發電機誤上電保護配置分析

賈龍飛

摘 ?要：近些年來，在發電機停機或啟機過程中，在未滿足同期條件時發電機的出口斷路器誤合閘，從而造成發電機的損傷，為了避免類似的問題，會在發電機組配備相應的上電保護措施，基于此，本文著重對發電機誤上電保護配置進行分析，分析誤上電事故以及保護邏輯，對發電機誤上電保護邏輯提出改進策略，以及發電機誤上電保護改進措施，進一步減少因誤上電而引發的事故，提高誤上電保護配置的運用。

關鍵詞：發電機;誤上電;保護配置

當發電機在運行過程中處于盤車狀態時，假設發電機的出口斷路器誤合，那么系統的三相工頻電壓就會突然在機端增加。轉子與定子繞組之間的滑差會增大，從而轉子本體中會產生一定的差頻電流致使轉子被燒傷，為規避類似的危險，通常會在大型發電機組中設置專門的誤上電保護措施。某電廠的1號2號發電機組通常由發電機出口斷路器實現并網，在發電機啟動并網之前，會利用500KV聯合開關站給主變和高壓廠變倒送點。倘若發電機出口斷路器沒有進行隔離刀閘設置，那么會在主變倒送電、發電機未并網的很長一段時間內，只能有一個斷口，從而存在發生誤合閘的可能。因此，必須要加強對發電機組進行改進，從而確保發電機誤上電保護邏輯的有效性和可靠性。

1.誤上電事故分析及保護邏輯

1.1誤上電保護對應的事故原因

誤上電指的是當發電機在不滿足并網條件時，將機組單相、兩相或是三相并入到系統中。其中包含以下幾種情況：①當機組沒有加勵磁時發生誤合閘。比如發電機處于靜止狀態，盤車、或是在轉子沖轉加速過程中，在發電機并網前或剛從系統斷開后，高壓斷路器或機端出口斷路器產生單相或兩相閃絡的情況。②發電機并不是同期合閘，它包括當頻率沒有達到允許值時，合閘角并網的斷路器誤合和頻率已經接近較大額定值。因此導致誤上電事故產生的主要因素是由于誤操作或是絕緣不良及控制設備產生的誤動作。

1.2誤上電的事故危害

1.2.1未加勵磁時的誤合閘

當發電機處于未加勵磁狀態時，勵磁開關是斷開的，此時的發電機定子三相電流值是0，機端電壓值是0。若高壓側或機端斷路器誤合閘定子有較強的電流時，當轉子靜止時誤合閘會瞬間轉差為1，此時發電機的等效阻抗力最小、定子電流最大。定子電流產生的旋轉磁場中，轉子表面會感應出較強的電流，發電機會采用異步電動機的方式來拖動機組，此時機端會出現低電壓。當發電機由廠用電系統誤上電時，因廠用變壓器有較大的阻抗，因此發電機定子中的電流很小，會產生輕微的影響。

當發生誤合閘后轉子表面會迅速積聚大量的熱量，機組的容量越大，轉子承受的過熱能力就越小，大型發電機的轉子會更容易達到熱積累極限。在發電機的異步啟動過程中，轉子軸上的葉片也會產生較大的振動，機械共振會產生材料疲勞的情況，嚴重時葉片還有可能出現斷裂。倘若在檢修發電機時軸承的潤滑系統退出工作，誤合閘也會造成發電機的軸承受到損壞。

1.2.2斷路器斷口閃絡

斷路器斷口閃絡在進行誤上電保護過程中，，通常會使用單相和兩相閃絡。發電機在啟停過程中只能靠斷路器與系統進行隔離，因此斷路器斷口可能會承受2倍的峰值電壓，而發生閃絡時發電機定子中會流過很大的負序電流，產生相對轉子約兩倍的同步轉速旋轉磁場，在發電機轉子表層產生倍頻電流，對轉子的安全性構成威脅。閃絡時還會在發電機上產生沖擊轉矩，對斷路器觸頭間的絕緣產生破壞，使斷路器受到損壞。

1.2.3發電機非同期合閘

倘若發電機頻率已接近或等于系統頻率，而斷路器兩端電壓又較大的相位差，合閘會瞬間產生較強的合閘電流。當斷路器兩端電壓正好反相且都是最大值時，合閘的電流會達到最大;當兩端電壓相位角差為120度時，沖擊轉矩達到最大值。

倘若在頻率較低時進行發電機的合閘，不但會產生較大的頻率差，在機端電壓和系統電壓間幅值之間也會產生較大差異，會大大降低角度差合格的可能性。因轉子轉速與同步轉速之間的差異較大，定子電流會在轉子表面感應頻率差電流，使轉子表面的局部溫度升高。如果熱積累時間過長，轉子也會受到損壞。非同期合閘對發電機組產生的巨大沖擊，會降低發電機的使用壽命，嚴重時還會直接損壞大軸。

1.3誤上電保護邏輯

1.3.1誤合閘保護邏輯

誤上電保護的誤合閘邏輯：

（1）如果發電機在盤車時，沒有加勵磁，會造成斷路器誤合，從而發電機異步起動。采用兩組PT都是低電壓延時投入t1，電壓恢復，延時t2退出。

（2）發電機在起停過程中，如果加勵磁，但頻率比定值低，造成斷路器誤合。采用低頻判據延時t3投入，頻率判據延時t4返回，其時間應確保能完成跳閘過程。

（3）發電機起停過程中，已經加勵磁，但頻率比定值高，斷路器處于誤合或非同期。采用斷路器位置觸點，經過控制字可以實現投退。考慮斷路器分閘時間，判據延時t3投入，延時t4退出，其時間應確保能夠完成跳閘過程。當發電機處于非同期合閘狀態時，如果發電機斷路器的兩側電勢相差180度，那么非同期合閘的電流太大，跳閘容易致使斷路器受到損壞，而此刻閉鎖跳斷路器出口，應當先跳滅磁開關等其他開關。當斷路器電流比定值低時再跳出口開關。保護誤合閘的同時，取發電機機端和中性點電流，從而進一步提高可靠性，RCS-985A/B發變組保護裝置還將主變高壓側電流大于0.1Ie作為輔助判斷的依據。誤上電保護I段對應“跳其他開關”，當出現誤合閘時，主變高壓側電流會大于開關并允許流入電流，閉鎖跳閘出口通道1、跳閘出口通道2;此功能只在“經斷路器位置閉鎖投入”置1時才開放，相比誤上電II段跳閘出口，不選擇跳閘出口通道1、跳閘出口通道2。

1.3.2斷路器斷口閃絡保護邏輯

斷路器斷口閃絡保護邏輯如圖2所示（RCS-985保護）：

斷路器閃絡保護取主變高壓側開關電流。依據如下：

（1）斷路器的位置接點的狀態呈斷開;

（2）負序電流比整定值要高;

（3）發電機已經加勵磁，機端電壓比固定值大。保護動作滅磁和啟動斷路器失去效用。

2.發電機誤上電保護邏輯改進策略

2.1機組不加勵磁誤合閘

如果發電機組不施加勵磁信號，發電機定子通過的電流將變為零，定子兩端的電壓也會為零。此時如果發電機組的出口斷路器因為誤合閘信號而產生的一系列動作，會加大定子通過的電流，當發電機組定子停轉時出現誤合閘，這在一定程度上會降低發電機組的阻抗力，定子電流達到最大化，會燒壞發電機的定子部分。機組不加勵磁誤合閘也會使定子部分的電流增大，產生較大的旋轉磁場，轉子部分在旋轉磁場的作用下會運轉加速，會因為潤滑油的油壓低致使發電機組的軸瓦部分受到損壞。

2.2無勵磁非同期合閘

當發電機組轉子部分速度達到額定轉速后，且沒有閉合發電機組的勵磁開關，如果出口斷路器的誤合閘是無勵磁非同期合閘，會降低發電機輸出的有用功率，為彌補損失的功率，發電機組會從電網中吸收大量的無功功率，會使電網的無功功率下降，不利于電網的安全運行。

2.3發電機非同期并網

倘若發電機組不能滿足所有的合閘條件，就容易產生非同期并網。在不同期磁場的作用下，并網定子中會產生巨大的感應電流，在轉子轉速與同步轉速之間也會產生較大的轉速差，在發電機組轉子上產生感應頻率差電流，進一步升高轉子表面的溫度。倘若溫度無法得到有效的散失會造成轉子的熱損傷。在沖擊電流的作用下也會有較大的沖擊力，使軸系扭振運動以及機械部分受到一定程度的疲勞磨損，使電機組的使用壽命降低。

3.發電機誤上電保護改進措施

3.1重新整定發電機定子繞組過電流元件定值

在發電機組進行瞬時增壓過程中，其電抗接近額定電抗值Xd，且在發電機組啟動過程中電抗值依舊能保持恒定不變;考慮到升壓變壓器的電抗Xb以及發電機組的電抗Xs，倘若Xs在裝置上保持較小值時，那么通過發電機定子繞組的電流會是額定電流的3到4倍;在非同期合閘階段，發電機組的沖擊電流也會比額定電流多很多。因此定子電流元件能根據公式進行計算，Krel的取值需要高于發電機組的額定電流。

3.1.1增加可靠的輔助判據

在發電機組運行過程中，正常情況下誤上電保護邏輯不會產生作用，在遇到誤上電情況時才會對發電機采取相應的保護措施。因此為了誤上電能夠受到準確的保護，可以將勵磁開關的常閉觸點用于誤上電保護開關的開閉輔助，這樣不僅能夠降低發電機組在正常運行過程中兩組PT同時斷線時產生誤動風險，也能提高誤上電保護的準確性和有效性。

3.1.2增加濾波裝置

為了規避發電機組誤上電保護系統受到電流擾動而產生的誤啟動問題，技術人員應當在回路中增設一定的濾波裝置，科學的降低諧波擾動因其的誤上電情況，逐步提高誤上電保護系統運行。此外也要對投退方式進行進一步的優化和保護，避免發生誤動的情況。通常情況下，在發電機組正常運行過程中，發電機組誤上電保護系統會處于休眠狀態，因此可以采取此方法對發電機進行保護。在發電機組機組并網后，現場操作人員需要及時退出跳閘壓板，等待機組停運后再進行投入。

3.2誤合閘保護改造方案

誤合閘保護改造方案通過低頻低壓元件和斷路器輔助觸點對發電機是否處于盤車或轉子靜止狀態進行準確的判斷，如果是機端出現電流，那么就認為是誤上電，并且跳斷路器的啟動會失效。電壓來源于機端電壓互感器，而電流來源于機端電流互感器。當發電機處于停機狀態時投入，并在并網后退出。斷路器本體的輔助動斷觸點就是斷路器的輔助觸點。

方案中以低壓元件來判斷發電機盤車，在沒有合勵磁開關的情況下，低頻元件判斷發電機轉速沒有達到額定轉速。該方案不考慮轉速達到額定轉速且已合勵磁開關時，發生非同期合閘的情況。因此可以在保護或同期裝置中，根據發動機運行的需要對非同期合閘保護功能加以設置。當誤上電出口適當延時，T3取100ms，過流定值取0.5倍的額定電流。T防抖動時間是T，取50ms，T1和T2整定為1s。低壓元件取50～60V，低頻元件取48Hz。

結論

由此可見，很多情況下發電機組的誤上電會嚴重影響發電機組的正常運行，大型發電機組在并網時斷路器斷口閃絡和盤車等情況，誤合閘產生的電流會使機組設備受到損壞。為了避免類似的問題，目前很多大型機組都配備了專門的誤上電保護裝置。為進一步提升誤上電保護的效果，需要根據實際情況進行不斷的優化和改進，從而促進發電機組實現更好的運行。

參考文獻

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