发电机的逆功率保护、低频保护、非全相运行保护和断路器断口闪络保护及误上电保护

发电机的逆功率保护、低频保护、非全相运行保护和断路器断口闪络保护及误上电保护发电机的逆功率保护发电机的逆功率保护实际用于保护汽轮机。由于机炉保护误动作或调整控制回路故障等原因，使汽轮机主汽门关闭而发电机断路器未跳闸前，发电机将从系统吸收有功功率，转为电动机运行。逆功率对发电机本身无害，但此时残留在汽轮机尾部的蒸汽与长叶片摩擦，会使叶片过热，造成汽轮机事故，逆功率运行不能超过3min。对于200MW及以上的大型发电机组均应装设逆功率保护。如图8-48所示为绝对值比较式逆功率保护原理接线图。保护装置的核心元件是灵敏的功率继电器，将发电机端同名相电流、电压加入继电器的输入端，在电抗变换器TX和中间电压变换器TVS的二次侧分别形成工作回路电压和制动回路电压。继电器的动作方程为，即Uop≥Ures，最大灵敏角为180°。发电机逆功率时，满足继电器的动作条件Uop≥Ures，电平检测器有输出，逆功率继电器动作。汽轮发电机组在主汽门关闭后以电动机运行时，有功功率损耗约为正常运行额定有功功率PN的1%~1.5%，汽轮机有功功率损耗约为3%~4%PN，总逆功率值约为4%~4.5%PN，但主汽门关闭后尚有一些泄漏，因此逆功率值通常小于1%PN。考虑继电器的精度，其动作功率Pact按发电机额定有功功率PN的0.5%~2%整定，一般取发电机额定有功功率PN的1%左右，即当逆功率超过整定值时，功率继电器电平检测回路的输出，经时间元件KT1短延时1~1.5s后通过出口继电器K1动作于信号，经时间元件KT2长延时2~3min后通过出口继电器K2动作于发电机解列、灭磁。发电机的低频保护频率异常保护用于保护汽轮机。汽轮机的叶片有一个自振频率，如果发电机运行频率升高或降低，以致接近或等于叶片的自振频率时，将产生共振，使材料疲劳。材料的疲劳是一个不可逆的积累过程，当汽轮机超过规定的频率或规定频率下允许的运行时间，叶片或拉金就有可能断裂，造成严重事故。由于发电机低频异常运行大多发生在重负荷时，对汽轮机的威胁非常严重。此外，发电机低频运行还对厂用电的安全构成威胁。因此，目前反应发电机频率异常的保护，实际上是低频异常保护，简称低频保护。低频保护通常为三段式，由频率继电器、与门译码器G1、G2、G3、时间元件t1、t2及或门组成，逻辑框图如图8-49所示。一台计数器PC构成的频率继电器是保护装置的核心元件。石英振荡器Z的振荡频率为fz，其输出电压经整形和脉冲形成元件M1后，每一周期Tz输出一个脉冲去推动PC计数。被测发电机频率为f的工作电压经整形和脉冲形成元件M2后，每一工频周期T输出一个脉冲对PC清零。每次工频脉冲清零时PC累计的脉冲数n为若振荡频率fz=100kHz，发电机频率f为额定频率fN=50Hz，则PC累计的脉冲数n=2000。可知，发电机频率为50Hz时，计数器计数为2000。当发电机运行频率下降到小于50Hz的某一频率时，计数器对应计数为大于2000的某一个数。如此，发电机频率f为0.99fN时，计数器计数的输出分别经与门译码器G1、G2、G3译码后，使G1输出逻辑1，其他为0；同理f为0.975fN时，使G2输出逻辑1，其他为0；f为0.935fN时，使G3输出逻辑1，其他为0。因此，某个频率的与门译码器输出逻辑1时，对应此时发电机的运行频率。可见，保护装置段数决定于与门译码器的个数，频率的整定值决定于译码器的n值。当发电机运行频率f低于0.99fN时，Ⅰ段保护动作经时间元件tⅠ=60min延时后发出声光信号并跳闸；当f低于0.975fN时，Ⅱ段保护经时间元件tⅡ=10min延时后，同样也发声光信号并跳闸；当f下降到0.935fN时，Ⅲ段保护瞬时动作于发电机跳闸的同时，发出声光信号。t1时限为发电机频率f在0.99fN~0.975fN范围内安全运行的允许时间，t2时限为发电机频率f在0.975fN~0.935fN范围内安全运行的允许时间。发电机的非全相运行保护和断路器断口闪络保护220kV及以上的断路器多为分相操作，由于误操作、二次回路故障或断路器操作结构误动作等原因，造成三相不能同时跳、合闸或系统正常运行时一相突然跳闸的缺相异常运行，导致发电机-变压器组产生负序电流。发电机的反时限负序电流保护将动作，但动作时限太长；若由相邻线路对侧保护动作，无疑扩大了故障停电范围。因此，应装设非全相运行保护。非全相运行保护的原理接线如图8-50所示。由负序电流元件ZAN和非全相判别回路（由断路器三相辅助常开触点、常闭触点分别并联后再串联构成）及时间元件KT组成。QFA、QFB、QFC为断路器A、B、C相的辅助触点。当由于各种原因使运行发电机-变压器组高压侧断路器突然断开一相时，产生的负序电流通过非全相判别回路，即断路器健全相的常开辅助触点和断开相的常闭辅助触点，经时间元件KT延时0.2s~0.5s后，非全相运行保护动作于断开其它健全相。若断开其它健全相不成功，则动作于起动断路器失灵保护，跳开与本断路器有关的母线上其它有源断路器。考虑与自动重合闸装置动作时限的配合，保护时间元件的时限整定为0.2s~0.5s。发电机在高压侧220kV及以上电压系统进行同期并列（或电网之间同期并列）过程中，作用在断路器断口上的电压最大可达两倍相电压，有可能造成断口闪络事故。因此应装设断路器断口闪络保护，原则上每台断路器装设一套，其原理接线如图8-49所示。保护装置由负序电流元件ZAN和断路器三相分闸判别元件（由辅助常闭触点QFA、QFB、QFC串联构成）及时间元件KT组成。当发电机在高压侧同期并列（或电网之间同期并列）过程中，当断路器还未合闸，发生断路器断口闪络时，将出现负序电流，通过断路器三相分闸判别元件，经时间元件KT延时0.2s~0.5s后，断口闪络保护动作于灭磁并起动母线断路器失灵保护发电机的误上电保护发电机在停机期间或起停过程中，如果断路器意外合闸上电，将使发电机异步起动。最不利情况下，流过发电机的电流可达其额定电流的3~4倍，机端电压下降到额定值的50%~70%。若不能及时切除电源，发电机定子电流最严重时产生的旋转磁场，在转子中感应接近工频的频差电流，从而引起转子过热、甚至损坏。此外，误上电导还将致转子突然加速而使发电机轴瓦系统损坏。对于超高压系统广泛采用的断路器接线方式，其接线方式复杂，也增大误上电的可能性。因此，600MW及以上的大型发电机组，要求装设误上电保护，以快速切除误上电的发电机，确保机组安全。误上电保护在发电机解列后自动投入运行，并列后自动退出运行。由