電力系統(tǒng)繼電保護7~10章習題解答

1、第 7 章同步發(fā)電機的繼電保護思考題與習題解答71發(fā)電機有哪些故障類型應該裝設哪些反應故障的保護 答：發(fā)電機應裝設下列保護：發(fā)電機故障類型主要有各種短路故障。 各種故障包括相間短路、 接地短路和 輸電線路斷線。應裝設的保護有：（1）對于發(fā)電機定子繞組及其引出線的相間短路，應裝設縱聯(lián)差動保護。（2）對于定子繞組單相接地故障，應裝設零序保護。當發(fā)電機電壓回路的接地 電容電流（未經(jīng)消弧繞組）大于或等于 5A 時，保護應動作于跳閘，當接地電容 電流小于5A時保護應動作于信號。對容量是100MW及以上的發(fā)電機應盡量裝設 保護范圍為 100%的接地保護。（3）對于定子繞組匝間短路，當繞組接成雙星形，且每一

2、分支都有引出端時， 應裝設橫聯(lián)差動保護。（4）對于外部短路引起的過電流，一般應裝設低電壓啟動的過電流保護或復合電壓啟動的過電流保護。對于容量為 50MW及以上的發(fā)電機，一般裝設負序過電 流及單相低電壓啟動的過電流保護。 負序過電流保護同時用作外部不對稱短路或 不對稱負荷引起的負序過電流保護。（5）對于由對稱過負荷引起的定子繞組過電流，應裝設接于一相電流的過負荷 保護。（6）對于水輪發(fā)電機及其某些大容量汽輪發(fā)電機定子繞組的過電壓，應裝設帶 延時的過電壓保護。（7）對于勵磁回路的接地故障，水輪發(fā)電機一般應裝設一點接地保護。對汽輪 發(fā)電機的勵磁回路一點接地， 一般采用定期檢測裝置， 對大容量機組，

3、可裝設一 點接地保護，對兩點接地故障，應裝設兩點接地保護。（8）對于發(fā)電機的勵磁消失，當100MW以下不允許失磁運行的發(fā)電機，應在自動滅磁開關斷開時應聯(lián)動斷開發(fā)電機斷路器；當采用半導體勵磁系統(tǒng)時，應裝設專用的失磁保護。對于 100MW以下但對電力系統(tǒng)有重大影響的發(fā)電機和100MW及以上的發(fā)電機應裝設專用的失磁保護。（9）對于發(fā)電機轉子回路過負荷，在容量為 100MW以上并采用半導體勵磁的發(fā) 電機，可以裝設轉子回路過負荷保護。（10）對于大容量汽輪發(fā)電機的逆功率運行，可以裝設逆功率保護。72試分析發(fā)電機縱差保護的作用及保護范圍答：發(fā)電機縱差保護是反應發(fā)電機定子繞組及其引出線的相間短路故障，保護無

4、死區(qū)動作時限短。它作為發(fā)電機相間短路的主保護。其保護范圍包括發(fā)電機定子 繞組及引出線，即裝設發(fā)電機定子繞組兩側 TA之間的范圍。73試說明如圖7 1具有斷線監(jiān)視裝置的發(fā)電機縱差保護裝置，在內部故障、 電流互感器二次回路斷線情況下的動作過程。當發(fā)生二次回路斷線時的外部故 障，保護將如何反應答:如圖71所示具有斷線監(jiān)視的發(fā)電機縱差保護裝置，在發(fā)生內部故障時， 電流互感器2TA二次回路斷線，則差動繼電器通過1TA反應的短路電流* KTa要 大于繼電器動作電流，繼電器動作。當發(fā)生外部故障時，2TA斷線流過繼電器電流仍為Ik Kta，保護要誤動作，但因為裝設了斷線監(jiān)視裝置，發(fā)生斷線后，它發(fā)出信號，運行人

5、先接到信號后即將差動保護退出，防止誤動作圖7 1題7-3具有斷線監(jiān)視裝置的發(fā)電機縱差保護原理接線圖74零序電壓匝間短路保護，能否保護單相接地答：不能，如圖72所示為零序電壓匝間短路保護原理接線圖，圖中把發(fā)電機中性點與發(fā)電機出口端電壓互感器的中性點連在一起，當發(fā)電機內部發(fā)生匝間短路或者中性點不對稱的相間短路時， 破壞了三相中性點的對稱，產(chǎn)生了對中性 點的零序電壓即3U00，使零序電壓匝間短路保護正常動作。當發(fā)電機內部或外部發(fā)生單相接地時，雖然電壓互感器TV的一次系統(tǒng)出現(xiàn)了零序電壓，即一次側三相對地電壓不平衡，中性點電位升高為Uo，但TV一次側的中性點并不接地，所以即使它的中性點電位升高，三相對地

6、中性點的電壓仍 對稱，所以開口三角形繞組輸出電壓 3U0=0。保護不會動作。為防止1TV一次熔 斷器熔斷引起保護誤動作，設置了電壓閉鎖裝置，為防止低定值零序電壓匝間短 路保護在外部短路時誤動作，設置了負序功率方向閉鎖元件。圖72題7-4零序電壓匝間短路保護原理接線圖75為什么反應零序電壓的定子繞組匝間短路保護要采用負序功率方向閉鎖答：零序電壓的定子繞組匝間短路保護采用負序功率方向閉鎖元件。在正常運行時，系統(tǒng)振蕩或三相對稱短路時，發(fā)電機定子繞組三相電流對稱，轉子回路 不出現(xiàn)2次諧波電流，保護不會動作。當發(fā)電機不對稱運行或發(fā)生不對稱短路時， 定子繞組的負序分量電流也將在轉子回路中感應出2次諧波電流

7、。為防止在這些情況下保護誤動作，可加設起閉鎖作用的負序功率方向閉鎖， 因為匝間短路時的 負序功率方向與不對稱運行或發(fā)生不對稱接地短路時的負序功率方向相反。這 樣，不對稱情況下的負序功率方向元件使保護閉鎖， 匝間短路時便能使保護開放。76 為什么發(fā)電機定子繞組單相接地的零序電流保護存在死區(qū)，如何減小死區(qū) 答：當發(fā)電機定子繞組的中性點附近接地時， 由于接地電流很小， 采用零序 電流保護可能不能動作，有15%- 30%勺死區(qū)。為減小死區(qū)可采取下列措施：（ 1 ）加裝三次諧波濾過器；（2）對于高壓側是中性點直接接地電網(wǎng)，可利用保護裝置延時來躲過高壓側接 地短路故障，其動作時限應與變壓器勺零序保護相配合

8、；（ 3）對于高壓側是中性點非直接接地電網(wǎng)，可利用高壓側勺零序電壓將發(fā)電機 勺接地保護閉鎖或實現(xiàn)制動。采用上述措施后， 繼電器動作值可取 5-10伏，保護范圍可提高到 90%以上， 但是在中性點附近仍有 5%-10%勺死區(qū)。7-7 大容量發(fā)電機為什么要采用 100%定子接地保護利用發(fā)電機定子繞組三次諧 波電壓和零序電壓構成勺 100%定子接地保護勺原理是什么答：在大型機組中水內冷機組占有一定勺比例。對于水內冷發(fā)電機來說，由 于機械損傷或發(fā)生漏水等原因， 導致中性點附近勺定子繞組發(fā)生接地故障是完全 可能勺。 如果這種故障沒有及時發(fā)現(xiàn)并處理， 勢必會發(fā)展成匝間短路， 相間短路 或兩點接地短路，以致

9、造成發(fā)電機嚴重損壞。因此，對這種大容量發(fā)電機，有必 要裝設能保護 100%定子繞組勺接地保護。下面說明利用三次諧波電壓構成勺 100%定子接地保護。該保護由兩部分組成，一部分為零序電壓保護，它可以保護85%-90%定子繞組。另一部分利用發(fā)電機三次諧波電壓構成， 它用來消除零序電壓保護勺死區(qū)， 從而實現(xiàn)保護 100%定子繞組勺接地保護。為了可靠起見，兩部分保護區(qū)有段重 疊。第二部分的工作原理是利用發(fā)電機中性點和出線端的三次諧波電壓在正常 運行和接地故障時變化相反的特點構成。 正常運行時，發(fā)電機中性點的三次諧波 電壓比發(fā)電機出線端的三次諧波電壓大。 利用其變化特點，使發(fā)電機出口的三次 諧波電壓成為

10、動作量，從而使中性點的三次諧波電壓成為制動量， 利用絕對值比 較原理，當發(fā)電機出口三次諧波電壓大于中性點三次諧波電壓時，繼電器動作， 這種保護在正常時制動，在定子繞組接地時動作。三次諧波電壓保護原理如下，由于發(fā)電機轉子和定子之間的氣隙磁通密度的 非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在發(fā)電機定子繞組感應電勢中存在三次諧波分 量，其值不超過基波電勢的10%正常運行時，中性點絕緣的發(fā)電機端電壓與中性點三次諧波電壓分布如圖7-3( a所示，其中&為每相三次諧波電勢，Cog為每相對地電容，Cos為機端 其它各連接元件每相的對地電容，中性點三次諧波電壓UN3和機端三次諧波電壓l&Sa分別為:Un

11、3E&2Cos2 Cog(71)(7-2)鳳 2C了 Cos(7-3)上式說明在正常情況下，機端三次諧波電壓小于中性點三次諧波電壓， 若發(fā)電機 經(jīng)消弧繞組接地，上述結論也成立。圖73 題7-7發(fā)電機端和中性點三次諧波電壓(a)正常運行時發(fā)電機三次諧波電壓的等值電路；(c)發(fā)電機定子繞組單相接地時三次諧波電壓的等值電路；(c)US3、Un3隨接地點位置a變化的曲線圖7 4發(fā)電機零序電壓和三次諧波電壓相結合構成100%定子繞組單相接地保護原理接線圖設發(fā)電機定子繞組距中性點 a處發(fā)生單相接地，如圖7-3(b)所示，無論中性點是否接消弧繞組都有l(wèi)&N3=aE&3, 1&

12、531 a E& ,且込3與Un3的比值為1&53與1&N3隨a而變化，其變化曲線如圖7-3( d)所示，當a<50%寸，恒有1&S3>Un3有以上分析可知，正常情況下，U&S3<U&N3 ；當a<50%E圍內發(fā)生單相接地故障時,U&53>U&N3，利用1&S3作為動作量，利用UN3作為制動量，構成接地保護，可以反 應a <50%£圍內的接地故障。利用基波零序電壓和三次諧波電壓的發(fā)電機定子繞組100%勺定子接地保護接線圖如圖7-4所示。圖中Un和Us分別表示由中性點和機端取得的

13、交流電壓， 由電抗變換器1UR一次繞組和電容g構成三次諧波串聯(lián)諧振電路，、C3組成 基波串聯(lián)諧振電路，因此加于整流橋 1U的交流電壓是三次諧波電壓。1U整流電 壓經(jīng)C5濾波后作為動作量US3作用于執(zhí)行元件，同樣，Un經(jīng)電抗變換器2URC2、 L2、C4整流橋2U,濾波電容C6后，形成制動量Un3作用于執(zhí)行元件，執(zhí)行元件 兩端電壓為：Uab Us.3 Un .3( 7-5 )在正常情況下，Us3<Un3，Uab<0,執(zhí)行元件不動作；當a<50%£圍內發(fā)生 接地故障時，Us3>Un3 Uab >0，執(zhí)行元件動作，調節(jié)電位器1RP可以改變保護的 整定值。電壓變

14、換器UV直接接于機端電壓互感器1TV的開口三角形側，反映基波零 序電壓?；阈螂妷航?jīng)整流器 3U整流和經(jīng)C7，R3，C8組成濾波器濾波后， 加于執(zhí)行元件，調節(jié)電位器2RP滑動端位置，可以改變基波零續(xù)電壓部分的整定 值。7-8發(fā)電機失磁后，發(fā)電機機端測量阻抗如何變化，什么是等有功阻抗圓，等無 功阻抗圓答：失磁后，發(fā)電機機端測量阻抗的變化是，失磁保護的重要判據(jù)，下面以汽輪 發(fā)電機經(jīng)線路與無窮大系統(tǒng)并列運行為例分析失磁后發(fā)電機機端測量阻抗的變 化情況。如圖7-5 (a)所示為系統(tǒng)的等值電路，圖 7-5 (b)為系統(tǒng)正常運行時 各電氣量的相量圖。由電機理論可知，發(fā)電機送到受端的有功功率和無功功率為：

15、P EdU sin(7-6)XEdUscos XU；(7-7)arcta n Q(7-8)式中Ed，Us 發(fā)電機電勢，系統(tǒng)電壓;x X Xd Xs發(fā)電機同步電抗與系統(tǒng)及發(fā)電機之間聯(lián)系電抗之和;E&與Us之間的夾角，稱為功角；受端功率因數(shù)角UI圖7-5 題7-8發(fā)電機與無限大系統(tǒng)并列運行（a）等值電路；（b）相量圖在正常運行時，S <90o.在不考慮勵磁調節(jié)器作用時,S =90o,為穩(wěn)定運行的 極限角，S >90°,發(fā)電機失步.下面分三個階段分析發(fā)電機從失磁到穩(wěn)定異步運 行。1.失磁開始到失步前為等有功階段在這個階段中，Ed隨勵磁電流逐漸減小而下降，根據(jù)公式11-6

16、可知發(fā)電機送出功率P減小，但原動機輸入功率沒有減小，轉子出現(xiàn)剩余功率使轉子加速，S增大，sin S增大，由于Ed減小和sin增大相互補償，故P的平均值保持不變,這一過程稱為等有功過程。根據(jù)式（7-7）無功功率Q隨 增大而降低，而且從 正值變?yōu)樨撝?，即發(fā)電機變?yōu)閺南到y(tǒng)吸收感性無功功率。發(fā)電機從失磁到失步前，機端測量阻抗為:ZgUg &jXs u&gTjXs£ jXsP jQul2P Pus2PP jQP jQP jQjXsus2PP jQP jQjXsU|2PjXs蟲22P(11-9)P均為常數(shù),=arctan （Q/P）,隨Q變化而變化，式（11-9 ）表22o式中U

17、s, Xs和圖7-6題7-8等有功阻抗圓圖7-7題7-8等無功阻抗圓上述分析可知，失步前機端測量阻抗在阻抗復平面第一象限，失磁開始到失步前，隨著Q 減小，機端測量阻抗的端點沿著等有功圓向第IV象限移動。2.臨界失步點當S增加到90°，汽輪發(fā)電機處于靜態(tài)極限，此時失磁發(fā)電機送至系統(tǒng)無功功率,根據(jù)式（7-7）應為Q匹=常數(shù)X（7-10）式中Q為負值，表明發(fā)電機從系統(tǒng)吸收感性無功功率， 這種情況下，機端測量阻抗為z UG G &ufiXuS pJQP JQP JQJXSJ2QPJQJUS2QJXsju2Q將式（11 10）代入（1011）可得式1 1Zg j 2 Xs Xd j 2

18、 Xs Xd ej2jXs（7-11）（7-12）式中，僅為變量，所以式（7-12 ）也是一個圓方程，其圓心坐標為（0,j X XXX-S-）,半徑為 一S-，如圖7-7所示。該圖稱臨界失步阻抗圓或稱2 2為等無功阻抗圓。3 失步后的異步運行狀態(tài)發(fā)電機失步穩(wěn)定運行在第IV象限，其等值電路如圖7-8所示。按圖中規(guī)定電流正方向，機端測量阻為:jX ad 2 jX2s氏 jXad JX2 s（7-13）當發(fā)電機在空載下失磁，轉差率S=0, R2 qx，此時機端測量阻抗最大，即sZg JX1 JXad JXd（7-14）當發(fā)電機失磁前帶有很大的有功功率，失磁后進入穩(wěn)態(tài)異步時轉差率很咼,I極限情況是S

19、X，氏 0,此時Zg有最小值，即Zgj Xi X% jXd（7-15）X2 Xad由上述分析可見，如圖7-9所示，發(fā)電機在正常運行時，其機端測量阻抗按 所帶有功負荷不同（P1或P2）,位于阻抗復平面第一象限（a和a點）。失磁后， 機端測量阻抗沿等有功圓向第IV象限變化，當它與臨界失步阻抗圓相交時（b 或b點），表明機組處于靜態(tài)穩(wěn)定的極限。 越過靜態(tài)邊界后，機組轉入異步運行， 最后穩(wěn)定運行在第IV象限jXd與jXa之間的范圍（c或c點附近）。定、轉子繞組間互感抗；s 轉差率;圖7-8發(fā)電機異步運行時的等值電路X1 定子繞組漏電抗；&, X2 歸算至定子側轉子回路電阻及漏電抗;Xad圖7-

20、9發(fā)電機失磁后機端測量阻抗的變化7-9 為什么大容量發(fā)電機采用負序電流保護，其動作值是按什么條件選擇的答：由于大容量發(fā)電機組的額定電流很大， 在相鄰元件末端發(fā)生兩相短路時，短 路電流可能很小，采用復合電壓啟動過流保護或負序電壓啟動過流保護， 往往不 能滿足相鄰元件對靈敏系數(shù)的要求，在此情況下采用負序電流保護作為后備保 護，可以提高不對稱短路時的靈敏性。負序電流及單相低電壓啟動的過電流保護，其動作電流按下述三個條件整疋：(1) 靈敏元件2KA的整定。負序過負荷部分的動作電流按躲開發(fā)電機最大負荷時負序電流濾過器的不平衡電流和小于發(fā)電機長期允許的負序電流值，一般取Iop2 O.Ung( 7-16)保

21、護動作時限比發(fā)電機后備保護動作時間大一級。(2) 不靈敏元件3KA的整定。負序過流部分，按照發(fā)電機短時間允許的負序電流來確定。在選擇動作電流時，應先給一個計算時間tc，在此時間內運行人員有可能采取措施消除產(chǎn)生負序電流的運行方式，一般取tc 120s，若流過發(fā)電機的負序電流bp ,A1；，允許通過負序電流的時間tptc，運行人員來不及消除產(chǎn) 生負序電流的運行方式，這種情況下保護裝置應動作于跳閘。因此，負序電流保護的動作電流(標幺值)為也鳥0(7-17)對于表面冷卻的發(fā)電機，取 A=30-40代入上式可得Iop2 0.5： 0.6 In.g(7-18)(3) 不靈敏元件負序電流動作值除按轉子發(fā)熱條

22、件整定外，保護裝置的啟動電 流還應與相鄰元件的后備保護在靈敏系數(shù)上相配合。若發(fā)電機和變壓器都沒有獨 立的負序電流保護，則發(fā)電機的負序電流保護可只與升壓變壓器的負序電流相配 合，即卩l(xiāng)op 2K2.c(7-19)式中Keo 配合系數(shù)，取；I2.c 在主要運行方式下，發(fā)生外部不對稱短路，流過變壓器的負序電流正好等于變壓器負序電流保護動作電流，流過發(fā)電機的負序電流。7-10 為什么要安裝發(fā)電機勵磁回路接地保護一般有哪幾種保護答：發(fā)電機正常運行時，轉子轉速很高，離心力較大，承受的電負荷又重，一次 勵磁繞組絕緣容易破壞。繞組導線碰接鐵芯，會造成轉子一點接地故障。發(fā)電機 勵磁回路的一點接地是比較常見的故障

23、不會形成電流通路，所以對發(fā)電機無直接 危害，但發(fā)生一點接地后，勵磁回路對地電壓升高，可能導致第二點接地。勵磁 回路兩點接地后構成短路電流通路， 可能燒壞轉子繞組和鐵芯。由于部分勵磁繞 組被短接，破壞了氣隙磁場的對稱性，引起機組振動，特別是多極機振動更嚴重。 此外，轉子兩點接地還可能使汽輪發(fā)電機組的軸系統(tǒng)和汽缸磁化。因此要安裝發(fā)電機勵磁回路保護。通常1MW以上的水輪發(fā)電機只裝設勵磁回 路一點接地保護，并動作于信號，以便安排停機。1MV以下的水輪發(fā)電機宜裝設 定期檢測裝置。對于100MV以下的汽輪發(fā)電機，一點接地故障采用定期檢測裝置， 發(fā)生一點接地后，再投入兩點接地保護裝置，帶時限動作于停機。轉子

24、水內冷或 100MW及以上的汽輪發(fā)電機應裝勵磁回路一點接地保護裝置（帶時限動作于信 號）和兩點接地保護裝置（帶時限動作于停機）。711發(fā)電機的過負荷保護分為哪幾種答：發(fā)電機過負荷保護有：（1）定子過負荷保護；（2）勵磁繞組過負荷保護（3） 轉子表面負序過負荷保護（負序電流保護）。1 定子過負荷保護發(fā)電機定子繞組通過的電流和允許電流的持續(xù)時間成為反時限的關系。如圖710所示，即電流I越大，允許時間T越短。i： -'A i圖7 10題711發(fā)電機定子繞組通過負荷電流和允許持續(xù)時間的關系曲線因此大型發(fā)電機的過負荷保護應采用具有反時限特性的繼電器。保護裝置采用三相式接線，動作時作用于跳閘對于定

25、子繞組非直接冷卻的中小容量的發(fā)電機， 由于模擬定子發(fā)熱特性的反 時限繼電器太復雜，通常采用接于一相電流的過負荷保護。 如圖711所示。過 負荷保護由一個電流繼電器 KA和一個時間繼電器KT組成，動作于發(fā)信號。 發(fā)電機定時限過負荷保護的整定值按發(fā)電機額定電流倍整定，即lop 1.24In.g (7 20)圖711題711發(fā)電機定時限過負荷保護原理接線圖保護動作時限比發(fā)電機過電流保護的動作時限大一時限級差，一般整定10s左右，以防止發(fā)電機外部短路的過負荷保護誤動作。對于定子繞組為直接冷卻且過負荷能力較低（例如過負荷能力低于倍I ng，過負荷時間不超過60S）的發(fā)電機過負荷保護可采用定時限和反時限兩

26、部分構 成。定時限部分作用于信號，有條件時也可以作用于減負荷。 反時限部分作用于 解列或程序跳閘。2、勵磁繞組過負荷保護當發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障或強勵磁時間過長時，轉子的勵磁回路都有可能過負荷。采用半導體勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機由于半導體元件易出現(xiàn)故障，轉子過負荷的機會比直流勵磁機多。大容量發(fā)電機的轉子繞組一般采用氫或水直接內冷，繞組導線所取電流密度較高，線徑相對較小，因而允許過負荷時間很短。如國內生產(chǎn)的 一些機組在二倍額定勵磁電流時僅允許運行 20S,值班人員在這樣短時間內處理 好勵磁繞組過負荷問題是困難的。 因此，行業(yè)標準規(guī)定：容量100MW及以上采用 半導體勵磁的發(fā)電機，應裝設勵磁繞組過負荷保護。勵

27、磁繞組過負荷保護宜采用反時限特性， 通常利用直流互感器 （其工作原理 同磁放大器相似） 作為轉子勵磁繞組電流的檢測元件， 利用半導體電路或微機軟 件形成所需要的反時限特性。行業(yè)標準規(guī)定：對于300MW以下，采用半導體勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機， 可裝設定 時限的勵磁繞組過負荷保護，保護裝置帶時限動作于信號和降低勵磁電流，對 300MW及以上發(fā)電機，勵磁繞組過負荷保護可由定時限和反時限兩部分組成。定 時限部分動作電流按正常運行最大勵磁電流下能可靠返回條件整定， 帶時限動作 于信號，并動作于降低勵磁電流。反時限部分作用于解列滅磁。3、轉子表層負序過負荷保護當電力系統(tǒng)三相負荷不對稱（如由電氣機車、電弧爐等單相

28、設備造成）或非 全相運行， 或發(fā)生外部不對稱短路時， 發(fā)電機定子繞組將流過負序電流。 負序電 流產(chǎn)生負序旋轉磁場， 由于該磁場旋轉方向和轉子轉動方向相反， 它相對于轉子 的速度為兩倍同步轉速，因而在轉子中感應出兩倍工頻（100Hz）的電流。由于轉子深部感抗大， 此電流只能在轉子表面流通， 將使轉子損耗增大， 引起轉子過 熱。因此電流流過槽楔與大小齒間的接觸表面， 轉子本體和套箍間的接觸表面時， 將會引起局部高溫，甚至可能使轉子護環(huán)松脫，造成發(fā)電機的重大故障，因此， 為防止發(fā)電機轉子遭受負序電流的損壞，需要裝設轉子表層負序過負荷保護。發(fā)電機轉子發(fā)熱量的大小與流經(jīng)發(fā)電機的負序電流的平方及其持續(xù)時間

29、成 正比。假設發(fā)電機轉子不向周圍散熱， 則在這個最嚴重條件下， 發(fā)電機可以承受 的負序電流平方和電流持續(xù)時間乘積對不同型式和不同冷卻方式的發(fā)電機來說 是一個常數(shù)，即I 22 t A （7-21）式中 I 2 負序電流和發(fā)電機額定電流的比值；t 負序電流持續(xù)時間；A 耐熱常數(shù)， 由廠家提供， 其數(shù)值和發(fā)電機的型式及冷卻方式有關對于發(fā)電機轉子表層的負荷保護， 行業(yè)標準規(guī)定，50MW以上，A 10的發(fā) 電機，應裝設定時限負序過負荷保護， 保護裝置的動作電流按躲過發(fā)電機長期允 許的負序過電流值和躲過最大負荷下負序電流濾過器的不平衡電流整定， 保護帶 時限動作于信號。 定時限過負荷保護和負序過電流保護組

30、合在一起。 行業(yè)標準還 規(guī)定100MW及以上，A<10的發(fā)電機，應裝設定時限和反時限兩部分組成的轉子 表層負序過負荷保護。 定時限部分動作電流整定原則同上述相同， 保護帶時限動 作于信號；反時限部分的動作特性按發(fā)電機承受負序電流的能力確定， 保護應能 反應電流變化時發(fā)電機轉子的熱積累過程。 不考慮在靈敏系數(shù)和時限方面與其他 相間短路保護相配合，反時限部分動作于解列或程序跳閘。712為什么要安裝發(fā)電機逆功率保護，過電壓保護，過勵磁保護 答：當氣輪機運行中由于各種原因關閉主汽門后， 發(fā)電機將從電力系統(tǒng)中吸 收能量變?yōu)殡妱訖C運行。氣輪機關閉主氣門后，轉子和葉片的旋轉會引起風損。 風損和轉子葉輪

31、直徑及葉片長度有關， 因而在氣輪機的排氣端風損很大， 風損與 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， 風損將急劇 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氣輪機， 由風損造成的熱量不能被帶走， 氣輪機葉片將過熱 以至損壞。 發(fā)電機變?yōu)殡妱訖C運行時， 燃氣輪機可能出現(xiàn)齒輪損壞問題， 為及時 發(fā)現(xiàn)電動機逆功率運行的異常情況， 不論大中型機組， 一般都應裝設逆功率保護。水輪發(fā)電機在突然甩負荷時，由于調速器不靈敏，轉子的慣性大，原動機供 給發(fā)電機的功率將大于發(fā)電機的輸出功

32、率而使發(fā)電機加速。 加上定子繞組去磁電 樞反應的消失，使發(fā)電機的端電壓升高，若水輪發(fā)電機經(jīng)長距離的輸電線供電， 輸電線的電容電流還會產(chǎn)生助磁電樞反映， 使發(fā)電機端電壓升高更多， 水輪發(fā)電 機過電壓數(shù)值可達 2 倍發(fā)電機額定電壓， 這樣高電壓對定子繞組的絕緣是有害 的。為防止發(fā)電機定子繞組絕緣遭受損壞， 在水輪發(fā)電機上需要裝設過電壓保護。當發(fā)電機電壓升高或頻率降低，使電壓標幺值 U 和頻率標幺值 f 之比，即過勵磁倍數(shù)n>1,發(fā)電機就可能遭受過勵磁的危害發(fā)電機過勵磁時，鐵芯磁密過分增大，使鐵芯飽和，鐵 芯飽和后，鐵損增加， 使鐵芯溫度上升。鐵芯飽和后還會使磁場擴散到周圍空間， 使漏磁場增強

33、?？拷?鐵芯的繞組導線和其他金屬構件，由于漏磁場產(chǎn)生渦流損耗。鐵芯飽和后諧波磁 密度增強，而渦流損耗與諧波磁密的頻率的平方成正比，因此附加損耗增大，并使這些部位發(fā)熱，引起高溫，嚴重時會造成局部變形和損傷周圍的絕緣介質。 過 勵磁還會使鐵芯背部漏磁場增強。 背部漏磁場也是一個交變磁場。處于這一交變 漏磁場中的定位筋，和定子繞組的線棒類似，將感應出電勢。相鄰定位筋中的感 應電勢存在相角差，通過定子鐵芯構成閉合回路，流通電流。正常情況下。定子 鐵芯背部漏磁小，定位筋中感應電勢也小，故通過定位筋和鐵芯的電流也比較小。 過電壓時，定子背部漏磁通急劇增大，從而使定位筋和鐵芯中電流急劇增加， 在 定位筋附近

34、的部位，電流密度很大，將引起局部過熱，電壓越高，時間越長，局 部過熱越嚴重，甚至造成局部燒傷。如果定位筋和定子鐵芯接觸不良，在接觸面 上還可能出現(xiàn)火花放電。這對于氫冷發(fā)電機，后果可能嚴重。大型發(fā)電機由于縱軸電抗 Xd較大，即單位面積的磁通較大，故過勵磁現(xiàn)象 比中小型發(fā)電機要嚴重。我國行業(yè)標準規(guī)定，300MW及以上的發(fā)電機，應裝設過勵磁保護。發(fā)電機具有一定的耐受過勵磁的能力，其允許過勵磁時間隨過勵磁倍數(shù)n升高而下降，兩者不成線性關系，在同一過勵磁倍數(shù)下，允許發(fā)電機持續(xù)運行時 間t和額定磁密Bn ,飽和磁密Bsat的大小及磁化曲線的形狀有密切關系，Bn越接 近Bsat，磁化曲線飽和段的斜率越小，則

35、在同一個過勵磁倍數(shù)n下，允許發(fā)電機持續(xù)運行時間越短。為使過勵磁保護能有效地在發(fā)電機過勵磁運行時保護發(fā)電機， 保護應具有反 時限特性，且保護特性要和發(fā)電機的過勵磁倍數(shù)曲線相配合， 即繼電器特性曲線 緊隨過勵磁倍數(shù)曲線下降。這樣當發(fā)電機過勵磁運行時，保護會以稍小于允許發(fā)電機過勵磁運行時間斷開發(fā)電機， 即保證發(fā)電機安全， 又不會在發(fā)電機過勵磁運 行尚未危及發(fā)電機安全時，過早地切除發(fā)電機。由于鐵芯飽和非線性和鐵芯材料及工藝上的差別，使發(fā)電機過勵磁特性各 異，給過勵磁保護增添了困難。 因此， 發(fā)電機過勵磁保護采用兩段定時限過勵磁 保護。保護裝置由低定值和高定值兩部分組成。 低定值部分帶時限動作于信號和

36、降低勵磁電流。高定值部分動作于解列、滅磁或程序跳閘。汽輪發(fā)電機裝設了過勵磁保護，可不再裝設過電壓保護。7-13已知發(fā)電機型號為QFSN-300-2,額定容量Pn 300MW ,額定電壓Un 18kV，額定電流11320A,功率因數(shù)cos 0.85，效率 98.645，發(fā)電機暫態(tài)電抗 Xd(%) 31.93，次暫態(tài)電抗 Xd(%) 19.15，同步電抗 Xd(%) 236.35。 已知 KTA 2400， KTV 200 。要求； 1 、試用用下拋園特性元件構成失磁保護的 整定計算，并繪出失磁保護動作特性。2、發(fā)電機采用BCD-25型差動繼電器構成比率制動的縱聯(lián)差動保護，試進行整定計算，并繪出縱

37、差保護比率制動特性曲線 (提示制動系數(shù)整定的范圍有、 、) 解：略7-14 已知發(fā)電機型號為 QFSN-600-2， 額定容量 PN 600MW ， 額定電壓Un 20kV，額定電流19245A 功率因數(shù)cos 0.9，效率 98.77，發(fā)電機瞬變電抗 Xd(%) 25.88 ，次暫態(tài)電抗 Xd(%) 21.779，同步電抗 Xd(%) 208.58。已知 KTA 4000， KTV 200。要求；1、試用用下拋園特性元件構成失磁保護的 整定計算，并繪出失磁保護動作特性。2、發(fā)電機采用BCD-25型差動繼電器構成比率制動的縱聯(lián)差動保護，試進行整定計算，并繪出縱差保護比率制動特性曲線 (提示制動

38、系數(shù)整定的范圍有、 、) 解：略7-15已知發(fā)電機容量為 25MW,cos =,額定電壓為, X d'' =, X 2 =,假定發(fā)電機未與系 統(tǒng)并聯(lián)運行，試對發(fā)電機的 BCH-2型差動保護整定計算(即求Iop.r、Wd、Wb、KS.min)SdSngI d I NGSd31.25一 3U NG3 6.32864A解：1求發(fā)電機額定電流及出口最大三相短路電流，取基準容量和基準電流為2531.25MVA0.8發(fā)電機次暫態(tài)電勢Ed為EdU e IdXdsin11 0.122 0.61.0732于是，發(fā)電機出口短路時次暫態(tài)短路電流的周期分量為d.max1.07320.122286425

39、.19 KA此處算出的I K3max比取Ed =1時略大2求動作電流值（1）按躲過最大不平衡電流條件Ik Ioprel 1 un b.maxKrelKstKnpKerrIK3max 1.3 0.5 1 0.1 25.19 1.637KA 1673A式中 Krel 可靠系數(shù)，取;Knp 非周期分量系數(shù)，取1；Kst TA的同型系數(shù)，取；Kerr TA的誤差，?。?）按躲過電流互感器二次回路斷線時誤動作條件取最大負荷電流為發(fā)電機 額定電流。I opK rel I L.max Krel I NG 1.3 2864 3723 A取上述二條件中最大值者，即 3723 A，流入差動繼電器的動作電流為I o

40、p.rKcon I op1 37233000 56.2A3確定BCH 2型繼電器各繞組匝數(shù)差動繞組的匝數(shù)為WopANZop.r60 46.29.68 匝取 Wd.set8 匝，Wb1 匝，Wop.set819 匝 動作電流整定值為：I opr set 6.67A94靈敏系數(shù)校驗因只考慮單機運行(題設條件)故最小短路電流為I K .minIk2-3 ”EdIdX2一 3 1.073220.1492864.3 1.073220.14928647.2 286417858AI K min1785817858、卄 亠Ks.min a4.46 f 2 滿足要求KTAI opr.set 6006.67400

41、27-16發(fā)電機額定參數(shù)及其差動保護用電流互感器變比等已知數(shù)同 11 13題，發(fā) 電機采用圖712所示高靈敏接線的BCH-2(DC2)型縱差動保護，試對該保護 進行整定計算。假設系統(tǒng)最小運行方式下發(fā)電機的等值阻抗大于發(fā)電機的正序阻=n 口料“叭樸*ki廠圖7-12高靈敏接線的發(fā)電機縱差保護原理接線圖Wd.a、Wd,、Wd.c Wb.a、Wb.b Wb. c分別為每相BCH-2型差動繼電器的差動繞 組和平衡繞組；KI 斷線監(jiān)視繼電器解：已知發(fā)電機額定容量為25MV，cos 0.8,Ung 6.3KV,Xd' 0.122, X2 0.149, ©a 3°°&#

42、176;5，求高靈敏接線的BCH 2型縱差動保護整定1 求發(fā)電機額定電流及出口最大三相短路電流。計算結果同題7-12 (略)2 求差動繼電器動作電流，確定各繞組匝數(shù)(1) 按TA二次回路斷線時未斷線相保護不誤動作條件確定平衡繞組匝數(shù)Wb總1.1必仏11.4匝取整定匝數(shù)，Wb® 11匝(2) 求差動繞組匝數(shù)及其動作電流AN-Wb.set2Wb.set2 1122 匝Krel 1 NG按實有抽頭，取差動繞組整定匝數(shù)Wd.set20匝差動繞組動作電流lopAN 60 3A20(3) 按TA二次回路斷線時斷線相保護不誤動條件校驗:在負荷電流作用下，斷線相差動繼電器中磁勢為286420 114

43、2.96 p 60600(4) 按躲開外部短路不平衡電流條件校驗動作電流F 1 ng Wd .setWb.set滿足要求1 op.r Krel KstKnpK1.3 0.5 1TA0.1 25.19 I%。2.73p 3A滿足要求3.靈敏系數(shù)校驗按系統(tǒng)最小運行方式機端兩相短路電流進行校驗 折算到二次側繼電器電流ir2 iKmn I6646 27.74A0.866 1.0730.149286419.640AKta600靈敏系數(shù) KsL 227374 9.25可見，靈敏性比題11-13結果提高一倍多。7-17在額定電壓的發(fā)電機上裝設負序電流保護，并附有單相式低電壓過電流保 護其接線圖如11 13所

44、示。發(fā)電機允許長期流過負序電流一般為發(fā)電機額定電 流10%當負序電流等于發(fā)電機額定電流 50%寸，保護應動作于跳閘。發(fā)電機電 壓母線上接有兩臺變壓器，其后備保護（電流保護）的時間分別為t1,t2,正常時可能長期出現(xiàn)的負序電流I=40A，負序電流濾過器的不平衡電流折算到一次側 為發(fā)電機額定電流的5%發(fā)電機由構造形式和材料決定的耐熱系數(shù)A=30,可靠系數(shù)Krel1.2，返回系數(shù)Kre=,時限階段厶t=，發(fā)電機額定容量20MVA電流互感器變比1500/5，變壓器后備保護的動作時間t1 =, t2 =.圖713題7-17單相式低電壓啟動過電流保護原理接線解：發(fā)電機額定電流為ISNGI NG孑 注110

45、0A3UNg 3 10.5負序電流濾過器一次不平衡電流為I unb 0.051 NG0.05110055A在最不利的情況下,&Unb和&2 （長期出現(xiàn)的負序電流）為同相，保護在兩者之和的作用下應該不動作,故動作于信號的負序過電流保護的啟動電流應為Iop1 b Iunb I2Kre丄2 55 40134A0.85t2 t3 t 1.9 0.52.4s由題設條件可知，啟動電流應大于發(fā)電機長期允許負序電流即Iop1 0.1Ing 0.1 1100 110A取二者中大值者作為保護動作電流，故較靈敏繼電器1KA的動作值為. op 2即I NG 0.5即 I op 2 rIop 2p pK

46、TA300作用于跳閘的時間繼電器 3KT整定與變壓器后備保護動作時間中最長者tn .maxt2 1.4s相配合，故 t3tn .maxt 1.4 0.5 1.9s作用于信號的時間繼電器2KT，在外部短路時不動作，因此它的整定值在原則上應該比上述動作于跳閘的時間t3再大1: 2 t，在此取一個t，故 op 1134心 300I op 1 r0.447A根據(jù)題設條件，動作于跳閘的不靈敏的繼電器2KA動作電流應為1.83AI 0.5Ing 0.5 1100op 2 rp Kta 300或按轉子允許發(fā)熱條件,I2動作電流標幺值應為0.5A11001.83 A,與題設條件結果相同實際上動作于信號的時間一

47、般整定都較長，可取10s718為保證發(fā)電機負序電流保護在對稱故障時動作，在該保護中設置單相式低電壓啟動過電流保護（圖713中1KA,1KV,1KT,1KM已知電壓繼電器1KV的返 回系數(shù)Kre=,電流繼電器1KA的返回系數(shù)Kre=，可靠系數(shù)Krel =,另外假定外部故 障切除后，負荷電動機自啟動過程中發(fā)電機的線電壓殘余值Urem 7.5KV，其他計算所需數(shù)據(jù)同717題計算結果。求該低壓啟動過電流保護的動作電流l°p，動作電壓Uop，動作時間t.解：由上題求解結果（略），發(fā)電機額定電流Ing 1100A，故電流元件動作電流為 lop 仏 Ing 厘 11001550AP Kre 0.8

48、5電壓元件整定應保證在故障切除后，殘余電壓作用下，繼電器1KV能可靠返回，即UopUmK re K 冋7.51.2 1.25.2 KV時間繼電器1KT的整定同2KT（參見習題7-17）第8母線保護思考題及習題解答8-1簡述判別母線故障的基本方法。答： 判別母線故障有三個原則。1、在母線上發(fā)生故障時， 所有與母線連接的元件都向故障點提供短路電流。2、在正常運行時以及母線以外故障，母線上所有連接元件中和，流入的電 流和流出的電流相等。3、從每個連接元件中電流相位來看，在正常運行和母線外部故障時，至少 有一個元件的電流相位和其余元件電流相位相反。 而當母線故障時， 除電流等于 零的元件，其他元件中的

49、電流相位都相同。8-2 什么是母線完全電流差動保護 答：母線完全電流差動保護屬于低阻抗型差動保護， 差動回路電流繼電器阻抗很 小，在母線內部故障時，電流互感器負荷小，二次電壓低，因而飽和度低，誤差 小。無論單母線母線完全電流差動保護或雙母線完全電流差動保護， 都可以用判 別母線故障的三個原則判別故障。8-3 簡述母線保護的裝設原則。答：母線保護方式有兩種， 一種是利用供電元件的保護切除母線故障， 另一種是 采用專用母線保護。繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程規(guī)定，下列情況應裝設專用的母線保護(1) 對110KV及以上的雙母線和分段單母線，為了保證有選擇性地切除任一 故障。(2) 110KV及以上單

50、母線，重要發(fā)電廠或 110KV以上重要變電所的3566KV 母線，按電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求和保證母線電壓要求， 需要快速切除母線上的故障。(3) 3566KV電力網(wǎng)中主要變電所的 3566KV雙母線或分段單母線，當在 母線或分段斷路器上裝設解列裝置和其它自動裝置后， 仍不滿足電力系統(tǒng)安全運 行的要求時。(4) 對于發(fā)電廠和變電所的110KV分段母線或并列運行的雙母線，必須快 速而有選擇地切除一段或一組母線上的故障或線路斷路器不允許切除線路電抗 器前的短路時。母線專用保護應該具有足夠的靈敏性和可靠性。 對中性點直接接地電網(wǎng)， 母 線保護采用三相式接線， 以反映相間和單相接地短路； 對中性點非直接接地

51、電網(wǎng)， 母線保護采用兩相式接線，只需反映相間短路。8-4 分布簡述高阻抗、中阻抗、低阻抗母線差動保護的工作原理。 答：母線的電流差動保護接于差動回路的電流繼電器阻抗很小，在內部故障時， 電流互感器的負荷小、二次電壓低，因而飽和度低，誤差小。這種母線差動保護 都是低阻抗型， 所以也稱為低阻抗型母線差動保護。 在各元件電流互感器電流比 相等的差動保護回路中，用高阻抗（Q）電壓繼電器作為執(zhí)行元件，構成母線 的電壓差動保護。 也稱為高阻抗母線電壓保護。 同理，差動回路用阻抗大于低阻 抗而小于高阻抗的繼電器構成的差動保護便稱為中阻抗母線差動保護。85 雙母線同時運行時，母線保護可以依據(jù)那些原理來判斷故障

52、母線 答：雙母線同時運行時， 母線保護可以依據(jù)元件固定連接的雙母線安全電流差動 保護原理和母線電流相位比較式母線差動保護原理來判斷故障母線。86 試述母線不完全差動保護的工作原理答：不完全差動電流保護通常用做發(fā)電廠或大容量變電站 610KV母線保護。通 常采用兩相式接線， 兩段電流保護構成。 保護原理接線圖如圖 121 所示。圖中 僅對端有電源的連接元件上裝設電流互感器， 即發(fā)電機、 變壓器、分段斷路器及 母聯(lián)斷路器上裝設。 有時也裝設在廠用變壓器上。 這些電流互感器型號與變比均 相同。二次繞組按照環(huán)流法原理連接，電流繼電器1KA,2KA和電流互感器二次繞 組并聯(lián)。由于這種保護的電流互感器不是

53、在與所有母線連接的原件上裝設。 因此 稱為不完全差動電流保護。LTD5HF19rQn上右磅*3 KM 1廿母托Q-2QF 跳心1 十璉哪XF112 o'KM圖8-1母線不完全差動保護的工作原理接線圖1KA為電流速斷保護。其動作電流按躲過線路電抗器后短路選擇且出線具有 延時過流保護時，電流速斷作成不帶時限的。如圖12 1所示，如果出線斷路器 容量按線路電抗器前短路選擇，且線路上除裝設延時過流保護外，還裝設了快速 動作的保護裝置，則電流速斷保護作成帶時限的，其時限比線路快速動作的保護 裝置大一個時限及差 t，以防止線路電抗器后發(fā)生短路時誤動作。圖中2KA為過電流保護。由于正常運行時流過差動

54、回路的電流等于未接入差 動保護的所有連接元件的負荷電流之和， 故過電流保護動作電流需躲過上述可能 最大的負荷電流之和來整定。過流保護的動作時限比出線保護裝置的最大動作時 限大一個時限極差 t。過電流保護用做母線的后備保護以及引出線路的后備保 護。不完全差動電流保護工作原理如下：當母線或線路電抗器前發(fā)生短路時，電流速斷保護動作。即電流繼電器1KA動作，經(jīng)信號繼電器1KS啟動跳閘繼電器1KM,2KM從而跳開除發(fā)電機外的所有 供電元件的斷路器。速斷保護不斷開發(fā)電機且考慮故障發(fā)生在出線的斷路器和電 抗器之間時，斷開除發(fā)電機外的所有供電元件后將使故障電流大為減少，從而可以使斷路器按電抗器后短路選擇的線路

55、過流保護動作切除故障，而發(fā)電機仍可帶著母線上的其他負荷繼續(xù)運行，這樣可以提高供電的可靠性。接線圖也考慮到運 行的靈活性，當需要發(fā)電機斷路器由速斷保護切除時，只要合上連接片XB12并斷開XB11即可。圖12 1中1SM 2SM為測試轉換開關。當供電元件（發(fā)電機變壓器）內部短路或變壓器高壓側電網(wǎng)短路時，由于差動回路僅流過不平衡電流，所以速斷和過電流保護不會動作。當在出線電抗器后線路上發(fā)生短路時，電流速斷保護不會動作，而過電流保護可以動作。如果出線保護或斷路器拒動，電流繼電器2KA啟動后，將啟動1KT,2KT,經(jīng)預定時限后，1KT觸點閉合，經(jīng)信號繼電器 2KS啟動跳閘繼電器 1KM,2K M跳開除發(fā)

56、電機斷路器外的所有供電元件的斷路器。如此時故障仍未切 除，則待時間繼電器 2KT觸點閉合后，將發(fā)電機斷路器斷開。時間繼電器2KT較時間繼電器1KT的動作時限大一時限極差 t，這樣整定是考慮盡量不切除發(fā) 電機，讓發(fā)電機帶著母線上的其它負荷繼續(xù)運行。87元件固定連接的雙母線電流差動保護，當元件固定連接破壞后，母線保護 如何動作 答：固定連接方式破壞時由于差動保護的二次回路不能隨著一次元件進行切換, 所以流過差動繼電器1KD,2KD,3KD的電流將隨著變化。如圖12 2所示，線路2自母線I經(jīng)倒閘操作切換到母線II后發(fā)生外部故障時電流分布。III圖82題8-7固定連接破壞后外部故障時電流分布圖由圖可知，此時選擇元件1KD,2KD中都有電流流過，因此1KD,2KD都可能動作, 但啟動元件3KD中沒有故障電流流過，不動作，所以可以防止外部故障時保護誤 動作。固定連接破壞后內部故障時電流分