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发电机组失步保护原理与装设的必要性 |
一、装设失步保护的必要性
对于中小发电机组，通常都不装设失步保护。当系统发生振荡时，由运行人员来判断，然后利用人工增加励磁电流、增加或减少原动机出力、局部解列等方法来处理。对于大发电机组，这样处理将不能保证发电机组的安全，通常需要装设用于反应振荡过程的专门的失步保护。
一般认为失步将带来的危害有以下几项。
（1）对于大发电机组和超高压电力系统，发电机装有快速响应的自动调整励磁装置，并与升压变压器组成单元接线。由于输电网的扩大，系统的等效阻抗值下降，发电机和变压器的阻抗值相对增加，因此振荡中心常落在发电机机端或升压变压器的范围以内。由于振荡中心落在机端附近，使振荡过程对发电机组的危害加重。机炉的辅机都由接在机端的厂用变压器供电机端电压周期性地严重下降，将使厂用机械工作的稳定性遭到破坏，甚至使一些重要电动机制动，导致停机、停炉。
（2）振荡过程中，当发电机电动势与系统等效电动势的夹角为180°时，振荡电流的幅值将接近机端三相短路时流过的短路电流的幅值。如此大的电流反复出现有可能使定子绕组端部受到机械损伤。
（3）由于大发电机组热容量相对下降，对振荡电流引起的热效应的持续时间也有限制，因为时间过长有可能导致发电机定子绕组过热而损坏。
（4）振荡过程常伴随短路故障出现。发生短路故障和切除故障后，柴油发电机轴系可能发生扭转振荡。当故障切除后，若随即发生电气参数的振荡过程，则加到轴系上的制动转矩是一脉振转矩，从而可能加剧轴系的扭转振荡，使大轴遭受机械损伤，甚至造成严重事故。
（5）在短路伴随振荡的情况下，定子绕组端部先遭受短路电流产生的应力，相继又承受振荡电流产生的应力，使定子绕组端部出现机械损伤的可能性增加。
对于电力系统来说，一台发电机与系统之间失步，如不能及时和妥善处理，可能扩大到整个电力系统，导致电力系统的崩溃。
由于上述原因，对于大发电机组，特别是大型柴油发电机，需要装设失步保护，用以及时检出失步故障，迅速采取措施，以保障发电机组和电力系统的安全运行。由于失步会带来上述危害，因此通常要求发电机失步保护在振荡的第一、二个振荡周期内能够可靠动作。
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静音型柴油发电机组结构示意图 |
二、失步保护原理
要求失步保护只反应发电机的失步情况，能可靠躲过系统短路和同步摇摆，并能在失步开始的摇摆过程中区分加速失步和减速失步。目前，实用的失步保护主要基于反应发电机机端测量阻抗变化轨迹的原理。这里介绍一种数字保护中应用的具有双遮挡器动作特性的失步保护原理。
如图1所示（图中忽略了电阻），假定振荡中心落在机端保护安装处M。R1、R2、R3、R4将阻抗平面分为0～4共五个区，加速失步时测量阻抗轨迹从＋R向-R方向变化，0～4区依次从右到左排列；减速失步时测量阻抗轨迹从-R向＋R方向变化，0～4区依次从左到右排列。当测量阻抗从右向左穿过R1时判定为加速失步，当测量阻抗从左向右穿过R1时判定为减速失步。然后当测量阻抗穿过1区进入2区，并在1区及2区停留的时间分别大于t1和t2后，对于加速过程发加速失步信号，对于减速过程发减速失步信号。加速失步信号或减速失步信号作用于降低或提高原动机出力。若在加速或减速信号发出后，没能使振荡平息，测量阻抗继续穿过3区进入4区，并在3区及4区停留的时间分别大于t3和t4后，进行失步周期（也称滑极）计数。当失步周期累计达到一定值时，失步保护出口跳闸。
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发电机失步阻抗轨迹与失步保护整写图 |
若测量阻抗在任一区内永久停留，则判定为短路。无论是在加速过程还是在减速过程，测量阻抗在任一区（1～4区）内停留的时间小于对应的延时时间（t1～t4）就进入下一区，则判定为短路。若测量阻抗轨迹部分穿越这些区域后以相反的方向返回，则判断为可恢复的摇摆振荡。
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