第３７卷 第２１期２０１３年１１月１０
日Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．２１
Ｎｏｖ．１０，２０１３
：／ＤＯＩ１０．７５００ＡＥＰＳ２０１３０５２００１３
发电机误上电保护新型主判据研制
姚晴林，郭宝甫，陈海龙，沈燕华
（）许继电气股份有限公司，河南省许昌市４６１０００
摘要：提出并论证发电机误上电保护扇形低阻抗新型主判据及其整定计算，分析发电机在不同工
况下误上电时电机有功功率及保护安装点测量阻抗的不同特性，得出发电机误上电初始测量阻抗在Ｒ－Ｘ平面４个象限的任１个或２个象限中波动皆有可能的结论。扇形低阻抗特性的误上电保护在Ｒ－它既能保证发电机正常并网时可靠不动作，又Ｘ平面４个象限中都具有足够大的动作区，
能保证发电机在停机及正常并网的启动过程中任一时刻误上电时，该保护都能高灵敏地动作。所研制的保护已投入运行。
关键词：发电机保护；误上电保护；保护判据；扇形低阻抗
０ 引言
发电机在停机及并网的启动过程中，由于误操作使断路器突然错误合闸（简称误上电）时，会造成国外已有发电机严重烧损或大轴扭曲的重大事故，
［］
此类事故的报道１，据了解，国内也有大型电厂发生过此类事故。因此，发电机尤其是大型发电机应装设误上电保护。
当前发电机误上电保护应用最多的是过电流判据，其缺点是整定值不统一。有些定值采用（０．１～）其中Ｉ为防止正常并０．２Ｉｎ，ｎ为发电机额定电流，ｇｇ网断路器Ｄ在励磁开关ＬＬ闭合时该判据误动，Ｋ闭合时就自动使过电流判据闭锁，但这样又会导致正常并网过程中ＬＫ闭合至ＤＬ合闸之间失去过电流判据；有些定值较高，采用误上电时最小电流的但误上电时的最小电流难以准确计算；有些定５０％，
）判据定值高必然导致误上电值采用（１．２～１．３Ｉｎ，ｇ
时保护动作灵敏度低。因此，误上电保护过电流判据的效能尚存在争议。
为弥补过电流判据的不足之处，有些厂家除采用过电流判据之外，同时采用其他原理的判据，由或”门出口，通过双重化来提高误上２个判据构成“
电保护的灵敏度。本文提出的扇形低阻抗新判据对保护发电机停机及启动过程中任一时刻的误上电事故都具有高动作灵敏度及可靠性，该新判据也是构成误上电保护“或”门的２个主判据之一。
１ 以扇形低阻抗特性圆为主判据的发电机
误上电保护
误上电保护安装在发电机机端或主变压器的高压侧。误上电保护出口动作无延时或经０．１～０．２ｓ短延时跳开机端或主变压器高压侧断路器。断路器
而且在机组跳闸后５ｓ误上电保护自动投入运行，
停机及启动期间误上电保护一直投入，断路器合闸
后３ｓ误上电保护自动退出运行。
如图１所示，全阻抗型动作特性圆的半径Ｚｏｐ是按发电机正常并网断路器合闸后３ｓ时刻，发电机输出的最大负荷电流（取０．情况下，全阻抗型３Ｉｎ）ｇ
动作特性圆可靠不动作为原则来整定。
图１ 发电机误上电保护扇形低阻抗主判据动作特性Ｆｉ．１ Ａｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｅｎｅｒａｔｏｒｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔ ｇｇ
ｅｎｅｒｉｚｉｎｕｓｉｎｆａｎｓｈａｅｄｒｏｔｅｃｔｉｏｎ －ｇｇｇｐｐ
ｌｏｗｒｉｎｃｉｌｅｉｍｅｄａｎｃｅ ｐｐｐ
此时有
；修回日期：。收稿日期：２０１３０５２０２０１３０７０２－－－－
ＫｒＵｎＮＴＡｅｌ
（）１
×０．３ＩＮＴＶｎｇ
式中：发电Ｕｎ，ＮＴＡ，ＮＴＶ分别为误上电保护安装点（机机端或主变压器高压侧）的额定线电压、电流互感器变比、电压互感器变比；取０．Ｋｒ８５。ｅｌ为可靠系数，
）式（分母中的电流取０．自动１３Ｉｎ的理由如下：ｇ
Ｚｏｐ＝
—１７６—
·研制与开发· 姚晴林，等 发电机误上电保护新型主判据研制
或半自动准同期装置都保证了只能在功率角
范围内（即发电机机端电压导前于系°８０°δ为０～１才允许发出合闸命令，在δ为统电压的情况下）
范围内不会发出合闸命令，以防止有功１８０°６０°～３，功率反送。设正常并网断路器合闸时最大的δ＝８°
这３ｓ内调速汽门仍在３ｓ后误上电保护才被闭锁，
，加大，而最大负荷不会超过２°δ最大可能达１
再考虑裕度，故取最大负荷电流为０．以０．２Ｉ３Ｉｎ，ｎ，ｇｇ确保误上电保护可靠不动作。图１中，电阻型动作特性直线距Ｒ－Ｘ坐标原点的垂直距离为Ｒｏｐ：（）Ｒｏ．８５Ｚｏ２ｐ＝０ｐ
这样整定是为了躲开发电机正常并网时可能出现的最大冲击。作为又一层保险，以保证可靠不误动。
误上电保护的测量阻抗为Ｚ如图２所示。Ｊ，ＺＺｏＺｃｏｓφ＜Ｒｏ｜｜＜｜｜判据及｜｜ＪＪｐｐ判据（φ为ＺＪ的
构成“与”门出口，其动作区见图１中扇形阴影复角）
侧包围的面积，这就实现了以扇形低阻抗特性为主判据的发电机误上电保护。
子的转速小于同步速，对电机外壳而言，转子的转速为ω－且为顺时针方向。ｓω，定子同步旋转磁场在转子的励磁绕组及阻尼绕组中感应出频率为ｓｆ的单相交流电流。该单相电此转流产生对转子而言相对静止的转子脉动磁场，子脉动磁场可以分解成２个幅值各为原脉动磁场幅值一半且旋转方向相反的转子旋转磁场：第１个转即它对电子旋转磁场对转子而言的旋转速度为ｓω，机外壳而言的转速为ω－为顺时针方ｓｓω＋ω＝ω，第２个转子旋转磁场对转子而言的旋转速度为向；
即它对电机外壳而言的转速为ω－－ｓｓｓω，ω－ω＝ω为顺时针方向。因此，在发电机误上电后异－２ｓω，步运行中，可得出以下结论。
）第１个转子旋转磁场相对于电机外壳的转速１，为ω（顺时针方向）而定子同步旋转磁场相对于电
，机外壳的转速同样为ω（顺时针方向）这２个旋转方向相同且转速同为ω的定子、转子旋转磁场相互
它为直流分量。Ｐｙ作用产生平均异步功率Ｐｙｐ，ｐ为正值表示电机向电网输出有功功率，即为发电机状
即为态；Ｐｙｐ为负值表示电机从电网吸收有功功率，电动机状态。
）第２个转子旋转磁场相对于电机外壳的转速２
图２ 扇形低阻抗主判据逻辑框图
Ｆｉ．２ Ｌｏｉｃｄｉａｒａｍｏｆｆａｎｓｈａｅｄｌｏｗ － ｇｇｇｐ
ｉｍｅｄａｎｃｅｒｉｎｃｉｌｅ ｐｐｐ
为ω－２顺时针方向，而定子同步旋转磁场相对ｓω，
于电机外壳的转速为ω，也为顺时针方向。这２个定子、转子旋转磁场相互作用产生交变异步功率
），功率角δ＝ＰｙＰｙｉｎ２ｓｔ δ的正负交替变化（ωｂ，ｂ随ｓ其平均值为零，它也是电机误上电异步运行中总有
功功率Ｐ随δ波动的原因之一。
）发电机启动并网过程的中期或后期阶段励磁３
开关闭合，若发电机误上电，异步运行中励磁绕组还
会产生同步功率ＰＴ。有强制性的直流励磁电流，
其平均值为零，它也是ＰＴ随ｓｉｎδ的正负交替变化，
电机误上电异步运行中总有功功率Ｐ随δ波动的另一个原因。
下文分析在发电机停机及启动过程中各阶段误上电时，发电机有功功率Ｐ及机端测量阻抗ＺＪ的特性。
２ 发电机误上电异步运行电机有功功率Ｐ的特性
发电机停机即转子静止时的转差率ｓ＝１，为ｓ的最大值；发电机并网同步运行时ｓ＝０，为最小值。在发电机停机、盘车或启动过程中若发电机误上电，电机异步运行，则转子转速上升、此时电机ｓ下降，
２］
：的总有功功率Ｐ为［
３ 发电机停机及并网过程各阶段误上电时
保护测量阻抗ＺＪ的特性
以汽轮发电机且误上电保护装设在机端为例，分析在发电机停机及并网过程各不同阶段误上电时机端测量阻抗ＺＪ的特性。主汽门关闭而励磁开关３．１ 发电机停机状态（断闸）
电机运 在发电机停机状态下若发电机误上电，行状态是无励磁的同步电动机全电压异步启动，电
机自电网吸收有功功率并吸取电感性无功功率，这实质上相当于异步电机启动。如图３所示，在忽略
—１７７—
（）Ｐ＝Ｐｙ３ｂ＋ＰＴｐ＋Ｐｙ
式中：ＰｙＰｙＰＴｂ为交变异步功率；ｐ为平均异步功率；为同步功率。
这３种有功功率的特性决定了电机误上电保护测量阻抗ＺＪ的特性。发电机误上电时，电机定子三相电流产生同步旋转磁场，对电机外壳而言，定子同步旋转磁场的旋转方向为顺时针，转速为ω（其中ｆ为同步ω＝２πｆ，
。电机转子的转速上升、，频率）转ｓ下降（０＜ｓ＜１）
（）２０１３，３７２１
交变异步功率Ｐｙ按异步电机等值电路ｂ的条件下，２］
：在误上电开始瞬间ｓ＝１，图分析得［ＺＸｄ′，ｓｊＪ＝－ （即同步运行）时Ｚ在Ｒ－＝０Ｘｄ；Ｘ坐标平面上ｊＪ＝－
直径为ＺＪ相量末端随ｓ变化的轨迹为圆周，
（／圆心位于－Ｘｄ－Ｘｄ′，Ｘｄ＋Ｘｄ′）２。其中，Ｘｄ′和ｊ
机的有功损耗之和，驱动力矩大于阻力矩，电机的转
子已完全依靠蒸汽力矩来旋转，转速升高，励磁开关则电机的运行尚处于断闸状态。若发电机误上电，
特性为无励磁的同步发电机非同期合闸，电机输出较小的有功功率而吸收大量的无功功率，Ｐｙｐ为正值，致使发电ＰＴ≈０，Ｐｙｉｎ２ δ的正负交替变化，ｂ随ｓ机输出的总有功功率Ｐ随δ波动，ＺＪ主要在图１的
可能在短时间内波动到第Ⅲ象第Ⅳ象限随δ波动，限。
主汽门开度大３．４ 发电机启动的中期或后期阶段（
而励磁开关闭合）
蒸汽力矩大于阻力矩，转速 此时主汽门开度大，
较高，励磁开关闭合。若发电机误上电，电机的运行
特性为有励磁的同步发电机非同期合闸，Ｐｙｐ为正值，Ｐｙｉｎ２ＰＴ随ｓｉｎδ的正 δ的正负交替变化，ｂ随ｓ
负交替变化。由于Ｐｙ二者叠加，ｂ及ＰＴ都产生波动，致使发电机总有功功率输出Ｐ、保护测量阻抗ＺＪ随
Ｘｄ分别为汽轮发电机的暂态电抗和同步电抗。
图３ 忽略Ｐｂ且发电机停机状态下误上电时ｙ
ＺＪ随ｓ的变化轨迹
ｅｎｅｒａｔｏｒＦｉ．３ ＶａｒｉａｔｉｏｎｔｒａｅｃｔｏｒｏｆＺｅｒｓｕｓｓｏｆ Ｊｖｇｇｊｙ
ｗｈｅｎｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｈａｅｎｓｄｕｒｉｎ ｇｇｐｐｇ ｓｈｕｔｄｏｗｎｓｔａｔｅｉｎｃａｓｅｏｆｎｅｌｅｃｔｉｎＰ－ ｂｇｇｙ
可见误上电后，转子转速上升、且Ｚｓ下降，Ｊ幅
值增大。再者，由于无励磁，只有剩磁，同步功率ＰＴ但有交变异步功率Ｐｙｉｎ２≈０， δ的正负交替变ｂ随ｓ化，平均异步功率Ｐｙ电机的总有功ｐ为负值。因此，功率Ｐ随δ波动，ＺＪ主要在图１的第Ⅲ象限随δ波动；而当δ为０及１时Ｐｙ此°０°８０°７０°～９～２ｂ为正值，时可能Ｐｙ正值）的幅值大于Ｐｙ负值）的幅值，致ｂ（ｐ（使总有功功率Ｐ＝Ｐｙｂ＋ＰＴ＝Ｐｂ在短时ｐ＋Ｐｙｙｐ＋Ｐｙ间内为正值，则ＺＪ可能在短时间内波动到第Ⅳ象限。ＺＸｄ′或其他某一点。ｊＪ不会停留在－
主汽门开度小而３．２ 发电机启动过程的前期阶段（励磁开关断闸）
进汽量约小于额 此时主汽门已打开但开度小，
定进汽量的５％，此时蒸汽的驱动功率小于电机有功损耗及汽轮机有功损耗的总和，即驱动力矩小于阻力矩，仅靠蒸汽力矩尚不能使转子转动起来，还需要电动盘车的外力协助才能使转子缓慢地旋转。此时若发电机误上电，电机自电网吸取有功功率，转速上升，又此时励磁开关仍处于断闸状态，电机自电网吸收无功功率，电机运行状态仍属于无励磁的同步电动机全电压异步启动，平均异步功率Ｐｙｐ为负值，可能会在短时ＺＪ主要在图１的第Ⅲ象限随δ波动，间内波动到第Ⅳ象限，这与上述３．１节的ＺＪ特性类似。
主汽门开度较３．３ 发电机启动的中期或后期阶段（
大而励磁开关断闸）
进汽量约大于额定进汽 此时主汽门开度增大，
量的５％，此时蒸汽的驱动力矩已大于电机及汽轮—１７８—
δ的波动比上述无励磁时的Ｐ和ＺＪ的波动要更加
剧烈。
若励磁较低，发电机发出有功功率、吸收无功功率，而短时间ＺＪ主要在图１的第Ⅳ象限随δ波动，内波动到第Ⅲ象限的概率更大；若励磁较高，发电机发出有功功率和无功功率，ＺＪ主要在图１的第Ⅰ象限随δ波动，而短时间内波动到第Ⅱ象限的概率更大。
３．５ 新型误上电保护框图原理
以扇形低阻抗为主判据之一的新型误上电保护框图如图４所示。
图４ 新型误上电保护框图
Ｆｉ．４ Ｂｌｏｃｋｄｉａｒａｍｏｆｎｏｖｅｌｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔ ｇｇ
ｅｎｅｒｉｚｉｎｒｏｔｅｃｔｉｏｎｇｇｐ
）过电流判据的整定值Ｉ０．１～０．２Ｉｓｅｔ为（ｎ。ｇ
若在机组停机、盘车或启动升速过程中而励磁开关Ｌ过电流判据及Ｋ尚处于断开情况下误上电，扇形低阻抗判据都动作，构成双重化保护，快速跳开断路器。在机组启动升速过程中而励磁开关ＬＫ处于合闸状态情况下，过电流判据被闭锁，若此时误上电，只有扇形低阻抗判据动作，快速跳开断路器。
附带指出，由许继电气股份有限公司生产的大
·研制与开发· 姚晴林，等 发电机误上电保护新型主判据研制
型发电机变压器组微机成套保护装置中，各主要保
护（包括纵差、横差、失磁、失步、低阻抗及误上电保所用的电流、电压都经过频率跟踪技术处理，护等）当电流、电压信号的测量频率偏离工频时，根据测量以保证电流、电压信号的计频率实时调整采样间隔，
算准确度。因为使用频率跟踪技术并非发电机误上电保护的独有特征，此处不再赘述。
某１个或某２个象限内波动都有可能。强调指出，
在发电机启动过程的中后期阶段，电机转速较高且机端励磁开关已闭合的状态下若发生误上电事故，阻抗Ｚ第Ⅱ象限内波动。因Ｊ在第Ⅰ象限或第Ⅰ、要求低阻抗型误上电保护的动作区应涵盖４个此，
象限且足够大，不应显著缩小第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅳ象限的动作区。本文图１所示的扇形低阻抗特性的误上
在Ｒ－电保护满足了这一要求且设计合理，Ｘ平面的既能保证发电机正常４个象限的动作区都足够大，
又能保证发电机在停机及并网时保护可靠不动作，
正常并网启动过程中的不同阶段任一时刻误上电时
保护都能高灵敏地动作。
４ 讨论
低阻抗型发电机误上电保护出口动作无延时或
因此，研究发电经０．１～０．２ｓ短延时跳开断路器，机误上电初始保护测量阻抗的工频量ＺＪ的特性是
关键所在。
误上电保护装设在机端，有一种观点（或资料）认为发电机误上电初始Ｚ这种观点并不Ｘｄ′，ｊＪ＝－ 全面。准确的描述是：只有当发电机处于停机状态即ｓ而且忽略了有功功率波＝１时发生误上电事故，误上电初始瞬间的Ｚ也就是动时，Ｘｄ′；ｊＪ才等于－ 说，当发电机在正常并网的启动过程中即转子已有时若误上电，即使忽略了Ｐ的波动，转速（０＜ｓ＜１）
误上电初始瞬间的ＺＸｄ′，而是Ｊ也不等于－ｊ 若计及了Ｐ的波动，则｜Ｚ′；Ｚ｜｜＞Ｘｄ｜更不等于ＪＪ
此外，功率Ｘｄ′；ＺＪ还与误上电初始的主汽门开度、角δ值、转子转速、励磁开关的断合闸状态，以及励磁电流大小诸因素有关。
综合前述３．可以得出以１节至３．４节的分析，
在发电机停机及正常并网启动过程的不同下结论：
阶段任一时刻，都有可能突发机组误上电事故，误上电初始保护测量阻抗ＺＸ平面４个象限中Ｊ位于Ｒ－
参考文献
［］陆于平，］史世文，李莉．大型发电机微机型误上电保护［电力１Ｊ．
（）：系统自动化，１９９５，１９７２５２９．－
，，ＬＹｕｉｎＳＨＩＳｈｉｗｅｎＩＬｉ．ＨｉｈｒａｔｉｎｅｒｒｏｒｅｎｅｒａｔｏｒＬＵ － －ｐｇｇｇｇ ［］，ｅｌｅｃｔｒｉｆＪ．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｓｔｅｍｓｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｙｙｐ （）：１９９５，１９７２５２９．－
［］姚晴林．同步发电机失磁及其保护［北京：机械工业出版社，２Ｍ］．
１９８３．
，姚晴林（男，教授，主要研究方向：电力系统继１９３１—）电保护。
，郭宝甫（男，硕士，高级工程师，主要研究方向：１９７３—）电力系统继电保护。
，陈海龙（男，通信作者，高级工程师，主要研究１９７５—）：方向：电力系统继电保护。Ｅ－ｍ．ｃｏｍａｉｌ１２４９５１４７０＠ｑｑ
（编辑 章黎）
ＡＮｏｖｅｌＭａｉｎＣｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒＧｅｎｅｒａｔｏｒＩｎａｄｖｅｒｔｅｎｔＥｎｅｒｉｚｉｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｇｇ
ＹＡＯ Ｑｉｎｌｉｎ，ＧＵＯ Ｂａｏｕ，ＣＨＥＮ ＨａｉｌｏｎＳＨＥＮ Ｙａｎｈｕａｇｆｇ，
，（）ＸＪＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．Ｌｔｄ．Ｘｕｃｈａｎ４６１０００，Ｃｈｉｎａ ｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｖｅｌｍａｉｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｅｎｅｒａｔｏｒｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｒｏｔｅｃｔｉｏｎｕｓｉｎｔｈｅｆａｎｓｈａｅｄｌｏｗｉｍｅｄａｎｃｅｒｉｎｃｉｌｅ － ｇｇｇｐｇｐｐｐｐ
ａｎｄｉｔｓｓｅｔｔｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｒｅｒｏｏｓｅｄ．Ｗｈｅｎｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｈａｅｎｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｅｒａｔｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｇｐｐｇｇｐｐｐｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｎｅｒａｔｏｒａｃｔｉｖｅｏｗｅｒａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｉｍｅｄａｎｃｅａｔｔｈｅｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｉｎｔａｒｅａｎａｌｚｅｄ．Ｉｔ ｇｐｇｐｐｐｙ ｃａｎｂｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｉｍｅｄａｎｃｅｍａｆｌｕｃｔｕａｔｅｉｎａｎｏｎｅｏｒｔｗｏｏｆｔｈｅｆｏｕｒｕａｄｒａｎｔｓｏｆｔｈｅＲ－Ｘｐｌａｎｅａｔｔｈｅ ｇｐｙｙｑ ｉｎｉｔｉａｌｅｎｅｒａｔｏｒｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎ．Ｔｈｅｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｕｓｉｎｔｈｅｆａｎｓｈａｅｄｌｏｗ － ｇｐｇｇｇｇｇｐ ｉｍｅｄａｎｃｅｒｉｎｃｉｌｅｈａｓａｌａｒｅｅｎｏｕｈａｃｔｉｏｎａｒｅａｉｎｅａｃｈｏｆｔｈｅｆｏｕｒｕａｄｒａｎｔｓｏｆｔｈｅＲ－Ｘｐｌａｎｅ．Ｉｔｃａｎｎｏｔｏｎｌｒｅｌｉａｂｌ ｐｐｐｇｇｑｙｙ
，ｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｎｅｒａｔｏｒｒｉｄｒｅｖｅｎｔｔｈｅｍｉｓｏｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｕｉｍｅｎｔｗｈｅｎｔｈｅｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｔｈｅｎｏｒｍａｌｌｂｕｔａｌｓｏｃａｎｅｎｓｕｒｅ ｐｇｇｐｐｑｐｙｈｉｈｌｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｒｉｉｎｗｈｅｎｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｈａｅｎｓａｎｔｉｍｅｏｆｔｈｅｓｔｏｏｒｓｔａｒｔｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｕｉｍｅｎｔ ｇｙｐｐｇｇｇｐｐｙｐｐｐｑｐ ｕｓｉｎｔｈｅｎｏｖｅｌｃｒｉｔｅｒｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｕｔｉｎｔｏｏｅｒａｔｉｏｎ． ｇｐｐ
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—１７９—
第３７卷 第２１期２０１３年１１月１０
日Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．２１
Ｎｏｖ．１０，２０１３
：／ＤＯＩ１０．７５００ＡＥＰＳ２０１３０５２００１３
发电机误上电保护新型主判据研制
姚晴林，郭宝甫，陈海龙，沈燕华
（）许继电气股份有限公司，河南省许昌市４６１０００
摘要：提出并论证发电机误上电保护扇形低阻抗新型主判据及其整定计算，分析发电机在不同工
况下误上电时电机有功功率及保护安装点测量阻抗的不同特性，得出发电机误上电初始测量阻抗在Ｒ－Ｘ平面４个象限的任１个或２个象限中波动皆有可能的结论。扇形低阻抗特性的误上电保护在Ｒ－它既能保证发电机正常并网时可靠不动作，又Ｘ平面４个象限中都具有足够大的动作区，
能保证发电机在停机及正常并网的启动过程中任一时刻误上电时，该保护都能高灵敏地动作。所研制的保护已投入运行。
关键词：发电机保护；误上电保护；保护判据；扇形低阻抗
０ 引言
发电机在停机及并网的启动过程中，由于误操作使断路器突然错误合闸（简称误上电）时，会造成国外已有发电机严重烧损或大轴扭曲的重大事故，
［］
此类事故的报道１，据了解，国内也有大型电厂发生过此类事故。因此，发电机尤其是大型发电机应装设误上电保护。
当前发电机误上电保护应用最多的是过电流判据，其缺点是整定值不统一。有些定值采用（０．１～）其中Ｉ为防止正常并０．２Ｉｎ，ｎ为发电机额定电流，ｇｇ网断路器Ｄ在励磁开关ＬＬ闭合时该判据误动，Ｋ闭合时就自动使过电流判据闭锁，但这样又会导致正常并网过程中ＬＫ闭合至ＤＬ合闸之间失去过电流判据；有些定值较高，采用误上电时最小电流的但误上电时的最小电流难以准确计算；有些定５０％，
）判据定值高必然导致误上电值采用（１．２～１．３Ｉｎ，ｇ
时保护动作灵敏度低。因此，误上电保护过电流判据的效能尚存在争议。
为弥补过电流判据的不足之处，有些厂家除采用过电流判据之外，同时采用其他原理的判据，由或”门出口，通过双重化来提高误上２个判据构成“
电保护的灵敏度。本文提出的扇形低阻抗新判据对保护发电机停机及启动过程中任一时刻的误上电事故都具有高动作灵敏度及可靠性，该新判据也是构成误上电保护“或”门的２个主判据之一。
１ 以扇形低阻抗特性圆为主判据的发电机
误上电保护
误上电保护安装在发电机机端或主变压器的高压侧。误上电保护出口动作无延时或经０．１～０．２ｓ短延时跳开机端或主变压器高压侧断路器。断路器
而且在机组跳闸后５ｓ误上电保护自动投入运行，
停机及启动期间误上电保护一直投入，断路器合闸
后３ｓ误上电保护自动退出运行。
如图１所示，全阻抗型动作特性圆的半径Ｚｏｐ是按发电机正常并网断路器合闸后３ｓ时刻，发电机输出的最大负荷电流（取０．情况下，全阻抗型３Ｉｎ）ｇ
动作特性圆可靠不动作为原则来整定。
图１ 发电机误上电保护扇形低阻抗主判据动作特性Ｆｉ．１ Ａｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｅｎｅｒａｔｏｒｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔ ｇｇ
ｅｎｅｒｉｚｉｎｕｓｉｎｆａｎｓｈａｅｄｒｏｔｅｃｔｉｏｎ －ｇｇｇｐｐ
ｌｏｗｒｉｎｃｉｌｅｉｍｅｄａｎｃｅ ｐｐｐ
此时有
；修回日期：。收稿日期：２０１３０５２０２０１３０７０２－－－－
ＫｒＵｎＮＴＡｅｌ
（）１
×０．３ＩＮＴＶｎｇ
式中：发电Ｕｎ，ＮＴＡ，ＮＴＶ分别为误上电保护安装点（机机端或主变压器高压侧）的额定线电压、电流互感器变比、电压互感器变比；取０．Ｋｒ８５。ｅｌ为可靠系数，
）式（分母中的电流取０．自动１３Ｉｎ的理由如下：ｇ
Ｚｏｐ＝
—１７６—
·研制与开发· 姚晴林，等 发电机误上电保护新型主判据研制
或半自动准同期装置都保证了只能在功率角
范围内（即发电机机端电压导前于系°８０°δ为０～１才允许发出合闸命令，在δ为统电压的情况下）
范围内不会发出合闸命令，以防止有功１８０°６０°～３，功率反送。设正常并网断路器合闸时最大的δ＝８°
这３ｓ内调速汽门仍在３ｓ后误上电保护才被闭锁，
，加大，而最大负荷不会超过２°δ最大可能达１
再考虑裕度，故取最大负荷电流为０．以０．２Ｉ３Ｉｎ，ｎ，ｇｇ确保误上电保护可靠不动作。图１中，电阻型动作特性直线距Ｒ－Ｘ坐标原点的垂直距离为Ｒｏｐ：（）Ｒｏ．８５Ｚｏ２ｐ＝０ｐ
这样整定是为了躲开发电机正常并网时可能出现的最大冲击。作为又一层保险，以保证可靠不误动。
误上电保护的测量阻抗为Ｚ如图２所示。Ｊ，ＺＺｏＺｃｏｓφ＜Ｒｏ｜｜＜｜｜判据及｜｜ＪＪｐｐ判据（φ为ＺＪ的
构成“与”门出口，其动作区见图１中扇形阴影复角）
侧包围的面积，这就实现了以扇形低阻抗特性为主判据的发电机误上电保护。
子的转速小于同步速，对电机外壳而言，转子的转速为ω－且为顺时针方向。ｓω，定子同步旋转磁场在转子的励磁绕组及阻尼绕组中感应出频率为ｓｆ的单相交流电流。该单相电此转流产生对转子而言相对静止的转子脉动磁场，子脉动磁场可以分解成２个幅值各为原脉动磁场幅值一半且旋转方向相反的转子旋转磁场：第１个转即它对电子旋转磁场对转子而言的旋转速度为ｓω，机外壳而言的转速为ω－为顺时针方ｓｓω＋ω＝ω，第２个转子旋转磁场对转子而言的旋转速度为向；
即它对电机外壳而言的转速为ω－－ｓｓｓω，ω－ω＝ω为顺时针方向。因此，在发电机误上电后异－２ｓω，步运行中，可得出以下结论。
）第１个转子旋转磁场相对于电机外壳的转速１，为ω（顺时针方向）而定子同步旋转磁场相对于电
，机外壳的转速同样为ω（顺时针方向）这２个旋转方向相同且转速同为ω的定子、转子旋转磁场相互
它为直流分量。Ｐｙ作用产生平均异步功率Ｐｙｐ，ｐ为正值表示电机向电网输出有功功率，即为发电机状
即为态；Ｐｙｐ为负值表示电机从电网吸收有功功率，电动机状态。
）第２个转子旋转磁场相对于电机外壳的转速２
图２ 扇形低阻抗主判据逻辑框图
Ｆｉ．２ Ｌｏｉｃｄｉａｒａｍｏｆｆａｎｓｈａｅｄｌｏｗ － ｇｇｇｐ
ｉｍｅｄａｎｃｅｒｉｎｃｉｌｅ ｐｐｐ
为ω－２顺时针方向，而定子同步旋转磁场相对ｓω，
于电机外壳的转速为ω，也为顺时针方向。这２个定子、转子旋转磁场相互作用产生交变异步功率
），功率角δ＝ＰｙＰｙｉｎ２ｓｔ δ的正负交替变化（ωｂ，ｂ随ｓ其平均值为零，它也是电机误上电异步运行中总有
功功率Ｐ随δ波动的原因之一。
）发电机启动并网过程的中期或后期阶段励磁３
开关闭合，若发电机误上电，异步运行中励磁绕组还
会产生同步功率ＰＴ。有强制性的直流励磁电流，
其平均值为零，它也是ＰＴ随ｓｉｎδ的正负交替变化，
电机误上电异步运行中总有功功率Ｐ随δ波动的另一个原因。
下文分析在发电机停机及启动过程中各阶段误上电时，发电机有功功率Ｐ及机端测量阻抗ＺＪ的特性。
２ 发电机误上电异步运行电机有功功率Ｐ的特性
发电机停机即转子静止时的转差率ｓ＝１，为ｓ的最大值；发电机并网同步运行时ｓ＝０，为最小值。在发电机停机、盘车或启动过程中若发电机误上电，电机异步运行，则转子转速上升、此时电机ｓ下降，
２］
：的总有功功率Ｐ为［
３ 发电机停机及并网过程各阶段误上电时
保护测量阻抗ＺＪ的特性
以汽轮发电机且误上电保护装设在机端为例，分析在发电机停机及并网过程各不同阶段误上电时机端测量阻抗ＺＪ的特性。主汽门关闭而励磁开关３．１ 发电机停机状态（断闸）
电机运 在发电机停机状态下若发电机误上电，行状态是无励磁的同步电动机全电压异步启动，电
机自电网吸收有功功率并吸取电感性无功功率，这实质上相当于异步电机启动。如图３所示，在忽略
—１７７—
（）Ｐ＝Ｐｙ３ｂ＋ＰＴｐ＋Ｐｙ
式中：ＰｙＰｙＰＴｂ为交变异步功率；ｐ为平均异步功率；为同步功率。
这３种有功功率的特性决定了电机误上电保护测量阻抗ＺＪ的特性。发电机误上电时，电机定子三相电流产生同步旋转磁场，对电机外壳而言，定子同步旋转磁场的旋转方向为顺时针，转速为ω（其中ｆ为同步ω＝２πｆ，
。电机转子的转速上升、，频率）转ｓ下降（０＜ｓ＜１）
（）２０１３，３７２１
交变异步功率Ｐｙ按异步电机等值电路ｂ的条件下，２］
：在误上电开始瞬间ｓ＝１，图分析得［ＺＸｄ′，ｓｊＪ＝－ （即同步运行）时Ｚ在Ｒ－＝０Ｘｄ；Ｘ坐标平面上ｊＪ＝－
直径为ＺＪ相量末端随ｓ变化的轨迹为圆周，
（／圆心位于－Ｘｄ－Ｘｄ′，Ｘｄ＋Ｘｄ′）２。其中，Ｘｄ′和ｊ
机的有功损耗之和，驱动力矩大于阻力矩，电机的转
子已完全依靠蒸汽力矩来旋转，转速升高，励磁开关则电机的运行尚处于断闸状态。若发电机误上电，
特性为无励磁的同步发电机非同期合闸，电机输出较小的有功功率而吸收大量的无功功率，Ｐｙｐ为正值，致使发电ＰＴ≈０，Ｐｙｉｎ２ δ的正负交替变化，ｂ随ｓ机输出的总有功功率Ｐ随δ波动，ＺＪ主要在图１的
可能在短时间内波动到第Ⅲ象第Ⅳ象限随δ波动，限。
主汽门开度大３．４ 发电机启动的中期或后期阶段（
而励磁开关闭合）
蒸汽力矩大于阻力矩，转速 此时主汽门开度大，
较高，励磁开关闭合。若发电机误上电，电机的运行
特性为有励磁的同步发电机非同期合闸，Ｐｙｐ为正值，Ｐｙｉｎ２ＰＴ随ｓｉｎδ的正 δ的正负交替变化，ｂ随ｓ
负交替变化。由于Ｐｙ二者叠加，ｂ及ＰＴ都产生波动，致使发电机总有功功率输出Ｐ、保护测量阻抗ＺＪ随
Ｘｄ分别为汽轮发电机的暂态电抗和同步电抗。
图３ 忽略Ｐｂ且发电机停机状态下误上电时ｙ
ＺＪ随ｓ的变化轨迹
ｅｎｅｒａｔｏｒＦｉ．３ ＶａｒｉａｔｉｏｎｔｒａｅｃｔｏｒｏｆＺｅｒｓｕｓｓｏｆ Ｊｖｇｇｊｙ
ｗｈｅｎｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｈａｅｎｓｄｕｒｉｎ ｇｇｐｐｇ ｓｈｕｔｄｏｗｎｓｔａｔｅｉｎｃａｓｅｏｆｎｅｌｅｃｔｉｎＰ－ ｂｇｇｙ
可见误上电后，转子转速上升、且Ｚｓ下降，Ｊ幅
值增大。再者，由于无励磁，只有剩磁，同步功率ＰＴ但有交变异步功率Ｐｙｉｎ２≈０， δ的正负交替变ｂ随ｓ化，平均异步功率Ｐｙ电机的总有功ｐ为负值。因此，功率Ｐ随δ波动，ＺＪ主要在图１的第Ⅲ象限随δ波动；而当δ为０及１时Ｐｙ此°０°８０°７０°～９～２ｂ为正值，时可能Ｐｙ正值）的幅值大于Ｐｙ负值）的幅值，致ｂ（ｐ（使总有功功率Ｐ＝Ｐｙｂ＋ＰＴ＝Ｐｂ在短时ｐ＋Ｐｙｙｐ＋Ｐｙ间内为正值，则ＺＪ可能在短时间内波动到第Ⅳ象限。ＺＸｄ′或其他某一点。ｊＪ不会停留在－
主汽门开度小而３．２ 发电机启动过程的前期阶段（励磁开关断闸）
进汽量约小于额 此时主汽门已打开但开度小，
定进汽量的５％，此时蒸汽的驱动功率小于电机有功损耗及汽轮机有功损耗的总和，即驱动力矩小于阻力矩，仅靠蒸汽力矩尚不能使转子转动起来，还需要电动盘车的外力协助才能使转子缓慢地旋转。此时若发电机误上电，电机自电网吸取有功功率，转速上升，又此时励磁开关仍处于断闸状态，电机自电网吸收无功功率，电机运行状态仍属于无励磁的同步电动机全电压异步启动，平均异步功率Ｐｙｐ为负值，可能会在短时ＺＪ主要在图１的第Ⅲ象限随δ波动，间内波动到第Ⅳ象限，这与上述３．１节的ＺＪ特性类似。
主汽门开度较３．３ 发电机启动的中期或后期阶段（
大而励磁开关断闸）
进汽量约大于额定进汽 此时主汽门开度增大，
量的５％，此时蒸汽的驱动力矩已大于电机及汽轮—１７８—
δ的波动比上述无励磁时的Ｐ和ＺＪ的波动要更加
剧烈。
若励磁较低，发电机发出有功功率、吸收无功功率，而短时间ＺＪ主要在图１的第Ⅳ象限随δ波动，内波动到第Ⅲ象限的概率更大；若励磁较高，发电机发出有功功率和无功功率，ＺＪ主要在图１的第Ⅰ象限随δ波动，而短时间内波动到第Ⅱ象限的概率更大。
３．５ 新型误上电保护框图原理
以扇形低阻抗为主判据之一的新型误上电保护框图如图４所示。
图４ 新型误上电保护框图
Ｆｉ．４ Ｂｌｏｃｋｄｉａｒａｍｏｆｎｏｖｅｌｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔ ｇｇ
ｅｎｅｒｉｚｉｎｒｏｔｅｃｔｉｏｎｇｇｐ
）过电流判据的整定值Ｉ０．１～０．２Ｉｓｅｔ为（ｎ。ｇ
若在机组停机、盘车或启动升速过程中而励磁开关Ｌ过电流判据及Ｋ尚处于断开情况下误上电，扇形低阻抗判据都动作，构成双重化保护，快速跳开断路器。在机组启动升速过程中而励磁开关ＬＫ处于合闸状态情况下，过电流判据被闭锁，若此时误上电，只有扇形低阻抗判据动作，快速跳开断路器。
附带指出，由许继电气股份有限公司生产的大
·研制与开发· 姚晴林，等 发电机误上电保护新型主判据研制
型发电机变压器组微机成套保护装置中，各主要保
护（包括纵差、横差、失磁、失步、低阻抗及误上电保所用的电流、电压都经过频率跟踪技术处理，护等）当电流、电压信号的测量频率偏离工频时，根据测量以保证电流、电压信号的计频率实时调整采样间隔，
算准确度。因为使用频率跟踪技术并非发电机误上电保护的独有特征，此处不再赘述。
某１个或某２个象限内波动都有可能。强调指出，
在发电机启动过程的中后期阶段，电机转速较高且机端励磁开关已闭合的状态下若发生误上电事故，阻抗Ｚ第Ⅱ象限内波动。因Ｊ在第Ⅰ象限或第Ⅰ、要求低阻抗型误上电保护的动作区应涵盖４个此，
象限且足够大，不应显著缩小第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅳ象限的动作区。本文图１所示的扇形低阻抗特性的误上
在Ｒ－电保护满足了这一要求且设计合理，Ｘ平面的既能保证发电机正常４个象限的动作区都足够大，
又能保证发电机在停机及并网时保护可靠不动作，
正常并网启动过程中的不同阶段任一时刻误上电时
保护都能高灵敏地动作。
４ 讨论
低阻抗型发电机误上电保护出口动作无延时或
因此，研究发电经０．１～０．２ｓ短延时跳开断路器，机误上电初始保护测量阻抗的工频量ＺＪ的特性是
关键所在。
误上电保护装设在机端，有一种观点（或资料）认为发电机误上电初始Ｚ这种观点并不Ｘｄ′，ｊＪ＝－ 全面。准确的描述是：只有当发电机处于停机状态即ｓ而且忽略了有功功率波＝１时发生误上电事故，误上电初始瞬间的Ｚ也就是动时，Ｘｄ′；ｊＪ才等于－ 说，当发电机在正常并网的启动过程中即转子已有时若误上电，即使忽略了Ｐ的波动，转速（０＜ｓ＜１）
误上电初始瞬间的ＺＸｄ′，而是Ｊ也不等于－ｊ 若计及了Ｐ的波动，则｜Ｚ′；Ｚ｜｜＞Ｘｄ｜更不等于ＪＪ
此外，功率Ｘｄ′；ＺＪ还与误上电初始的主汽门开度、角δ值、转子转速、励磁开关的断合闸状态，以及励磁电流大小诸因素有关。
综合前述３．可以得出以１节至３．４节的分析，
在发电机停机及正常并网启动过程的不同下结论：
阶段任一时刻，都有可能突发机组误上电事故，误上电初始保护测量阻抗ＺＸ平面４个象限中Ｊ位于Ｒ－
参考文献
［］陆于平，］史世文，李莉．大型发电机微机型误上电保护［电力１Ｊ．
（）：系统自动化，１９９５，１９７２５２９．－
，，ＬＹｕｉｎＳＨＩＳｈｉｗｅｎＩＬｉ．ＨｉｈｒａｔｉｎｅｒｒｏｒｅｎｅｒａｔｏｒＬＵ － －ｐｇｇｇｇ ［］，ｅｌｅｃｔｒｉｆＪ．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｓｔｅｍｓｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｙｙｐ （）：１９９５，１９７２５２９．－
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１９８３．
，姚晴林（男，教授，主要研究方向：电力系统继１９３１—）电保护。
，郭宝甫（男，硕士，高级工程师，主要研究方向：１９７３—）电力系统继电保护。
，陈海龙（男，通信作者，高级工程师，主要研究１９７５—）：方向：电力系统继电保护。Ｅ－ｍ．ｃｏｍａｉｌ１２４９５１４７０＠ｑｑ
（编辑 章黎）
ＡＮｏｖｅｌＭａｉｎＣｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒＧｅｎｅｒａｔｏｒＩｎａｄｖｅｒｔｅｎｔＥｎｅｒｉｚｉｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｇｇ
ＹＡＯ Ｑｉｎｌｉｎ，ＧＵＯ Ｂａｏｕ，ＣＨＥＮ ＨａｉｌｏｎＳＨＥＮ Ｙａｎｈｕａｇｆｇ，
，（）ＸＪＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．Ｌｔｄ．Ｘｕｃｈａｎ４６１０００，Ｃｈｉｎａ ｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｖｅｌｍａｉｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｅｎｅｒａｔｏｒｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｒｏｔｅｃｔｉｏｎｕｓｉｎｔｈｅｆａｎｓｈａｅｄｌｏｗｉｍｅｄａｎｃｅｒｉｎｃｉｌｅ － ｇｇｇｐｇｐｐｐｐ
ａｎｄｉｔｓｓｅｔｔｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｒｅｒｏｏｓｅｄ．Ｗｈｅｎｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｈａｅｎｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｅｒａｔｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｇｐｐｇｇｐｐｐｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｎｅｒａｔｏｒａｃｔｉｖｅｏｗｅｒａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｉｍｅｄａｎｃｅａｔｔｈｅｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｉｎｔａｒｅａｎａｌｚｅｄ．Ｉｔ ｇｐｇｐｐｐｙ ｃａｎｂｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｉｍｅｄａｎｃｅｍａｆｌｕｃｔｕａｔｅｉｎａｎｏｎｅｏｒｔｗｏｏｆｔｈｅｆｏｕｒｕａｄｒａｎｔｓｏｆｔｈｅＲ－Ｘｐｌａｎｅａｔｔｈｅ ｇｐｙｙｑ ｉｎｉｔｉａｌｅｎｅｒａｔｏｒｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎ．Ｔｈｅｉｎａｄｖｅｒｔｅｎｔｅｎｅｒｉｚｉｎｕｓｉｎｔｈｅｆａｎｓｈａｅｄｌｏｗ － ｇｐｇｇｇｇｇｐ ｉｍｅｄａｎｃｅｒｉｎｃｉｌｅｈａｓａｌａｒｅｅｎｏｕｈａｃｔｉｏｎａｒｅａｉｎｅａｃｈｏｆｔｈｅｆｏｕｒｕａｄｒａｎｔｓｏｆｔｈｅＲ－Ｘｐｌａｎｅ．Ｉｔｃａｎｎｏｔｏｎｌｒｅｌｉａｂｌ ｐｐｐｇｇｑｙｙ
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