电力系统继电保护 7~10章习题解答

第7章同步发电机的继电保护思考题与习题解答7—1发电机有哪些故障类型应该装设哪些反应故障的保护答：发电机应装设下列保护：发电机故障类型主要有各种短路故障。

各种故障包括相间短路、接地短路和输电线路断线。

应装设的保护有：（1）对于发电机定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵联差动保护。

（2）对于定子绕组单相接地故障，应装设零序保护。

当发电机电压回路的接地电容电流（未经消弧绕组）大于或等于5A时，保护应动作于跳闸，当接地电容电流小于5A时保护应动作于信号。

对容量是100MW及以上的发电机应尽量装设保护范围为100%的接地保护。

（3）对于定子绕组匝间短路，当绕组接成双星形，且每一分支都有引出端时，应装设横联差动保护。

（4）对于外部短路引起的过电流，一般应装设低电压启动的过电流保护或复合电压启动的过电流保护。

对于容量为50MW及以上的发电机，一般装设负序过电流及单相低电压启动的过电流保护。

负序过电流保护同时用作外部不对称短路或不对称负荷引起的负序过电流保护。

（5）对于由对称过负荷引起的定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。

（6）对于水轮发电机及其某些大容量汽轮发电机定子绕组的过电压，应装设带延时的过电压保护。

（7）对于励磁回路的接地故障，水轮发电机一般应装设一点接地保护。

对汽轮发电机的励磁回路一点接地，一般采用定期检测装置，对大容量机组，可装设一点接地保护，对两点接地故障，应装设两点接地保护。

（8）对于发电机的励磁消失，当100MW以下不允许失磁运行的发电机，应在自动灭磁开关断开时应联动断开发电机断路器；当采用半导体励磁系统时，应装设专用的失磁保护。

对于100MW以下但对电力系统有重大影响的发电机和100MW 及以上的发电机应装设专用的失磁保护。

（9）对于发电机转子回路过负荷，在容量为100MW以上并采用半导体励磁的发电机，可以装设转子回路过负荷保护。

（10）对于大容量汽轮发电机的逆功率运行，可以装设逆功率保护。

7—2试分析发电机纵差保护的作用及保护范围答：发电机纵差保护是反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，保护无死区动作时限短。

它作为发电机相间短路的主保护。

其保护范围包括发电机定子绕组及引出线，即装设发电机定子绕组两侧TA之间的范围。

7—3试说明如图7—1具有断线监视装置的发电机纵差保护装置，在内部故障、电流互感器二次回路断线情况下的动作过程。

当发生二次回路断线时的外部故障，保护将如何反应答：如图7—1所示具有断线监视的发电机纵差保护装置，在发生内部故障时，I K要电流互感器2TA二次回路断线，则差动继电器通过1TA反应的短路电流K TA大于继电器动作电流，继电器动作。

当发生外部故障时，2TA断线流过继电器电I K，保护要误动作，但因为装设了断线监视装置，发生断线后，它流仍为K TA发出信号，运行人先接到信号后即将差动保护退出，防止误动作。

图7—1 题7-3具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线图 7—4零序电压匝间短路保护，能否保护单相接地答：不能，如图7—2所示为零序电压匝间短路保护原理接线图，图中把发电机中性点与发电机出口端电压互感器的中性点连在一起，当发电机内部发生匝间短路或者中性点不对称的相间短路时，破坏了三相中性点的对称，产生了对中性点的零序电压即030U ，使零序电压匝间短路保护正常动作。

当发电机内部或外部发生单相接地时，虽然电压互感器TV 的一次系统出现了零序电压，即一次侧三相对地电压不平衡，中性点电位升高为0U ，但TV 一次侧的中性点并不接地，所以即使它的中性点电位升高，三相对地中性点的电压仍对称，所以开口三角形绕组输出电压03U =0。

保护不会动作。

为防止1TV 一次熔断器熔断引起保护误动作，设置了电压闭锁装置，为防止低定值零序电压匝间短路保护在外部短路时误动作，设置了负序功率方向闭锁元件。

图7—2 题7-4零序电压匝间短路保护原理接线图7—5为什么反应零序电压的定子绕组匝间短路保护要采用负序功率方向闭锁答：零序电压的定子绕组匝间短路保护采用负序功率方向闭锁元件。

在正常运行时，系统振荡或三相对称短路时，发电机定子绕组三相电流对称，转子回路不出现2次谐波电流，保护不会动作。

当发电机不对称运行或发生不对称短路时，定子绕组的负序分量电流也将在转子回路中感应出2次谐波电流。

为防止在这些情况下保护误动作，可加设起闭锁作用的负序功率方向闭锁，因为匝间短路时的负序功率方向与不对称运行或发生不对称接地短路时的负序功率方向相反。

这样，不对称情况下的负序功率方向元件使保护闭锁，匝间短路时便能使保护开放。

7—6为什么发电机定子绕组单相接地的零序电流保护存在死区，如何减小死区答：当发电机定子绕组的中性点附近接地时，由于接地电流很小，采用零序电流保护可能不能动作，有15%～30%的死区。

为减小死区可采取下列措施：（1）加装三次谐波滤过器；（2）对于高压侧是中性点直接接地电网，可利用保护装置延时来躲过高压侧接地短路故障，其动作时限应与变压器的零序保护相配合；（3）对于高压侧是中性点非直接接地电网，可利用高压侧的零序电压将发电机的接地保护闭锁或实现制动。

采用上述措施后，继电器动作值可取5～10伏，保护范围可提高到90%以上，但是在中性点附近仍有5%～10%的死区。

7-7大容量发电机为什么要采用100%定子接地保护利用发电机定子绕组三次谐波电压和零序电压构成的100%定子接地保护的原理是什么答：在大型机组中水内冷机组占有一定的比例。

对于水内冷发电机来说，由于机械损伤或发生漏水等原因，导致中性点附近的定子绕组发生接地故障是完全可能的。

如果这种故障没有及时发现并处理，势必会发展成匝间短路，相间短路或两点接地短路，以致造成发电机严重损坏。

因此，对这种大容量发电机，有必要装设能保护100%定子绕组的接地保护。

下面说明利用三次谐波电压构成的100%定子接地保护。

该保护由两部分组成，一部分为零序电压保护，它可以保护85%～90%定子绕组。

另一部分利用发电机三次谐波电压构成，它用来消除零序电压保护的死区，从而实现保护100%定子绕组的接地保护。

为了可靠起见，两部分保护区有段重叠。

第二部分的工作原理是利用发电机中性点和出线端的三次谐波电压在正常运行和接地故障时变化相反的特点构成。

正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大。

利用其变化特点，使发电机出口的三次谐波电压成为动作量，从而使中性点的三次谐波电压成为制动量，利用绝对值比较原理，当发电机出口三次谐波电压大于中性点三次谐波电压时，继电器动作，这种保护在正常时制动，在定子绕组接地时动作。

三次谐波电压保护原理如下，由于发电机转子和定子之间的气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在发电机定子绕组感应电势中存在三次谐波分量，其值不超过基波电势的10%。

正常运行时，中性点绝缘的发电机端电压与中性点三次谐波电压分布如图7-3（a ）所示，其中3E &为每相三次谐波电势，OG C 为每相对地电容，OSC 为机端其它各连接元件每相的对地电容，中性点三次谐波电压3N U &和机端三次谐波电压3S U &分别为： ()3322OG OS N OG OS C C U E C C +=+&& （71） ()332OG S OG OS C U E C C =+&& （7-2） 3312OG S N OG OSC U U C C =+&p & （7-3） 上式说明在正常情况下，机端三次谐波电压小于中性点三次谐波电压，若发电机经消弧绕组接地，上述结论也成立。

（c ） (d)图7—3 题7-7发电机端和中性点三次谐波电压 （a ）正常运行时发电机三次谐波电压的等值电路；（c ）发电机定子绕组单相接地时三次谐波电压的等值电路；（c ）3S U 、3N U 随接地点位置a 变化的曲线图7—4发电机零序电压和三次谐波电压相结合构成100％定子绕组单相接地保护原理接线图设发电机定子绕组距中性点a 处发生单相接地，如图7-3(b)所示，无论中性点是否接消弧绕组都有3N U &=3aE &,()331S U a E =-&&,且3S U &与3N U &的比值为 331S N U a U a-=&& (7-4) 3S U &与3N U &随a 而变化，其变化曲线如图7-3（d ）所示，当a<50%时，恒有3S U &>3N U &。

有以上分析可知，正常情况下，3S U &<3N U &；当a<50%范围内发生单相接地故障时，3S U &>3N U &，利用3S U &作为动作量，利用3N U &作为制动量，构成接地保护，可以反应a <50%范围内的接地故障。

利用基波零序电压和三次谐波电压的发电机定子绕组100%的定子接地保护接线图如图7-4所示。

图中N U &和SU &分别表示由中性点和机端取得的交流电压，由电抗变换器1UR 一次绕组和电容1C 构成三次谐波串联谐振电路，1L 、3C 组成基波串联谐振电路，因此加于整流桥1U 的交流电压是三次谐波电压。

1U 整流电压经5C 滤波后作为动作量3S U &作用于执行元件，同样，N U &经电抗变换器2UR 、2C 、2L 、4C 整流桥2U ，滤波电容6C 后，形成制动量3N U &作用于执行元件，执行元件两端电压为：.3.3ab S N U U U =-&&& （7-5） 在正常情况下，3S U &<3N U &，abU <0, 执行元件不动作；当a<50%范围内发生接地故障时，3S U &>3N U & abU >0，执行元件动作，调节电位器1RP 可以改变保护的整定值。

电压变换器UV 直接接于机端电压互感器1TV 的开口三角形侧，反映基波零序电压。

基波零序电压经整流器3U 整流和经7C ，3R ，8C 组成滤波器滤波后，加于执行元件，调节电位器2RP 滑动端位置，可以改变基波零续电压部分的整定值。

7-8 发电机失磁后，发电机机端测量阻抗如何变化，什么是等有功阻抗圆，等无功阻抗圆答：失磁后，发电机机端测量阻抗的变化是，失磁保护的重要判据，下面以汽轮发电机经线路与无穷大系统并列运行为例分析失磁后发电机机端测量阻抗的变化情况。

如图7-5（a ）所示为系统的等值电路，图7-5（b ）为系统正常运行时各电气量的相量图。