发电机误上电保护中逻辑电路应用及测试方法

张 杰

哈尔滨电力职业技术学院 黑龙江 哈尔滨 150030

大容量发电机变压器组发电机误上电保护中逻辑电路控制较为复杂，在调试和检测过程中会遇到一些问题。通过对逻辑电路的设计及检测方法的研究、摸索，总结出一套较为实用和完整的检测方法，在实践教学中也取得了很好的效果。

1 发电机误上电保护的分析

1.1 误上电保护的装设要求及类型

发电机启停过程中发生的故障、断路器断口闪络及发电机轴电流过大等故障和异常运行方式，可根据机组特点和电力系统运行要求，采取措施或增设相应保护。对于300 MW及以上机组宜装设突然加电压保护（即误上电保护）。［1］

发电机的误上电有两种情况：第一种是发电机灭磁开关未合时误上电，由于汽轮发电机在起、停机过程中灭磁开关在开位的时间较长，因此该种情况误上电的概率较大；另一种情况是灭磁开关合上后误上电。

1.2 误上电的危害

对于第一种情况，在发电机未加励磁时误合高压侧或机端断路器，定子中将流过很大电流，尤其当转子静止时误合闸瞬间，转差为1，发电机等效阻抗最小，定子电流最大。定子电流产生的旋转磁场在转子表面感应出很大的电流，发电机以异步电动机方式拖动机组，机端出现低电压。当发电机由厂用电系统误上电时，由于厂用变压器的阻抗比较大，发电机定子中的电流不大，造成的影响也相对较小。发生误合闸后，转子表面的热量迅速积聚。机组容量越大，转子承受过热能力相对越小，所以大型发电机的转子更容易达到热积累极限而损坏。在发电机异步启动过程中，转子大轴上的叶片将产生较大振动，尤其是汽轮机叶片如在自然频率处停留时间过长，机械共振极易导致材料疲劳，严重时叶片将出现断裂。如果发电机轴承的润滑系统退出工作（如在检修时），误合闸还将导致发电机的轴承损坏。［2］目前，500 KV系统中广泛采用的3/2断路器接线也增加了误上电的几率。

对于第二种情况，当发电机的灭磁开关在合位，如果不满足同期就将发电机并网，将会造成非同期合闸。

如果合闸瞬间发电机频率已接近或等于系统频率，而断路器两端电压相位差较大，则合闸瞬间将产生很大的合闸电流。在断路器两端电压正好反相（即两端电压相位角差为180°）且都为峰值时合闸电流最大；在两端电压相位角差为120°时冲击转矩最大。

如果发电机在频率较低时合闸，则发电机与系统间不仅存在较大的频率差，机端电压和系统电压间幅值也有很大差异，角度差合格的可能性也极小。同期合闸的三个条件很可能都不满足，至少也有两个条件不满足，定子中将产生巨大的冲击电流。由于转子转速与同步转速间存在较大差异，定子电流将在转子表面感应频率差电流，导致转子表面局部温升。如果热积累时间过长，同样也会损坏转子。非同期合闸对发电机组产生的巨大冲击还将缩短发电机的使用寿命，严重时将直接损坏大轴。另外，非同期合闸对系统的冲击也不容忽视。

2 逻辑电路设计

发电机误上电保护逻辑电路控制图如图1所示。在发电机盘车、升速及静止过程中，发变组开关及灭磁开关均在断开位置，通过一个与门3输出为“1”，再通过一个或门输出为“1”；若误合发变组开关，则通过一个时间门t2延时返回，在延时时间内或门输出仍保持为“1”，此时发变组高压侧有电流，与门2输出为“1”，延时t1后发出跳闸指令。

图1 逻辑电路

当发电机灭磁开关在合位，而发变组开关在开位时，通过一个与门4的前两路输入为“1”（此时与门3输出为“0”）；如接通发变组开关，则时间门t2延时返回，在延时时间内与门4的第一路输入仍保持为“1”，此时发变组高压侧有电流，与门2输出为“1”，利用阻抗Z的判据来区别是正常并网还是误上电合闸。

此种情况下的误上电一般可分为无励磁情况下误上电或发电机电动势没有达到系统电压时的误上电两种情况，对于系统可强拉发电机同步的非同期合闸情况，仅有稳定的振荡，阻抗判据不应动作，误上电保护不动作。当满足阻抗判据后，再经过t3延时后，与门 4 输出为“1”，或门输出为“1”， 与门2输出为“1”，延时t1后发出跳闸指令。

3 整定原则

3.1 动作电流的整定

整定原则：定值为误上电最小电流的50%，即误上电时应可靠启动。也可以以误上电电流长期存在不损坏发电机为条件。由于发电机负序电流长期允许值为 （5～10%）IN，因此误上电电流不得大于（10～20%）IN。

3.2 正向阻抗和反向阻抗的整定

在阻抗复平面上，阻抗判据动作特性为一阻抗圆，阻抗方向以看向机组为正。以发变组单元接线为例，由于阻抗判据需引入主变高压侧TA二次电流和主变高压侧母线TV二次电压，因此，为确保误上电后的不稳定振荡过程中阻抗判据能可靠动作，反向及正向整定阻抗可近似按下式整定：

式中：XT——变压器阻抗（二次值）；

X′d——发电机暂态电抗（二次值）；

Krel——可靠系数，取1.2～1.3。

若阻抗判据中引入的是机端电压和电流，则不考虑变压器阻抗，即

3.3 保护动作出口t1的整定

按躲过断路器三相动作不同期来整定，一般取1s。

3.4 断路器合闸后延时返回时间t2的整定

当发电机误上电时，为确保误上电保护能可靠出口，其返回时间按下式整定：

式中，ts——时间裕度，一般可取3～5 s。

通常，t2取 5 s。

3.5 阻抗元件动作时间t3和返回时间t4的整定

t3应保证正常同期合闸所需要的延时，应满足：t3+t1＜t2。

t4应按阻抗判据在振荡时误返回的条件来整定，可取 0.5～1 s。

4 检测过程

以下内容包括误上电保护的动作逻辑检测和电流及阻抗定值的检测，动作时间及返回时间的测试。

4.1 输入TA/TV定义

将微机保护测试仪与发变组保护装置按表1进行连接。

表1 接线端子

4.2 误上电逻辑测试

1）时间门t2的逻辑测试。合上断路器经t2后，无论电流或阻抗条件是否满足t1延时，保护均不出口。

测试方法：保持灭磁开关辅助常开触点在开位，将发变组断路器辅助常开触点短接，经过t2后，在电流输入端子任一相加电流超过整定值，保持t1后，验证保护是否出口（以不出口为正确）。

2）时间门t3的逻辑测试。当发变组并网时，不能因有轻微冲击而造成误上电保护误动作。

测试方法：保持发变组断路器辅助常开触点在开位，将灭磁开关辅助常开触点短接，在电流输入端子任一相加电流超过整定值；按阻抗保护的整定范围选择动作区内的某一阻抗，根据该阻抗及相电流计算该相电压的大小及相位，将此电压接入电压输入端子。测试瞬间保护不应动作，经t3延时后动作于出口。

4.3 误上电过程测试

1）断路器未合，灭磁开关未合，无电流，则误上电保护不动作。

2）断路器未合，灭磁开关未合，有电流达到定值，则误上电保护动作；合断路器，保护延时t2后返回。

3）断路器未合，灭磁开关已合，有电流达到定值，阻抗圆不满足动作条件，误上电保护不动作。

4）断路器未合，灭磁开关已合，有电流达到定值，阻抗圆满足动作条件，则误上电保护动作；合断路器，保护延时t2后返回。

4.4 误上电电流定值测试

满足发变组断路器及灭磁开关常开触点未合的条件，在电流输入端子任一相加电流，逐步增加电流，直到误上电保护出口动作，记录此时电流动作值。

4.5 阻抗圆定值测试

1）计算值的计算过程。阻抗圆的动作特性如图2（a）所示。

图2 阻抗圆动作特性

图3 实验界面

取 ZF=6 Ω，ZB=2 Ω，A 相电流 Ia=5 A，阻抗角 φ分别取 0°、30°、60°、85°、120°、150°、180°、210°、240°、265°、300°、330°，A 相电压 Ua的计算值见表 2。

表2 实验数据

2）测试方法（以阻抗角 φ=30°为例）

在测试仪上输入A相电流Ia=5 A，相角为0°；取A相电压Ua稍大于相应阻抗角φ所对应的计算值，相位角为30°，以Ua作为变量。启动测试仪后逐渐减小Ua，直到误上电保护动作，如图3所示，记录此时Ua的动作值，再计算阻抗Z的动作值，填入表2中。

［1］张兵海.高厂变分支开关误合闸引起的发电机误上电事故分析探讨［J］.继电器，2007，（12）.

［2］金崇光.发电机误上电保护配置及改进措施［J］.电力系统保护与控制，2008，（15）.