損將由 增大到 。若銅損所產生的熱量毫不散失地儲存在繞組之中，則繞組的溫度按指數規律由 上升到 ，如圖81所示。 在銅損由 升到 時，近似 地認為溫度 隨時間t線性上升， 則在 時間內繞組的溫升為： （8-1-1） 其中： 繞組的熱容量。 注意到銅損與電流的平方成正比，則式（8-1-1）變為： （8-1-2） 對于給定的溫升 ，則可得到相應的允許時間圖81 繞組溫度上升規律2 與電流的關系式為： （8-1-3） 其中： 一般發電機都給出過負荷倍數和相應的持續時間。例如，一直接冷卻的汽輪發電機，其定子繞組的過負荷能力為1.3倍額定電流下允許持續時間為6

2、0s，由式（8-1-3）可算出常數 ；勵磁繞組的過負荷能力為1.25 倍額定電流下允許持續60s，同理算出常數 。已知K值之后，即可求出對應于給定電流的允許時間。 對于 的汽輪發電機，一般應能承受1.5倍定子額定電流 、歷時30s，不發生有害變形和損傷，但每年不得超過2次，由式（8-1-3），當 ，3 ，可得： 。 內冷式發電機的勵磁繞組，要求能承受短時的過負荷（以直流過電壓表示）能力如表7所示。實際運行中，可以用過電壓代表過電流。 發電機除定子繞組和勵磁繞組的過負荷問題之外還有轉子表層由于負序電流引起的過負荷。針對這三個部位，要裝設三套過負荷保護。103060120208146125112表

3、7 勵磁繞組短時過負荷能力42、定子繞組的過負荷保護 大型發電機定子繞組的過負荷保護，一般由定時限和反時限兩部分組成。保護裝置的構成形式，與負序過電流保護相似。 定時限部分的動作電流，按在發電機長期允許的負荷電流下能可靠返回的條件整定，經延時動作于信號。反時限部分的動作特性，按式（8-1-3）確定，其中取 等于額定電流 ，保護動作于解列或程序跳閘（即首先關閉主汽門或導水葉，隨后逆功率繼電器動作，最后才斷開主斷路器，這種程序跳閘保證機組不發生飛車災難性事故）。 定子繞組過負荷保護，可以采用三相式，引入三相電流，電壓形成回路的輸出電壓決定于三相中最大的一相電流。這樣，保護裝置能夠反應伴隨不對稱5

4、短路之后發電機最嚴重的發熱情況。但在實際上，常為了簡化而采用單相式接線。 負荷電流波動，振蕩過程電流的變化，以及短路切除后的電壓恢復過程中，流過發電機的電流不是恒定數值，定子繞組將出現發熱和散熱的交替過程。為了正確反應發電機定子繞組溫升，保護裝置都要設置模擬熱積累過程的環節。對于模擬式保護通常用電容充電和放電來模擬發熱和散熱特性。63、勵磁繞組的過負荷保護 勵磁繞組的過負荷保護，與定子繞組過負荷保護類似，也由定時限部分的動作電流按在正常勵磁電流下能夠可靠返回的條件整定。反時限部分的動作特性按式（8-1-3）來確定。對于300MW以下，采用半導體勵磁系統的發電機，可只裝設定時限勵磁繞組過負荷保護

5、；300MW及以上發電機，裝設定時限和反時限勵磁繞組過負荷保護，后者作用于解列滅磁。 大型發電機的勵磁系統，有的用交流勵磁電源或經不可控整流裝置組成。對這種勵磁系統，發電機勵磁繞組的過負荷保護，可以配置在直流側，也可以配置在交流側。當有備用勵磁機時，保護裝置配置在直流側的好處是用備用勵磁機時勵磁繞組不失去保護，但此時需要裝設比較昂貴的直流變換設備（直流互7 感器或大型分流器）。為了使勵磁繞組過負荷保護能兼作勵磁機、整流裝置及其引出線的短路保護，常把它配置在勵磁機中性點側，當中性點沒有引出端子時則配置在勵磁機的機端。此時，保護裝置的動作電流要計及整流系數，換算到交流側來。 應指出，現代自動調整勵

6、磁裝置，為防止勵磁繞組過電流，都有過勵限制環節，與勵磁繞組過負荷保護有類似的功能，從保護功能方面看，勵磁繞組過負荷保護可看作過勵限制環節的后備保護。84、變壓器的過負荷保護 變壓器的過負荷也表現為繞組的溫升發熱，因此也可用圖81和式（8-1-3）表示。必須說明，按式（8-1-3）構成的過負荷保護，其動作特性往往與發電機或變壓器本身的過負荷能力（過負荷倍數與允許持續時間）不能較好配合，原因是電氣設備的過負荷能力不能簡單地以式（8-1-3）表達。以變壓器為例，其過負荷能力與環境溫度、過負荷前所帶負荷、冷卻介質溫度、變壓器負荷曲線及變壓器設備狀況等因素有關，要使過負荷保護性能與設備過負荷能力完全配合

7、幾乎是不可能的。 大容量電氣主設備不應采用兩級定時限過負荷保護，理由是：它不能充分發揮設備的過負荷能力；當過負荷在保護整定閾值上下波動時，保護反復 9 動作和返回，不能消除過負荷；過負荷狀態變化時，不能反映變化前的溫升情況。 一種較為精確些的變壓器過負荷保護（數字型）其基本原理介紹如下： 以 表示變壓器油溫， 為額定負荷時的油溫；以 表示繞組與油的溫差， 為額定負荷時的溫差；則 即為額定負荷時的繞組溫度。 變壓器繞組相對于 的溫升 為： （8-1-4） 令 ，上式可改寫為： （8-1-5）10 和 由下二式決定： （8-1-6） （8-1-7） 式中： 油的溫度時間常數； 繞組與油的溫差時間常

8、數； 過負荷發熱特性的指數，其值由變壓器的 過負荷特性決定。 為防止過負荷引起溫升過高，采取甩負荷技術措施，若不甩負荷，溫升預測為 ，則： （8-1-8）11 式中， 是一設定的時 間常數，見圖82，其大小 為：由發出甩負荷指令的瞬 間開始算起，到對應一定的 負荷下（不甩負荷）， 預測溫升 達到極限值M， 過負荷保護動作為止的一段 時間。 事先選定需要甩負荷的 過負荷水平 為某值 ，由式（8-1-5）式（8-1-8）預 測溫升 ，當 時甩負荷指令開始發出，圖82中 的點劃線，稍后即甩負荷。甩負荷甩負荷指令變壓器過負荷能力過負荷保護圖82 過負荷和甩負荷過程中的繞組溫升 甩負荷指令開始發出 過負

9、荷保護動作12 實際運行于某一 ，初始溫升為 ，由實時的 大小，根據前述諸式決定實際溫升 ，若沒有甩負荷，則當預測溫升 時，過負荷保護動作（見點劃線）。若中間過程加入減負荷操作，則 恒小于 ，保護不動作。若發生嚴重過負荷（ ），雖經甩負荷，但負荷減小不足夠大，則當 時負荷保護仍將動作。13（二）過電壓保護 在110kV和220kV的電力系統中，低壓側有電源的變壓器，高壓側中性點可能接地運行或不接地運行時，外部單相接地故障將引起不接地中性點的電壓異常升高，因此應裝設零序過電壓保護。 對于水輪發電機，由于調速系統動作遲緩，在甩負荷后，轉速上升容易出現不允許的過電壓，因此都規定裝設過電壓保護，一般根

10、據發電機的絕緣狀況，動作電壓取1.5倍額定電壓，經0.5s解列滅磁。對晶閘管整流勵磁的水輪發電機機，動作電壓取1.3倍額定電壓，動作延時為0.3s。 對于中小型汽輪發電機，通常都不裝設過電壓保護。但是200MW及以上汽輪發電機，則都裝設了過電壓保護。這是因為，在運行實踐中，大型汽輪發電14 機出現危及絕緣安全的過電壓是比較常見的現象。 即使調速系統和自動調整勵磁裝置都正常運行，當滿負荷下突然甩去全部負荷，電樞反應突然消失，由于調速系統和自動勵磁裝置都是由慣性環節組成，轉速仍將上升，勵磁電流不能突變，使得發電機電壓在短時間內也要上升，其值可能達到1.31.5倍額定值，持續時間可能達到幾秒。如果功

11、頻調節系統或自動調整勵磁裝置退出運行，當甩全負荷時，過電壓的持續時間要更長。 發電機主絕緣的工頻耐壓水平，一般為1.3倍額定電壓持續60s。而實際過電壓的數值和持續時間可能超過試驗電壓和允許時間，因此，對發電機主絕緣構成了直接威脅。 由于上述原因，對于20萬kW及以上的大型汽輪15 發電機，國內外都無例外地裝設過電壓保護，保護動作電壓為1.3倍額定電壓，經0.5s延時作用于解列滅磁。 發電機承受過電壓的能力，是設計和整定過電壓保護的依據。過電壓保護的動作電壓和動作時間的整定值將隨機組的不同而不同。 汽輪發電機裝設過勵磁保護后，可不再裝設過電壓保護，因為前者已具備過電壓保護功能。16（三）逆功率

12、保護 與電力系統并列運行的發電機，由于各種原因而停止供給原動機能量時，將從系統吸取能量變為電動機運行，驅動原動機運轉。 汽輪機在其主汽門關閉后，轉子和葉片和旋轉會引起風損，風損與轉子葉輪直徑和葉片長度有關，所以在汽輪機的排汽端風損最大，風損還與周圍蒸汽密度成正比，一旦機組失去真空，使排出蒸汽的密度增大，風損將劇烈增加；當在再熱式機組的主蒸汽閥門與再熱蒸汽截止閥之間截留了高密度蒸汽，高壓缸中的風損也是很大的。因為逆功率運行時，沒有蒸汽流通過汽輪機，由風損造成的熱量不能被帶走，使汽輪機葉片過熱以致損壞。 發電機變為電動機運行時，燃氣輪機可能有齒輪17 損壞的問題；燈泡式和斜流式等低水頭水輪機在逆功

13、率運行時，低水流量使內部壓力降低到某一限度、在局部形成汽泡或汽穴，而后在壓力升高的地方汽穴重新凝聚小時，造成頻率很高、壓力很大的微觀水擊，致使轉子葉片表面產生疲勞破壞、溫度升高、電離和化學腐蝕等作用，此即汽蝕現象；柴油發電機組逆功率運行時未燃盡的柴油可引發爆炸或著火的危險。因此對所有各種發電機組均裝設逆功率保護。對于汽輪機組，采用油跳閘系統和油調節系統控制汽輪機閥門、測量蒸汽流量是否小于同步轉速的無負荷蒸汽流量（可由高壓缸壓降準確確定）作為主保護，逆功率繼電器作為后備保護，排汽室溫度作為警報。對于水輪機、燃氣輪機和柴油機，逆功率繼電器是主保護。 我國自行設計的發電廠以往不裝設逆功率保護，18

14、但采取下述措施：主汽門關閉后，在控制室內發出聲光信號，如主汽門誤關閉，檢查之后即可迅速恢復供汽，使機組正常運行，如幾分鐘內不能恢復，可由值班人員斷開發電機斷路器。采用連鎖的方法，當主汽門關閉后，用主汽門的輔助觸點經延時去切除發電機。 一般來說，上述方法也是可行的，但有不足之處，因為都不能確切地反應主汽門關閉的實際情況。逆功率保護則能夠確切地反應功率反向，及時發出信號，在允許的時間內自動停機。因此采用逆功率保護是一種比較完善的辦法。 逆功率保護主要是由一個靈敏的功率繼電器構成的。當主汽門突然關閉后，發電機有功功率下降并19 變到某一負值，幾經擺動之后達到穩態值。發電機的有功損耗，一般約為額定值的

15、1%1.5%，而汽輪機的損耗與真空度及其他因素有關，一般約為額定值的3%4%，有時還要稍大些。因此，發電機變電動機運行后，從電力系統中吸收的有功功率穩態值約為額定值的4%5.5%，而最大暫態值可達到額定值的10%左右。當主汽門有一定的泄漏時，實際逆向功率還要比上述數值小些。 主汽門關閉，可能在無功功率為任意值時發生而最不利的情況是在接近額定千乏數時發生。此時要在 的條件下檢出千分之幾到百分之幾額定值的有功功率來，而且希望從進相運行到滯相運行很寬的范圍內，保持動作功率基本不變。因此，逆功率繼電器需要精心設計和仔細調整。20（四）發電機頻率異常保護 當頻率低于額定值時，發電機的輸出功率P應降低，有

16、功功率降低一般與頻率降低成一定比例，目前還沒有規定發電機在低頻下的功率降低標準。在低頻運行時發電機如果發生過負荷，也會導致發電機的熱損傷，但是限制汽輪發電機組低頻運行的決定性因素是汽輪機而不是發電機。 只要在額定視在容量（kVA）和額定電壓的105%以內、并在汽輪機的允許超頻率限值范圍內運行，發電機就沒有熱損傷問題。一般來說，水輪發電機組沒有低頻或過頻的限制問題。 頻率異常保護用于保護汽輪機，防止汽輪機葉片及其拉金的斷裂事故，對于極端低頻工況，還將威脅廠用電的安全。汽輪機的葉片，都有一自振頻率 ，21 如果發電機運行頻率升高或者降低，當 時葉片將發生諧振，其中k為諧振倍率，k=1，2，3，n為

17、轉速（r/min），葉片承受很大的諧振應力，使材料疲勞，達到材料所不允許的限度時，葉片或拉金就要斷裂，造成嚴重事故。材料的疲勞是一個不可逆轉的積累過程，所以汽輪機都給出在規定的頻率下允許的累計運行時間。 頻率升高，說明系統中有功功率過剩，將由調速器或功頻調節裝置動作于降低原動機的出力，必要時將從系統中切除部分機組，以促使頻率恢復正常。當頻率下降時，說明系統中出現有功功率缺額，對于帶滿負荷運行的大機組來說，已不可能再增加原動機的出力，為促使頻率恢復正常，就要在本機之外采取措施，如使調頻機組增加原動機的出力、投入備用機組、在負荷側按頻率自動減負荷等。22 對于頻率異常，雖然有上述措施，但在有功功率

18、擾動過程中頻率總是要出現短時偏離額定值的情況，而材料的疲勞是一個積累過程。因此為保障機組的安全，仍需要有頻率異常保護，以監視頻率狀況和累計偏離額定值在給定頻率下工作的累計時間，當達到規定值，動作于聲光信號解列或跳閘停機。 此外，對于火電廠和核電廠，電動給水泵和冷卻泵受頻率影響很大，嚴重時可能造成緊急停機，所以3060萬kW汽輪機組廣泛采用汽動給水泵。頻率過高還可能導致鍋爐的主燃料關閉或核反應堆緊急停堆。 汽輪機葉片及其拉金的材料疲勞和斷裂，是一個復雜的問題，與許多因素有關，在制造上難于給出準確的斷裂條件。因此，在給定頻率下運行的累計時間達到規定值時，只能說明有斷裂的可能，并不說明23 立即要斷

19、裂。因此，通常認為頻率異常保護應當動作于聲光信號，盡量避免不必要的切除發電機。特別是對于低頻保護更應如此，因為低頻保護動作后，說明系統中缺少有功功率，如再切除發電機，則會進一步減少發出的有功功率，促使頻率進一步下降，造成惡性循環而終致系統瓦解。 從對汽輪機葉片及其拉金影響的積累作用方面看頻率升高對汽輪機的安全也是有危險的，所以從這點出發，頻率異常保護應當包括反應頻率升高的部分。但是，一般汽輪機允許的超速范圍比較??；在系統中有功功率過剩時，通過各機組的調速系統或功頻調節系統的調節作用，以及必要時切除部分機組等措施，可以迅速使頻率恢復到額定值；而且頻率升高大多數是在輕負荷或空載時發生，此時汽輪機葉

20、片和拉金所24 承受的應力，要比低頻滿載時小得多；此外，再考慮到簡化保護裝置的結構，所以一般頻率異常保護中，不設置反應頻率升高的部分，而只包括反應頻率下降的部分，并稱為低頻保護。 低頻保護的段數及每段的整定值，根據機組的要求確定。減少低頻保護的段數，必然增加發電機不必要跳閘的可能性，因為各段保護延時大大減小。整定好低頻保護的動作頻率和時限后，還應根據所在系統的最嚴重擾動，結合按頻率自動減負荷裝置的動作，觀察系統的頻率響應，看低頻保護是否有不必要的切除發電機。在自動減負荷的動態過程中，低頻保護不會誤切發電機。如果系統頻率響應在可恢復的振蕩與低頻保護跳開發電機之間沒有足夠的裕度，也就是可能誤切發電

21、機時，則應采取修改自動減負荷方案，增加其級數或甩負荷大小，不應修改汽輪機低頻保護方案，使汽輪機葉片冒增加壽命損失的風險。25（五）電流互感器二次斷線保護 電流互感器二次側開路后，鐵芯磁化強度為： （8-5-1） 式中： 電流互感器一次繞組匝數； 一次電流幅值； 電流互感器鐵芯平均長度。 二次開路電壓為： （8-5-2） 式中： 鐵芯截面積； 二次繞組匝數； 動態導磁率， ； 磁化強度幅值，其值為：26 鐵芯完全飽和后， ；而當磁通密度B過零時， 達到最大值。由于全部一次電流都用于鐵心磁化，所以當 值很小時，鐵芯就已深度飽和。而在 值很小時，可認為 。再以 表示動態導磁率的最大值則電流互感器二次

22、開路電壓幅值可由式（8-5-2）求出： （8-5-3） 動態導磁率的最大值 ，可以由磁化曲線近似求出。設磁化曲線對稱，圖83中a為飽和點，Oa段可近 似地用下式表示： （8-5-4） 則動態導磁率為： （8-5-5） 在H=0、B=0時有 ，此時由式圖83 磁化曲線27 （8-5-4）可得： （8-5-6） 因此由式（8-5-5），令H=0、 ，有： （8-5-7） 若以 表示對應 的飽和電流，注意到式（8-5-2）和式（8-5-6），則式（8-5-3）表示二次開路電壓幅值為： （8-5-8） 對于大容量發電機組， 很大，所以開路電壓 很高，例如一臺15000/5A的電流互感器， ；一臺250

23、00/5A的電流互感器， 。這樣高的二次電壓，如無特殊保護措施，必將損壞互感器二次繞組、二次設備和連接電纜。 大機組均系封閉母線，發電機電壓回路內的電28 流互感器均裝設在封閉母線中，一旦遭受破壞，更換困難，要招致很大的停電損失。 在實際運行中，電流互感器二次開路事故不能完全杜絕，特別是發電機回路的電流互感器，安裝在受振動的環境中，更不能完全消除開路故障。因此，從安全來看應裝設斷線保護。 發生斷線故障時，電流互感器斷線保護應能把二次電壓限制在允許范圍之內，以防止設備遭受破壞，同時應發出信號。進一步要求，對那些在二次斷線后可能誤動作的保護，例如低整定值的差動保護、負序電流保護等，能夠實現閉鎖更有

24、利于機組安全運行。 斷線保護可以用二次側并接放電間隙的方法構成也可以用二次側并接非線性電阻的方法構成。 圖84是利用非線性電阻R構成的斷線保護原理圖29 在正常運行時，二次電壓很低，R阻值非常大。當A點斷線后，電流互感器二次繞組被非線性電阻R閉路，此時二次開路電壓很高，R阻值急劇減小，把二次電壓限制在允許范圍內。例如，二次設備的試驗電壓為2000V持續1min時，計及一定的裕度，可將二次開路電壓幅值限制在1000V左右。 通常，非線性電阻（例如氧化鋅閥片）熱容量較小，不能長期通過較大的電流。若要求能長期通過信號保護及儀表圖84 電流互感器斷線保護 TA電流互感器 R非線性電阻 KH熱繼電器聲光

25、信號保護及儀表圖85 利用雙位置繼電器的 電流互感器斷線保護30 大電流，體積又會太大。因此，與非線性電阻R串聯一只熱繼電器KH（或其他形式手動復歸的繼電器）。當非線性電阻中流過較大電流時，繼電器KH動作，其觸點將互感器二次側短路，并發出信號。 圖85是用直流雙位置繼電器的一種斷線保護。雙位置繼電器K的兩個位置均靠機械結構保持，只是當其中一個線圈勵磁后才改變狀態。繼電器的一個線圈經四個二極管V1V4組成的整流元件接到電流互感器二次側，另一個線圈用于復歸。當電流互感器二次回路斷線時，繼電器K動作，一個觸點將電流互感器二次側短接，一個觸點發出聲光信號。因此，非線性電阻R起限壓作用的時間為繼電器的動

26、作時間，約為幾到十幾毫秒，在此時間內非線性電阻不應當因過熱而損壞。 對圖84和圖85所示的斷線保護，在系統發生最嚴重的短路故障時，繼電器應可靠不動作，非線性電阻的阻值不應當有明顯變化，以免影響其它裝置的正31 確工作。目前國內生產的非線性電阻，由于特性不穩定，多次造成差動保護和負序電流保護誤動，此種非線性電阻應停止使用，在這種情況下，因TA二次斷線而使差動保護動作，有利于電廠的安全運行。 對應用快速繼電器的斷線保護裝置，可以用于閉鎖那些電流互感器二次斷線后將誤動作的保護裝置，如差動保護、靈敏的負序電流保護等。閉鎖的方法，一是將被閉鎖的保護出口回路斷開，二是將相關聯的健全相電流互感器二次側也同時

27、短接。但是，對于變壓器差動保護不論用哪一種方法實現閉鎖，都將降低可靠性和增加許多連接電纜。因此，兩種方法未得到推廣使用。 微機型差動保護用TA的二次側均為Y接線，可方便地用軟件實現TA二次側斷線的檢測和保護。32（六）非全相運行保護 變壓器220kV及以上高壓側的斷路器，多為分相操作的斷路器，常由于誤操作或機械方面的原因，使三相不能同時合閘或跳閘，或在正常運行中突然一相跳閘（偷跳）。因此，對于在系統中占有重要地位的電力變壓器，220kV及以上電壓側為分相操作的斷路器，當非全相運行可能引起電力系統中其它保護越級跳閘，造成嚴重事故時，要求裝設非全相運行保護。 非全相運行保護，一般由靈敏的負序電流元

28、件和非全相判別回路組成，如圖86所示。經短延時（例如t=0.20.5s）動作于斷開其它健全相。如果是操動機構故障，不能斷開其它健全相，則應動作于母線失靈保護，切斷與本回路有關母線段上的其它有緣回路，但失靈保護不允許采用斷路器輔助觸點作判別元件。33 運行經驗證明：220kV電壓級的分相操作斷路器發生非全相運行的情況是多見的，并在某些聯系薄弱的電力系統中，造成穩定破壞事故。因此，非全相運行保護得到普遍應用。 以往為防止斷路器輔助觸點與主觸點不協調，例如主觸點三相已合上或斷開，但輔助觸點 、 、 三相中有一個或兩個未相應協同動作，如果沒有負序電流 元件，非全相運行保護將誤動，影響嚴重。實際延時跳閘圖86 非全相運行保護原理圖 被保護回路斷路器A、B、C相的輔助觸點34 運行證明，即使三相輔助觸點稍有不同步，由于尚有延時0.20.5s非全相運行保護在沒有負序電流元件（ ）的情況下，也不會誤出口跳閘，所以圖86中的負序電流元件已被取消，而取消的必要條件是斷路器必須有質量可靠的三相輔助觸點。 對于220kV及以上斷路器，它的操作箱中已有三相不一致跳閘回路，如果非全相運行保護裝設在發-變組保護屏上，就必須將