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1、大唐国际保护培训,1.1同步发电机基本工作原理,1.1同步电机基本工作原理,主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立起转子主磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 感应电势有效值：每相感应电势的有效值为 感应电势频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p
2、，即 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。,汽轮发电机定子绕组,1.1同步电机基本工作原理,隐极机,1.1同步电机基本工作原理,负载后磁势分析 空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势 ，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势。 当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流 ，我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。 由此可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势 -电枢旋转磁势。因此，同步发电机接上
3、三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势 (称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势(称为电气旋转磁势) 。 参看异步电机篇的介绍，不难证明这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势 。 气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。 也是以同步转速旋转的旋转磁场。 可见同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势的出现所致。,1.2负载运行分析,1.2负载运行分析,1.3同步发电机的电枢反应,在稳定运行时，定子与转子两种旋转磁场对转子绕组没有相对运动，因而不会在转子上产
4、生感应电势。 这两个磁场只在定子绕组产生感应电势，在不考虑磁路饱和的情况下，转子磁场感应空载电势E0，电枢磁场感应的电势为电枢反应电势Ea,则有E0+Ea=Uf+I(ra+jx),电枢反应示意图,1.3同步发电机的电枢反应,电枢反应解释,有负载时，便产生电枢磁势，对空间磁场的影响称电枢反应。电枢磁势与转子磁势的相对位置取决于负载电流的性质如图所示，假定I、E0同相位，=0；假定E0越前I，0；假定E0滞后I，0；称Arg=为内功率因数角。 = 0,I、E0同相,cos=1,sin=0,不发出无功功率，只发有功功率 = 90, cos=0,sin=1,不发出有功功率，只发无功功率 = 180,I
5、、E0反相,cos=-1,sin=0,从电网吸收有功，电动机运行 =-90, cos=0,sin=-1,向电网送容性无功 由于角可以是任意角，可以把电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量分析。同步发电机最常见的运行工况为0 90 ，电枢反应磁场落后于转子磁场，即Ff超前Fa。图中可以将电流I分解为直轴分量Id和交轴分量Iq。,1.3同步发电机的电枢反应,1.4同步发电机的电抗,电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应电势Ea，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降这个电抗便是电枢仅应电抗Xa。即Ea=-jIXa，进一步再把Xa与漏磁Xa合并为一个电抗Xs=Xa+X,这个Xs就称为同步电抗。考虑
6、定子的铜耗，则可写出同步阻抗Zs=ra+jXs的表示式 隐极同步发电机的同步电抗标么值在0.93.5之间；凸极式同步电机的直轴同步电抗在0.61.6之间，交轴同步电抗在0.41.0之间。,1.4直轴瞬态电抗,在短路初瞬，由于磁链不变原则，短路电流所产生的电枢反应磁通不能通过转子铁芯去键链转子绕组，而是象图1-13（b）中所示的，被挤到转子绕组外侧的漏磁路中去了。定子短路电流所产生的磁通所经路线的磁阻变大，这就意味着，此时限制电枢电流的电抗变小，使突然短路初瞬有较大的短路电流。这个限制电枢电流的电抗称为直轴瞬态电抗或直轴暂态电抗,1.4直轴超瞬态电抗,当转子上装有阻尼绕组时，则因阻尼绕组也为闭合
7、回路，它的磁链也不能突然改变。同理，在短路初瞬，电枢磁通将被排挤在阻尼绕组以外。也就是说，电枢磁通将依次经过空气隙、阻尼绕组旁的漏磁路和激磁绕组旁的漏磁路，如图1-14中所示。这时磁路的磁阻更大了，与之相应的电抗将有更小的数值。称为直轴超瞬态电抗或直轴次暂态电抗。,1.5同步发电机的功率特性及静态稳定极限角,同步发电机的功率特性,汽轮机的功率特性,汽轮发电机输电系统的功角特性,水轮发电机输电系统的功角特性,发电机与电力系统的同步运行稳定性及振荡,（a）功率特性 （b）运行点a功角变化 （c）运行点b功角变化,暂态稳定,二发电机的失磁,2.1发电机失磁的原因,灭磁开关误跳闸而转子线圈经灭磁电阻短
8、接 转子线圈短路 转子线圈回路断线而开路 硅整流的故障 自动调节励磁装置的故障等,2.2发电机失磁描述,1、当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。 2、由于感应电势逐渐减小，导致电磁功率小于原动机的功率，转子加速，功角增大，有可能超过静稳极限而导致发电机和系统失步。 3、发电机失磁后将从并列运行的电力系统中吸取电感性无功功率供给转子励磁电流，在定子绕组中感应电势。 4、在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率 为 的电流，此电流产生异步制动转矩，当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。,2.3发电机失磁对系统影响,失磁发电机从系统吸收无功，导致系统电压下降，
9、若系统无功储备不足，则可能引起系统因电压崩溃而瓦解。 由于系统电压下降，系统中其他发电机在自动调节励磁装置作用下，将增加无功输出而导致过电流，若引起后备保护误动作，则使故障影响范围扩大。 失磁发电机有功功率摆动以及系统电压下降，可能导致相邻正常运行发电机与系统之间或系统各部分之间失步。,2.4发电机失磁对发电机本身影响,转子回路中出现的差频电流使转子附加发热，流过转子表层使转子局部过热甚至灼伤。 转子端部露磁增强使端部部件及边段铁芯过热。 发电机失磁后异步运行时，若失磁前有功越大，转差越大，吸收无功越多，定子因过电流导致过热。 因转子纵轴与横轴的不对称性，失磁后机组电磁转距与有功功率剧烈周期摆
10、动。这种剧烈摆动的电磁转距作用到转动轴系上，严重危险机组安全。,2.5发电机失磁后的机端测量阻抗,发电机从失磁开始到进入稳态异步运行，一般可分为三个阶段 1.失磁后到失步前 :sin的增大与Ed的减小相补偿，基本上保持了电磁功率P不变。 与此同时，无功功率Q将随着Ed的减小和的增大 迅速减小，Q值将由正变为负，即发电机变为吸收感性的无功功率。,机端测量阻抗变化轨迹说明,由于这个圆是在某一定有功功率P不变的条件下做出的，因此称为等有功阻抗圆。机端测量阻抗的轨迹与P有密切关系，对应不同的P值有不同的阻抗圆，且P越大时圆的直径越小。 发电机失磁以前，向系统送出无功功率，功率因数角为正，测量阻抗位于第
11、一象限。失磁以后，随着无功功率的变化，功率因数角由正值变为负值，因此测量阻抗也沿着圆周随之由第一象限过渡到第四象限。,2.临界失步点 对汽轮发电机组，当=90时，发电机处于失去静稳定的临界状态，故称为临界失步点。此时输送到受端的无功功 率 ,式中Q为负值，表明临界失步时，发电机自系统吸收无功功率，且为一常数，不论有功为多少，都与之无关故临界失步点也称为等无功点。,机端测量阻抗变化轨迹说明,发电机在输出不同的有功功率P而临界失步时，其无功功率Q恒为常数。因此，在上式中， 为变数，Zf也是一个圆的方程，这个圆称为临界失步阻抗圆，也称等无功阻抗圆。其圆周为发电机以不同的有功功率P临界失步时，机端测量
12、阻抗的轨迹，圆内为失步区。,3.失步后的异步运行阶段，可用异步发电机等效电路来表示，此时按图1-25所规定的电流正方向，机端测量阻抗应为,是定子漏抗 是转子漏抗 是转子电阻 为转差率 当发电机运行在失磁时 ， ， ，此时机端的测量阻抗为最大,当发电机在其他运行方式下失磁时， 将随着转差率的增大而减小，并位于第四像限内。极限情况是当 时， ， 趋近于零， 的数值为最小,考虑到转子面上装有阻尼条，或是隐极机本身的整块转子具有阻尼绕组作用，因此式中的 可用 代替。,综上所述，当一台发电机失磁前在过激状态下运行时，其机端测量阻抗位于复数平面的第一象限（如图1-28中的a或a点），失磁以后，测量阻抗沿等
13、有功阻抗圆向第四象限移动。当它与临界失步圆相交时（b或b点），表明机组运行处于静稳定的极限,失磁过程静稳极限功率随着转子电流减小而减小。越过（b或b）点以后，转入异步运行，最后稳定进行于（c或c）点，此时，平均异步功率与调节后的原动机输入功率相平衡。,对于任意的一个s值，则随 变化都有一个相应的圆，我们给定一组s值，则可得到一个圆族，s=0时圆最大，随 增大，圆逐渐变小，当 ，圆趋向于一个点。显然，这个圆族的外包线给出了发电机异步阻抗的边界，对于任意的s和 值，机端测量阻抗Z的端点，都应当落在这个边界之内。,t0: 正常运行 t1: 进入静稳圆 t2:进入异步圆,2.6 RCS985失磁保护的
14、功能特点,曲线1:区外振荡 曲线2:区内振荡,2.6 RCS985失磁保护的功能特点,开放式失磁保护方案 失磁判据 减出力有功判据 低电压判据 转子电压判据 定子阻抗判据 辅助判据,2.6 RCS985失磁保护的功能特点,减出力采用有功功率判据 P Pzd 失磁导致发电机失步后，发电机输出功率在一定范围内波动，P取一个振荡周期内的平均值。,2.6 RCS985失磁保护的功能特点,高压侧母线低电压判据 Upp Ulezd 高压侧PT断线时闭锁此判据 TV断线时闭锁本判据，并发出TV断线信号。,2.6 RCS985失磁保护的功能特点,转子电压判据 转子低电压判据： Ur Ur1zd 变励磁电压判据： Ur Kr*Xdz* ( P Pt ) * Uf0 发变组并网后延时投入 失磁后异步运行时经定子判据闭锁自保持,2.6 RCS985失磁保护的功能特点,定子判据 异步阻抗圆、静稳边界圆可选 正序电压、正序电流计算阻抗 可选择无功反向元件闭锁 无功反向值可整定,2.6 RCS985失磁保护的功能特点,辅助判据 TV断线切换：正常时用TV1正序电压计算，如TV1断线，自动切换至TV2 负序电压闭锁：不对称故障时可闭锁失磁保护 电流范围,2.6 RCS985失磁保护的功能特点,一次典型的失磁过程阻抗轨迹,2.7失磁保护段逻辑框图,2.7失磁保护段逻辑框图,2.7失磁保护段逻辑框图,