失步保护

3.15 发电机失步保护

3.15.1保护原理

发电机失步保护采取电阻直线多区域特性。其特性如下图3-15-1。图中，Xt为变压器电抗（已归算到发电机机端侧），RS为电阻边界定值，Rj内部自动调整为RS2。

jXXtR0RjRs6区5区4区3区2区1区图3-15-1 发电机失步保护的多区域特性

对图3-15-1的说明如下：

（1）系统正常运行时，测量阻抗?RS，不会进入2~5区内；

（2）发电机增速失步时，测量阻抗会依次穿过1区、2区、3区、4区、5区、6区，

经过每个区的时间都大于一个?T； （3）发电机减速失步时，测量阻抗会依次穿过6区、5区、4区、3区、2区、1区，

经过每个区的时间都大于一个?T； （4）系统故障时，测量阻抗会突然落入2~5区（或者就在2～5区以外），而不会依次

穿过1区、2区、3区、4区、5区、6区。 发电机失步后，失步保护发出失步信号。若测量电抗小于Xt，则说明振荡中心落在发变组内，此时，由控制字选择，是否经滑级次数判别再发跳闸命令。当测量阻抗滑入1区或6区，且达到预定的滑极次数，同时，电流小于闭锁电流（Ibs）时，发出跳闸命令，这样可以避免断路器切断过大的电流。

阻抗元件电压取自发电机机端TV，电流取自发电机机端或中性点TA。 其它

【南自：DGT801数字式发电机变压器保护装置技术说明书】

南自DGT801采用的方案与CSG300A方案类似，但是在阻抗轨迹在各区停留时间，纳南自DGT801整定更为细致一些，估计需要一些数据

jX4区3区XsXs减速失步d4d3XTd2d1Xdz＝XT加速失步2区1区0区XA＝－X'd0区1区2区3区4区

整定：

（1） 1区停留时间T1

T1整定和振荡周期有关，应小于系统振荡时测量阻抗在该区停留的时间。设振荡周期为TOS（具体值由调度所给出，一般为0.5至1.5秒，最低可至3秒），则振荡时在1区停留时间为：TOS?2??13600

?1?2?ctg???2R2 整定：T1?0.5TOS201

360(XA?XB)（2） 2区停留时间T2

T2整定和振荡周期有关，应小于系统振荡时测量阻抗在该区停留的时间。则振荡时在

1800??21800??12区停留时间为：2TOS 整定：T2?0.5*2TOS 00360360（3） 3区停留时间T3

T3整定和振荡周期有关，应小于系统振荡时测量阻抗在该区停留的时间。整定T3=T1 （4） 4区停留时间T4

T4整定和振荡周期有关，应小于系统振荡时测量阻抗在该区停留的时间。T4可以在0秒到T3之间选取

【南自：DGT801数字式发电机变压器保护装置技术说明书】

NARI RCS-985和许继 WFB-100采用的是三元件失步继电器 【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】

保护采用三元件失步继电器动作特性

第一部分是透镜特性，图中①，它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透镜外的部分O。第二部分是遮挡器特性，图中②，它把阻抗平面分成左半平面L和R

两种特性的结合，把阻抗平面分成四个区OL、IL、IR、OR，阻抗轨迹顺序穿过四个区（OL－IL－IR－OR或OR－IR－IL－OL），并在每个区停留时间大于一时限，则保护判为发电机失步振荡。每顺序穿过一次，保护的滑极加1，到达整定次数，保护动作

第三部分是电抗线，图中③，它把动作区一分为二，电抗线以上为Ⅰ段（U），电抗线以下为Ⅱ段（D）。阻抗轨迹顺序穿过四个区时位于电抗线以下，则认为振荡中心位于发变组内，位于电抗线以上，则认为振荡中心位于发变组外，两种情况下滑极可以分别整定

保护可动作于报警信号，也可动作于跳闸 失步保护可以辨别的最小振荡周期为120ms

【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】

【许继：WFB-100微机型发变组成套保护装置技术说明书】

本保护适应于大型发变组，当系统发生非稳定振荡即失步危及机组安全时，动作于跳闸或信号。保护采用三阻抗元件，通过阻抗的轨迹变化来检测滑极次数并确定振荡中心的位置。与RCS 985的保护方案类似

透镜特性的阻抗元件Z1：其内角代表动态稳定极限角，可整定，若机端视在阻抗Z的终端进入透镜圆区域内，则表明发电机电势与系统等效电势间的功角?已大于动稳极限角

（2） 阻挡器直线阻抗元件Z2，即透镜的主轴，机端视在阻抗Z的终端落在此直线

上，代表功角?为1800，若出现不稳定振荡，Z的终端将进入透镜。当越过该直线，功角?逐渐大于1800，意味着发电机已失步

（3） 电抗线阻抗元件Z3，垂直于透镜的主轴，其位置可整定，该元件将保护分为

一段跳闸区（电抗线以下）和二段跳闸区（电抗线以上）

上面三个阻抗元件把阻抗平面分为四个区，发生失步后的机端视在阻抗的轨迹会顺时针依次穿过四个区，并回到第一个区。发生失步后的阻抗轨迹的变化比短路时慢得多。根据此特征，通过整定内角大小，计及阻抗轨迹穿过透镜所需的时间区分短路与失步。

因此只有当机端视在阻抗依次穿过四个区，并回到第一个区，并且在透镜内停留的时间大于50ms，才判定一次滑极（滑极：机端测量阻抗Z的轨迹，每穿过一次透镜，表示失步发电机的转子磁极相对于系统同步旋转磁场的磁极运动3600电角度，称为一次滑极）

另外，滑极次数计数过程中，在接收到前一个计数后，如果在一定时间内（20s），没有新的滑极次数到来或轨迹一直停留在滑极内，计数器将清零

为了避免在??180附近的严重条件下断路器跳闸，失步保护应在??250~360期间发出跳闸脉冲 （失步保护）整定： 定值名称 滑极次数 启动电流 电流闭锁 发电机暂态电抗 系统联系电抗 变压器电抗 最大灵敏角 动作功角 整定范围 备注 1～9 0.1～60A 0.1～60A 0.1～60? 0.1～60? 0.1～60? 0～900 900～1500 000（1）

I允许＝KIDL遮断 透镜在R-X平面第Ⅲ象限的最远点的阻抗，按同步电机‘暂态电抗Xd整定 透镜在R-X平面第Ⅰ象限的最远点的阻抗，按机端至无限大系统之间的联系电抗ZST整定 电抗线Zc?0.9Zt?0.9Xt 透镜倾角 透镜内角?set?180?2arctg 01.54Rl.minZst?X'd 延时时间t1 延时时间t2 0～50s 0～50s 【许继：WFB-100微机型发变组成套保护装置技术说明书】

“IEEE交流发电机保护的IEEE标准”提供单遮挡器、双透镜或者双遮挡器方案 单遮挡器方案

许多方案被用来检测发电机失稳。最基本的发电机失步保护方案是单遮挡器方案。如示图4.5.3-2中，并且在【b65】中解释了这个方案。单遮挡器方案由一个姆欧单元（Mho unit）监视，整定阻抗在发电机或者变压器和系统有限部分振荡时允许跳闸，但要防止在稳定振荡时，阻抗穿越两个遮挡器和姆欧特性跳闸。两个遮挡器和姆欧圆以及相应的逻辑来评价在失步期间，阻抗的逐渐变化由M点到P点时。当发电机和系统电压夹角是90度或者更小时，启动跳闸。为了减少断路器开断容量，在这个角度下（90度或者更小）跳闸可能是必须的。

在系统振荡过程中，随着阻抗从M点变化到P点时，阻抗来回移动使遮挡器单元动作复位。随着摇摆进行，A元件动作，接着B动作。随着振荡过程朝P进行，元件A复位。最后元件B复位。继电器中的定时器和相应逻辑监视这些元件的动作和返回。如果元件A和B 动作保持了一定时间，接着元件A复位。认为是失步情况并且继电器动作。用这样一个方案来反应系统失步。因为逻辑上要求振荡阻抗离开继电器的一边于它进入的方向相反。那意味着从发电机机端看，必须有功率反向。并且功率反向必须发生在很高的电流。如果发电机与系统之间没有失步，这两个条件不可能满足。 双透镜或者双遮挡器方案

双透镜或者双遮挡器方案动作执行和前面描述的系统相似。

为了与单遮挡器方案中获得同样的可靠性，用来监视的姆欧元件被包含在双遮挡器系统中。参见图4.5.3.3-1和4.5.3.3-2。当振荡阻抗进入外部透镜特性中时，例如F点，外部元件动作。注意到在双遮挡器方案中，姆欧元件在外部遮挡器元件之前启动。如果振荡阻抗在内部和外部元件之间的时间超过了预先设定的时间。在逻辑电路中认为失步。当振荡阻抗进入内部元件的动作特性时，在一个短延时后，逻辑电路的一部分被封。接着当振荡阻抗离开内部元件特性区时，在它到达外部特性区间时，其的穿越时间必须超出一个预先设定的时间。直到振荡阻抗从外部特性区域离开时才跳闸。或者对于双遮挡器方案来说，直到监视姆欧元件复位才跳闸，这些决定于所用的控制逻辑。预先设定振荡阻抗穿越内外两个元件的时间，

来防止故障情况下跳闸逻辑启动。在故障情况下，实际上内外两个元件是同时复位，不会出现误跳闸。

振荡角DFC由整定值控制以限制短路器触头两端的电压。一旦检测到系统振荡，并且阻抗进入内部特性，振荡现在可以从任意方向离开内部和外部特性，跳闸发生。以此，内部元件的整定必须是仅反应系统无法恢复的振荡。

跳闸方式

如果机组有甩掉全部负荷的能力，保护可以出口于仅跳发电机主断路器，从而隔离发电机和它的辅机。采用这种方式，一旦系统稳定时，机组可以很容易和系统再同步。如果机组没有甩掉全部负荷的能力，这个保护可以出口于跳闸和关掉发电机和原动机。参见4.5.1.4的指导意见。

【IEEE STD C37.102-1995：交流发电机保护的IEEE标准】

3.15.2保护动作逻辑

加速信号加速时阻抗R、X减速时No次滑极跳闸减速信号图3-15-2 发电机失步保护逻辑框图

3.15.3整定内容

（1）电阻边界定值Rs （2）变压器电抗Xt （3）滑极次数Nsb （4）跳闸闭锁电流Ibs

3.15.4保护的整定计算

（1）电阻边界定值Rs：可按躲过最小负荷阻抗整定； （2）变压器电抗Xt：应归算到发电机端；

（3）滑极次数Nsb：根据发电机实际能够承受的失步滑极次数整定。

附录

【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】

对于中小容量的发电机，一般不装设失步保护，当机组发生振荡失步时，由值班人员处理。对于300MW及以上的大型发电机（特别是大型汽轮发电机），应装设专门的失步保护和失步预测保护，因为：

（1） 大型发电机组均与变压器组成单元接线，它们的电抗较大，与之相连的系统

等值阻抗往往较小，一旦发生系统振荡，振荡中心常位于发电机机端附近，使厂用电电压周期性地严重下降。

（2） 失步振荡电流地幅值与三相短路电流可比拟，但振荡电流在较长时间反复出

现，使大型发电机组遭受力和热的损伤

（3） 即使装设反应静稳（或/和动稳）极限的低励失磁保护，对于300MW及以上

的大型发电机组，仍需装设失步保护，因为失步并非全由失磁故障造成的。低励失磁保护可视为失步保护的后备保护

发电机失步预测保护应作为系统安全自动装置的一个组成部分，在发电机失步预测保护动作后，不应无条件作用于机组跳闸停机，应该从全系统稳定触发，根据系统初始运行状态和故障严重程度，由安全自动装置综合判断，发出相应操作命令（增减有功、切除部分机组、调相或抽水蓄能转放电、投电气制动等）

对失步保护和失步预测保护的要求：

（1） 尽快检出失步故障，使后续的自动装置或人工操作及早采取抑振措施，以避

免振荡失步，或使失步振荡转化为稳定振荡（不失步），或最大限度缩短振荡过程。通常要求在第一振荡周期检出失步故障

（2） 有鉴别短路与振荡，失步振荡与同步振荡的能力

（3） 发电机组是不保护动作后的行为应由系统安全稳定运行的要求决定，一般不

应立即作用于跳闸

（4） 失步保护动作要跳开断路器时，应避免在系统振荡两侧电动势相位差

??1800时跳闸，尽量在振荡电流较小的条件下发出跳闸信号

双阻抗元件失步保护

根据振荡及短路过程中机端阻抗的测量，当发生稳定振荡时，振荡阻抗只在阻抗的第一或第四象限变化，而且由于d?/dt较小，阻抗变化较慢

当发生失步振荡时，?在0～3600范围内连续变化，阻抗轨迹是一个圆，根据

KEA/EB???1，有不同的阻抗圆或直线，阻抗轨迹也比短路时慢的多

根据上述特征，可以利用两个阻抗元件来鉴别非稳定振荡和短路故障、稳定振荡，构成失步保护的主要测量元件

两个阻抗元件可以同为同心圆动作特性；也可以一为圆，一为直线；还可以皆为透镜形特性。双阻抗元件失步保护比较简单，但是它没有预测失步的功能，当它动作时，从避免失步方面看，已经太晚。而且，初始功率P0的不同，和扰动后的电磁功率恢复水平不同，动稳极限角?db有不同的数值，而阻抗元件只能整定一个固定的角度，因而不能确切地判断是否将失步

三阻抗元件失步保护

ZPT408形滑极继电器，三个阻抗元件：（1）透镜特性地阻抗元件，将阻抗平面分为透镜内动作区和透镜外不动作区；（2）阻挡器直线阻抗元件，它将阻抗平面分为左半部分和右半部分，其方向与透镜主轴相同；（3）电抗线阻抗元件，它垂直于透镜主轴，位置由Zc决定，电抗线把保护分为Ⅰ段跳闸区和Ⅱ段跳闸区。当振荡中心位于发电机－变压器组的内部时，属于Ⅰ段跳闸区，一般要求在第一次滑极（失步）后即将机组跳闸解列。如果振荡中心位于发电机－变压器组之外的系统，属于Ⅱ段跳闸区，不应立即跳闸，而是在预定滑极次数之后，系统保护仍未能妥善处理时，才使发电机跳闸 【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】

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