淺析船用柴油發(fā)電機的保護措施,淺析,柴油,發(fā)電機,保護措施 山東交通學(xué)院本科生畢業(yè)論文 山東交通學(xué)院海運學(xué)院 淺析船用柴油發(fā)電機的保護措施 專 業(yè)　 輪機工程 屆 別　 20 屆 學(xué) 號　 姓 名　 指導(dǎo)教師　 山東交通學(xué)院海運學(xué)院 二○一四年六月 原 創(chuàng) 聲 明 本人劉合群鄭重聲明：所呈交的論文“淺析船用發(fā)電機的保護措施”，是本人在導(dǎo)師寧波的指導(dǎo)下開展研究工作所取得的成果。除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明，本人完全意識到本聲明的法律后果，尊重知識產(chǎn)權(quán)，并愿為此承擔(dān)一切法律責(zé)任。 論文作者(簽字)：XXX 日期： 2014 年 6月1日 摘 要 船用柴油發(fā)電機零件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大摘要：本篇文章主要針對船用柴油發(fā)電機在技術(shù)上的特點，進一步的分析研究了柴油機發(fā)生故障的原因，為了進一步的減少船用柴油發(fā)電機機械故障的發(fā)生提出了一些建議。柴油發(fā)電機作為船舶航行時的主要動力來源，在船舶設(shè)備中已經(jīng)占據(jù)了重要的位置，船舶航行時柴油發(fā)電機的運行狀態(tài)直接影響到船舶航行的安全。 關(guān)鍵詞：船用柴油發(fā)電機；輔機；故障分析 Abstract Marine diesel generator parts, complex structure, large volume Abstract: Thisarticle mainly for marine diesel generator in technology, further analysis of thecauses of diesel engine faults, in order to put forward some suggestions to further reduce the marine machinery fault occurrence of diesel generator. Diesel generator is the main power source when sailing ships, ship equipment hasoccupied an important position, ship diesel generator running state directly affects the safety of navigation. Keywords: marine diesel generator engine; fault analysis 目 錄 摘 要 3 Abstract 4 1.1. 故障報告 6 2. 解決措施 8 3. 船用發(fā)電機接地故障的保護措施 9 3.1. 發(fā)電機定子繞組單相接地的特點 11 3.2. 基波零序電壓原理的發(fā)電機定子繞組單相接地保護 13 4. 反映三次諧波的發(fā)電機定子繞組單相接地保護 15 4.1. 100%的定子接地保護 15 5. 發(fā)電機的單相接地保護整定實例 17 5.1. 基波零序過電壓保護 17 5.2. 三次諧波電壓比率接地保護 18 6. WFB-800A發(fā)電機定子接地保護裝置保護定值表1 19 7. 電機常見異常狀態(tài)及其危 20 參考文獻 25 致 謝 27 1.船用發(fā)電機內(nèi)部故障的報告與措施 1.1. 故障報告 假如柴油機發(fā)生故障，不能及時的進行維護和維修，就會延誤船舶航行時間，嚴(yán)重的還會造成船舶在航行過程中由于動力失能而發(fā)生沉船事故。隨著我國船用柴油發(fā)電機不斷向著自動化、大型化和多元化的方向發(fā)展，針對船用柴油發(fā)電機故障的診斷和維修能力也在不斷提高。原先船用的柴油機診斷主要依靠的是船上技術(shù)人員進行故障排查和監(jiān)測的方法，但是這樣的方法并不能滿足實際航行時的需要。所以，我們要定期對柴油發(fā)電機進行故障診斷，確保船舶能在規(guī)定的航期內(nèi)安全航行。一、船用柴油發(fā)電機的典型故障分析 在2004年上半年，晶瑩海號船上的多臺船用柴油發(fā)電機不斷出現(xiàn)連桿軸承抱瓦燒軸故障，后來經(jīng)過了維修，但是數(shù)據(jù)報告仍顯示損壞曲柄銷的橢圓度比較大，每一個缸的連桿上瓦露銅都比較嚴(yán)重。在船用柴油發(fā)電機中，有連桿抱瓦的現(xiàn)象出現(xiàn)，就要進行全面整修，并且要在船舶開航之前完成整修和試車工作。該船由于船期原因，3號柴油發(fā)電機的故障只能維持現(xiàn)狀，在短時期內(nèi)采用的是100h換連桿軸瓦的辦法，在返航靠港之后再對該柴油發(fā)電機進行全面系統(tǒng)的維護和整修。 　　在對1號柴油發(fā)電機進行維修過程中，由于透平工況不好，拆解后發(fā)現(xiàn)透平渦輪端雜質(zhì)很多，噴嘴環(huán)存在著不同程度的燒蝕，通過清潔處理之后效果有明顯的改變，排煙溫度也大大降低。為了進一步的找到該船用柴油發(fā)電機機械故障的原因，我們將會對航行中船舶的柴油發(fā)電機更換使用重油，按照說明書當(dāng)中30%負(fù)荷下應(yīng)換用輕油，而且要盡可能的減少柴油發(fā)電機在低負(fù)荷工況下運行。通過實際操作我們可以了解到柴油發(fā)電機在70%負(fù)荷工況下燃燒重油也沒有異?，F(xiàn)象發(fā)生，按照說明書當(dāng)中的規(guī)定要在停車前轉(zhuǎn)換至輕油并要運行30分鐘。在對連桿軸瓦進行檢查后發(fā)現(xiàn)也無露銅現(xiàn)象，但在再一次的啟動發(fā)電機之后，產(chǎn)生了游車現(xiàn)象，這時柴油發(fā)電機使用的還是輕油，在啟車過程中有個別的缸有爆燃現(xiàn)象，發(fā)出異響，但隨著負(fù)荷的增加該游車現(xiàn)象慢慢的消減了。初步判斷柴油機燃燒室內(nèi)燃油霧化效果不好，有個別缸不發(fā)火或者是間歇性發(fā)火，造成柴油機運行不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，冒黑煙。就是在這樣的情況下，爆燃導(dǎo)致曲柄銷受到強力的沖擊。曲軸瓦失去彈性，導(dǎo)致有漏銅現(xiàn)象發(fā)生。但是在船上實際采取的保護措施通常都是換曲軸瓦，但是長時間一來就會造成曲柄銷的橢圓度不好。 在2003年下半年，泰谷海號輪船經(jīng)常出現(xiàn)柴油機連桿主軸承發(fā)生損害的事故。其中一臺柴油發(fā)電機第四道主軸承出現(xiàn)了上瓦蓋開裂的現(xiàn)象，軸承瓦被燒蝕，另一臺柴油發(fā)電機第四道主軸承有抱瓦的現(xiàn)象，并且軸頸部被燒損。柴油機廠家工程技術(shù)人員到達船上后，機座和曲軸得到了及時的修理。該型號船用柴油發(fā)電機第四道主軸承的這種現(xiàn)象在別的地方也經(jīng)常發(fā)生，專業(yè)工程師介紹了機座軸承孔的具體加工工藝，在設(shè)計工藝上上瓦蓋安裝在機座上是沒有齒形定位的。所以，瓦蓋的安裝是十分重要的一個環(huán)節(jié)，在對機座和上瓦蓋之間的間隙進行測量的時候，左右間隙采用3絲為最佳的效果，不能大于5絲，但是在實際操作的過程中是難以控制這個數(shù)值的。機油在上瓦蓋進入，對主軸承進行潤滑。通過參考大量的實例，對這種類型的柴油發(fā)電機有了不同的看法和認(rèn)識。DAIHATSU 6DSD—22轉(zhuǎn)速是900rpm，發(fā)火的順序是1—2—4—6—5—3—1，單缸平衡。通過柴油機曲軸連桿機構(gòu)運動原理可以知道，這當(dāng)中的發(fā)火順序本身就存在著一些不足和缺陷。在柴油機曲軸連桿機構(gòu)中的不平衡力和力矩是引起柴油機振動的主要原因。 　 針對于多缸柴油機而言，柴油機中的離心力和1~2次往復(fù)慣性力矩不平衡。DAIHATSU 6DSD—22 使用的是多缸平衡的方法來平衡每一個曲柄的離心力，但是由于曲柄排列方式和發(fā)火順序的設(shè)計缺陷造成處于中間位置的第四道主軸承工作環(huán)境惡劣，振動交替變換，撓曲變形，在長時間的運行過程中就會產(chǎn)生疲勞，軸承瓦失去彈性的現(xiàn)象就比較嚴(yán)重，倘若遇到負(fù)荷突變的情況，主軸承瓦油膜將會受到嚴(yán)重的破壞，造成干磨現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重的時候還會發(fā)生燒瓦抱軸，在高速運動的過程中，摩擦和振動之后產(chǎn)生的大量熱量將會導(dǎo)致機座和曲軸遭到破壞。船舶監(jiān)控使用的手段畢竟是有限的，要盡最大的努力控制好船舶上使用的機油的質(zhì)量，定期進行檢查，及時的處理柴油發(fā)電機出現(xiàn)的前期機械故障問題。 電機的內(nèi)部故障是電機中常見的破壞性很強的故障。為了預(yù)測故障的破壞程度、設(shè)計機組的內(nèi)部短路保護方案以減輕故障損害，都需要對繞組故障時的運行狀態(tài)做詳細(xì)的分析。 2. 解決措施 運用多回路方法，已經(jīng)基本解決了同步電機內(nèi)部故障的穩(wěn)態(tài)分析問題，但對故障的暫態(tài)研究，以前還僅限于單機空載的情況。本文改進了原來的多回路數(shù)學(xué)模型中對定子回路的選擇，不僅可對發(fā)電機機端各種外部短路故障和單機空載下的各種定子內(nèi)部故障進行暫態(tài)過程的仿真，還實現(xiàn)了負(fù)載時內(nèi)部各種故障的暫態(tài)仿真。本文以矢量磁位和回路電流為求解變量，把電機的電磁場方程與反映繞組聯(lián)接情況的電路方程聯(lián)立起來同時求解，提出了發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障的瞬態(tài)電磁場與多回路耦合的數(shù)學(xué)模型。該模型不僅能考慮繞組的分布與聯(lián)接方式、故障的空間位置、氣隙磁場的空間諧波，還能細(xì)致地考慮磁極形狀、鐵芯的飽和和渦流等因素。本文對一臺4極、12kW凸極同步發(fā)電機，在單機空載和機端帶電阻負(fù)載的運行狀態(tài)下，進行了機端外部短路和多種典型內(nèi)部故障的實驗，并用兩種數(shù)學(xué)模型做了相應(yīng)的仿真計算。結(jié)果表明，多回路數(shù)學(xué)模型在電機飽和不嚴(yán)重的情況下，暫態(tài)仿真結(jié)果與實驗結(jié)果大致吻合，雖然有時非故障分支電流與實驗結(jié)果的差異比較大，但基波分量還比較準(zhǔn)確，基本可以滿足保護方案的靈敏度校驗等工程需要。而場路耦合數(shù)學(xué)模型對于正常運行及各種故障，定子所有支路試驗電機的電子繞組連接圖 流及勵磁電流的仿真結(jié)果都與實驗吻合得更好，尤其是在飽和情況下能得到比較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。本文用場路耦合數(shù)學(xué)模型，計算了不同極數(shù)的同步發(fā)電機在聯(lián)網(wǎng)負(fù)載運行狀態(tài)下的單支路開焊故障。仿真表明，一對極、每相2分支的隱極同步發(fā)電機發(fā)生單支路開焊故障時，定子繞組內(nèi)部會產(chǎn)生很大的環(huán)流，可能使繞組燒毀。對這種汽輪發(fā)電機特有的現(xiàn)象，本文給出了物理解釋。隨著電機容量的增大，對發(fā)電機內(nèi)部故障保護提出了更高的要求。本文摒棄了以往憑概念、經(jīng)驗和傳統(tǒng)習(xí)慣的做法，在對發(fā)電機內(nèi)部故障進行準(zhǔn)確計算和保護方案靈敏度校驗的基礎(chǔ)上，以惡灘水電站150MW發(fā)電機為例，按照“優(yōu)勢互補、綜合利用”的原則，用新的設(shè)計思路確定了發(fā)電機內(nèi)部故障主保護的配置方案，對可能發(fā)生的發(fā)電機內(nèi)部故障實現(xiàn)了最大范圍的保護。 1、對機油過濾器及時的進行清理，假如有異物出現(xiàn)，例如脫鉛等，要立即停止并進行詳細(xì)檢查，盡最大的努力將柴油發(fā)電機發(fā)生機械故障的幾率降到最低； 2、定期進行檢查，并隨時對柴油發(fā)電機的機油量進行檢查，及時更換機油，確保機油過濾器的正常運行； 3、定期對柴油機的拐檔差進行檢查測量和分析研究，并且形成一種連續(xù)和不間斷性的數(shù)據(jù)信息化檢查的方法； 4、用塞尺對機座和瓦蓋之間的縫隙進行測量，看是否達到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。 總結(jié)： 　　 綜上所述，為了確保船用柴油發(fā)電機故障的及時排除，我們要結(jié)合不同型號的輔機之間的性能，確保柴油發(fā)電機故障不會傷到曲軸，以免為維修帶來不必要的難度和高額的費用，我們要正確的進行維護和管理，只有這樣做才可以在一定程度上有效的減少柴油發(fā)電機機械故障的產(chǎn)生。 3. 船用發(fā)電機接地故障的保護措施 船用發(fā)電機接地保護是我國在建、改建的配電系統(tǒng)亟待解決的重要課題。但由于故障殘流小、故障電弧及干擾影響等原因,現(xiàn)有方法在實際運行中選線正確率很低。Powerformer是一種高壓發(fā)電機,其中性點廣泛采用經(jīng)高電阻接地方式或經(jīng)消弧線圈接地方式,也屬于非有效接地電網(wǎng)。Powerformer的內(nèi)部故障機理及選擇性定子單相接地保護研究,是目前鮮有報道的保護領(lǐng)域最新研究方向,需要深入研究。船用發(fā)電機接地保護中,各種故障保護方法所獲取的信息或多或少地受到系統(tǒng)參數(shù)變化、干擾等因素的影響,具有一定的模糊性。為建立樣本對于類別的模糊描述,更客觀地反映樣本數(shù)據(jù)的模糊特征,論文第三章提出了一種基于模糊聚類分析的饋線接地保護方法。首先,采用模糊C均值聚類分析方法,采用不同屬性的故障特征量,以4種基于穩(wěn)態(tài)的保護方法和3種基于暫態(tài)的保護方法提取出的多源信息為指標(biāo),將歷史數(shù)據(jù)分成故障類和非故障類；然后,根據(jù)各聚類中心與待測樣本的空間相對距離識別出待測樣本的故障類別,從而實現(xiàn)感知到認(rèn)知的過程,完成保護判斷。仿真分析驗證了該方法的有效性和可行性,同時表明干擾、系統(tǒng)運行方式和過渡電阻等因素對該方案影響很小。為提高船用發(fā)電機接地保護方法的魯棒性和精度,選取5個故障特征量作為故障選線的判別因子,建立距離判別分析模型,并利用回代估計法對距離判別分析模型進行檢驗。 通過配電網(wǎng)單一保護單元內(nèi)部不同選線方法在不同歷史時段所呈現(xiàn)出的特性不同,構(gòu)建面向單一保護單元的選線方法,實現(xiàn)感知到認(rèn)知的過程,完成選線判斷。研究結(jié)果表明,經(jīng)過訓(xùn)練后的判別分析模型誤判率較低。利用該模型對待測樣本數(shù)據(jù)進行測試,測試結(jié)果與實際情況吻合,驗證了該接地故障選線方法的高效性和實用性。高壓發(fā)電機在系統(tǒng)中處于重要地位,其定子繞組單相接地故障保護需可靠靈敏以及具有100%的保護范圍,對于并列運行的多臺高壓發(fā)電機,需具備選擇性。定子單相接地故障前后Powerformer機端零序電流基波分量和三次諧波故障分量的變化特征。通過比較各高壓發(fā)電機零序電流的大小和能量判斷單相接地點是否在本發(fā)電機定子繞組內(nèi)部。給出了不同接地點和不同過渡電阻情況下的仿真結(jié)果,仿真分析結(jié)果表明：該保護方案可實現(xiàn)100%定子接地保護,能可靠地識別出發(fā)電機內(nèi)部、外部的定子接地故障,判斷故障發(fā)電機。該方案構(gòu)成原理較簡單,具有魯棒性強,精度高等特點。對于一個具有若干臺機組的大型電廠,所用發(fā)電機組會通過廠內(nèi)的公共母線進行功率匯集,再向系統(tǒng)統(tǒng)一供電。針對并列運行發(fā)電機組的選擇性定子繞組單相接地保護問題,高壓發(fā)電機內(nèi)部故障仿真模型,分析了高壓發(fā)電機發(fā)生定子繞組單相接地故障時的電氣特性,利用故障發(fā)電機與非故障發(fā)電機零序功率方向不同的特點來實現(xiàn)有選擇性的保護。利用零序功率的基波分量和三次諧波故障分量共同判斷單相接地點是否在本發(fā)電機定子繞組內(nèi)部,實現(xiàn)100%定子接地保護。給出三種運行狀態(tài)(正常運行、外部故障、內(nèi)部故障)的仿真結(jié)果。理論分析和仿真結(jié)果表明,該保護原理不僅能有效檢測接地故障,還可較好地區(qū)分故障發(fā)電機與非故障發(fā)電機。 根據(jù)安全的要求發(fā)電機的外殼都是接地的，因此，定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍。當(dāng)接地電流比較大，能在故障點引起電弧時，將使繞組的絕緣和定子鐵心燒壞，并且也容易發(fā)展成相間故障，造成更大的危害。我國規(guī)定，當(dāng)接地電容電流等于或大于5A時，應(yīng)裝設(shè)動作于跳閘的接地保護，當(dāng)接地電容電流小于5A時，一般裝設(shè)作用于信號的接地保護。 3.1. 發(fā)電機定子繞組單相接地的特點 現(xiàn)代的發(fā)電機，其中性點都是不接地或經(jīng)消弧線圈接地的，因此，當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，流經(jīng)接地點的電流仍為發(fā)電機所在電壓網(wǎng)絡(luò)（即與發(fā)電機有直接電聯(lián)系的各元件）對地電容電流之總和，而不同之處在于故障點的零序電壓將隨發(fā)電機內(nèi)部接地點的位置而改變。 UA UB UC 3I0 U0 圖1發(fā)電機定子繞組單相接地故障電壓電流分布 如圖1：假設(shè)A相接地發(fā)生在定子繞組距中心點處，表示由中心點到故障點的繞組占全部繞組匝數(shù)的百分?jǐn)?shù)，則故障點各相電勢為而各相對地電壓分別為： 因此，故障點的零序電壓為 上式表明，故障點的零序電壓等于故障相的電勢，再反一個方向，但是前面要乘一個，說明發(fā)電機定子繞組單相接地時，故障點的零序電壓將隨著故障點位置的不同而改變。同樣我們也可以求出發(fā)電機的零序電容電流和網(wǎng)絡(luò)的零序電容電流分別為 則故障點總的接地電流即為 當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，實際上無法直接獲得故障點的零序電壓，而只能借助于機端的電壓互感器來進行測量。機端各相的對地電壓分別為 由此可求得機端的零序電壓為 由于取得了零序電流和零序電壓，因此我們可以利用零序電流構(gòu)成定子接地保護，也可以利用零序電壓構(gòu)成定子接地保護。但是無論是零序電流和零序電壓的接地保護，對定子繞組都不能達到100%的保護范圍。這對于大容量的機組而言，由于振動較大而產(chǎn)生的機械損傷或發(fā)生漏水等原因，都可能使靠近中性點附近的繞組發(fā)生接地故障。如果這種故障不能及時發(fā)現(xiàn)或消除，則一種可能是進一步發(fā)展成匝間或相間短路；另一種可能是如果又在其它地點發(fā)生接地，則形成兩點接地短路。這兩種結(jié)果都會造成發(fā)電機的嚴(yán)重?fù)p壞，因此，對大型發(fā)電機組，特別是定子繞組用水內(nèi)冷的機組，應(yīng)裝設(shè)能反應(yīng)100%定子繞組的接地保護，100%定子接地保護裝置一般由兩部分組成，即是利用三次諧波電壓和基波零序電壓配合工作。其中三次諧波電壓構(gòu)成的接地保護可以反應(yīng)發(fā)電機繞組中＜50%范圍以內(nèi)的單相接地故障，且當(dāng)故障點接近于中性點時，保護的靈敏性越高；而利用基波零序電壓構(gòu)成的接地保護，則可以反應(yīng)＞15%以上范圍的單相接地故障，且當(dāng)故障點越接近于發(fā)電機出線端時，保護的靈敏性越高。因此，利用三次諧波電壓比值和基波零序電壓的組合，構(gòu)成了100%的定子接地保護。定子接地保護邏輯框圖。邏輯框圖見圖2。 圖2定子接地保護邏輯框圖 3.2. 基波零序電壓原理的發(fā)電機定子繞組單相接地保護 保護反應(yīng)發(fā)生單相接地故障的零序電壓分量。對微機保護來說，主要是采取措施擴大它的保護范圍。為此，采取的措施是用高壓側(cè)零序電壓閉鎖和加強三次諧波的濾波效果。保護的構(gòu)成方案如圖3所示。 Un0 Us0 Ut0 三次諧波濾過器 三次諧波濾過器 與門 與門 或門 延時 跳閘或 發(fā)信 圖3發(fā)電機定子繞組單相接地保護原理圖 圖3中，為發(fā)電機中性點電壓互感器的零序電壓；為機端電壓互感器的零序電壓；為主變高壓側(cè)電壓互感器零序電壓。在軟件中，每一個零序電壓分量是否投入使用，均由控制字選擇。當(dāng)系統(tǒng)中有中性點PT時，可將與構(gòu)成與門關(guān)系。這樣可防止機端電壓互感器一次側(cè)發(fā)生斷線時造成的保護誤動。在不具備中性點PT時，可退出此功能，機端零序電壓和中性點零序電壓均可單獨出口。為提高保護的靈敏度，采用高壓側(cè)零序電壓閉鎖。 4. 反映三次諧波的發(fā)電機定子繞組單相接地保護 保護（反應(yīng)機端與中性點三次諧波電壓比的保護）的動作判據(jù)為： 理論分析表明，發(fā)電機正常與系統(tǒng)并列運行時，無論發(fā)電機中性點是否接有消弧線圈，總有機端三次諧波電壓小于中性點的三次諧波電壓，而當(dāng)發(fā)電機定子繞組靠近中性點的50%范圍內(nèi)發(fā)生金屬性接地故障時，機端三次諧波電壓大于于中性點的三次諧波電壓，判椐滿足。但在實際上，由于多種因素的影響，例如機端電壓互感器飽和的影響、發(fā)電機所帶負(fù)荷的影響、升壓變壓器高壓繞組三次諧波電勢的影響等，造成正常運行時就是的關(guān)系。發(fā)電機正常運行機端和中性點三次諧波電壓的比值最大達到1.95倍。因此，采用這種方案構(gòu)成保護時，必須提高定值門檻。這就勢比影響保護的靈敏度和保護范圍。 4.1. 100%的定子接地保護 1、基波零序過電壓保護的整定 該保護的動作電壓Uop應(yīng)按躲過正常運行時中性點單相電壓互感器或機端三相電壓互感器開口三角繞組的最大不平衡電壓Uunb.max整定，即 Uop＝KrelUunb.max 式中： Krel——可靠系數(shù)，取1.2～1.3。 Uunb.max 為實測不平衡電壓，其中含有大量三次諧波。為了減小Uop，可以增設(shè)三次諧波阻波環(huán)節(jié)，使Uunb.max主要是很小的基波零序電壓，大大提高靈敏度，此時Uop≥5V，保護死區(qū)≥5%。 應(yīng)校核系統(tǒng)高壓側(cè)接地短路時，通過升壓變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容CM傳遞到發(fā)電機側(cè)的零序電壓Ug0大小，傳遞電壓計算用近似簡化電路，見圖4。 圖4傳遞電壓計算用近似簡化電路 圖4中，E0為系統(tǒng)側(cè)接地短路時產(chǎn)生的基波零序電動勢，由系統(tǒng)實際情況確定，一般可取 ，UHn為系統(tǒng)額定線電壓。CgΣ為發(fā)電機及機端外接元件每相對地總電容。CM為主變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容。Zn為3倍發(fā)電機中性點對地基波阻抗。 Ug0可能引起基波零序過電壓保護誤動作。因此，應(yīng)從動作電壓整定值及延時兩方面與系統(tǒng)接地保護配合。 2、三次諧波電壓單相接地保護的整定 對于100MW及以上的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)無動作死區(qū)(100%動作區(qū))單相接地保護。一種保護方案是基波零序過電壓保護與三次諧波電壓保護共同組成100%單相接地保護。 電壓互感器變比為： 機端 TV ； 中性點TV ； 如發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈或配電變壓器接地，保護裝置應(yīng)具有調(diào)平衡功能，否則應(yīng)增設(shè)中間電壓互感器。 設(shè)機端和中性點三次諧波電壓各為 和 ，三次諧波電壓單相接地保護可采用以下兩種原理： 實測發(fā)電機正常運行時的最大三次諧波電壓比值設(shè)為a0，則取閾值a＝(1.05～1.15)a0。根據(jù)發(fā)電機定子繞組對地電容和中性點對地三次諧波阻抗的大小，見圖5，可計算a0。a0可能小于或大于1.0。 E3—發(fā)電機三次諧波相電動勢；EH3—系統(tǒng)高壓側(cè)三次諧波相電動勢；Zn—發(fā)電機中性點對地三次諧波感抗或電阻的三倍；C1—發(fā)電機每相對地電容之半；C2—機端外接元件每相對地總電容；CM—主變壓器高低壓繞組間每相耦合電容 圖5發(fā)電機三次諧波電壓分析計算用等值電路 5. 發(fā)電機的單相接地保護整定實例 已知條件：保護采用 ，發(fā)電機額定容量為135MW，額定功率因數(shù)0.85，額定電壓13.8KV。 主變高壓側(cè)開口角電壓變比: 220:√3/0.1:√3/0.1:√3/0.1 KV； 機端開口三角零序電壓TV變比: 13.8:√3/0.1:√3/0.1:3 KV； 發(fā)電機中性點零序電壓TV變比: 13.8:√3/0.1 KV。 5.1. 基波零序過電壓保護 基波零序電壓保護發(fā)電機85%～90%的定子繞組單相接地.由于中性點單相電壓互感器不接熔斷器,而機端三相電壓互感器必須接熔斷器,所以基波零序過電壓保護靈敏段取中性點零序電壓,Uop應(yīng)按躲過正常運行方式下中性點單相電壓互感器的最大不平衡電壓Uunb.max整定靈敏段： Uop=Krel·Uunb.max 式中Krel可靠系數(shù)取1.3； Uunb.max為中性點實測不平衡基波零序電壓。 廠家建議Uop=20～30V ； 高端值取Uop=30V ，保護時限取top=1s； 低端值取Uop=10V ， 保護時限取top=5s。 5.2. 三次諧波電壓比率接地保護 三次諧波電壓比率判據(jù)只保護發(fā)電機中性點25%左右的定子接地. 1、暫時整定值: a=Krel×3×/=1.5×3×79.67/239 =1.5。 實測發(fā)電機并網(wǎng)前最大三次諧波電壓比值為a1； 并網(wǎng)前比率定值：(1.3～1.5)×a1 實測發(fā)電機并網(wǎng)后運行時最大三次諧波電壓比值為a2 并網(wǎng)后比率定值:(1.3～1.5)×a2 式中: Krel可靠系數(shù)取1.5； 為機端開口三角零序電壓TV變比，13.8:√3/0.1:3=239 KV； 為機端中性點零序電壓TV變比13.8:√3/0.1KV=79.67（中性點變壓器）。 該計算值不能作為最終的整定值.在最終整定時,并網(wǎng)前后都必須經(jīng)過實測。 2、實際修正值 待機組正常運行后根據(jù)實測值進行修正計算。 a=2.294/2.765=0.83 實測發(fā)電機正常運行時的最大三次諧波電壓比值設(shè)為a0， 根據(jù)實測值修正整定值，即a＝1.5×0.83=1.2。 6. WFB-800A發(fā)電機定子接地保護裝置保護定值表1 發(fā)電機定子接地保護定值 1 基波零序低值投退 0，1 1：投入 2 基波零序高值投退 0，1 1：投入 3 三次諧波方案一投退 0，1 1：投入，出口發(fā)信。 4 三次諧波方案二投退 0，1 0：退出； 5 20Hz電源消失投退 0，1 0：退出； 6 20Hz接地高定值投退 0，1 0：退出； 7 20Hz接地低定值投退 0，1 0：退出； 8 零序電流定子接地投退 0，1 0：退出； 9 零序電壓選擇 0，1 1：機端 10 基波零序電壓低值 1.00V～50.00V 10V 11 基波零序電壓低值延時 0.10s～100.00s 5s出口停 12 基波零序電壓高值 1.00V～50.00V 30V 13 基波零序電壓高值延時 0.10s～100.00s 1S 14 并網(wǎng)前諧波比系數(shù) 0.50～10.00 1.5 15 并網(wǎng)后諧波比系數(shù) 0.50～10.00 1.2 7. 電機常見異常狀態(tài)及其危 隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，發(fā)電機單機容量的不斷增加，大型發(fā)電機組在電力系統(tǒng)中越來越重要。人們對發(fā)電機的可靠性、安全性要求越來越高。發(fā)電機的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著極其重要的作用。但是較之故障，異常運行狀態(tài)發(fā)生的機率更大，比如定子繞組過負(fù)荷、發(fā)電機失磁、失步，發(fā)電機逆功率運行，非全相運行等。這些威脅同樣不容忽視，所以研究大型發(fā)電機的異常運行及保護是很有必要的。由于大型發(fā)電機多采用三相分相操作主開關(guān)，非全相運行已成為發(fā)電廠電氣運行的重點防止對象。本文針對大型發(fā)電機非全相運行進行了分析研究，采用對稱分量法得出了各相電流、各序電流及相序電流間的關(guān)系，并用MATLAB軟件進行了仿真，驗證了理論分析的結(jié)果。同時，就發(fā)電機組非全相保護存在的問題提出了改進方案，并給出了發(fā)電廠發(fā)生非全相運行故障時的一些處理方法： 1、低勵磁或失磁? 對于容量在100MW以下不允許失磁運行的發(fā)電機，當(dāng)采用直流勵磁機時，應(yīng)在滅磁開關(guān)斷開時同時斷開發(fā)電機斷路器。容量在100MW以上的發(fā)電機也應(yīng)裝設(shè)失磁保護。對于水輪發(fā)電機，保護動作于解列滅磁；對于汽輪發(fā)電機，保護動作于減出力，以便縮短異步運行時間盡快恢復(fù)同步運行，在不允許繼續(xù)異步運行或失磁后母線電壓低于允許值時，保護動作于解列滅磁。 2、定子過電流或過負(fù)荷保護? 在定子繞組、勵磁繞組上應(yīng)裝設(shè)定時限和反時限過負(fù)荷保護。定時限過負(fù)荷保護動作于信號或自動減負(fù)荷、降低勵磁電流。反時限過負(fù)荷保護動作于解列或程序跳閘、解列滅磁。 逆功率保護 對于容量在200MW及以上的汽輪發(fā)電機，宜裝設(shè)逆功率保護。保護帶時限動作于信號，經(jīng)長時限動作于解列。 以上所述的解列滅磁，是指斷開發(fā)電機斷路器，汽輪機甩負(fù)荷。減出力，是指將原動機出力減到給定值。程序跳閘，對汽輪發(fā)電機來說，是指首先關(guān)閉主汽門，待逆功率繼電器動作后，再跳開發(fā)電機斷路器并滅磁。對水輪發(fā)電機，是指首先將導(dǎo)水翼關(guān)到空載位置，再跳開發(fā)電機斷路器滅磁。 4、發(fā)電機失步保護 對于容量在300MW及以上的發(fā)電機，需裝設(shè)失步保護,保護動作于信號或解列。若發(fā)生失步現(xiàn)象, 應(yīng)盡快創(chuàng)造恢復(fù)同期的條件, 一般可采取增加發(fā)電機的勵磁,或減少該失步電機的有功出力,進而將其牽入同步。動減負(fù)荷、降低勵磁電流。反時限過負(fù)荷保護動作于解列或程序跳閘、解列滅磁。逆功率保護 對于容量在200MW及以上的汽輪發(fā)電機，宜裝設(shè)逆功率保護。保護帶時限動作于信號，經(jīng)長時限動作于解列。 以上所述的解列滅磁，是指斷開發(fā)電機斷路器，汽輪機甩負(fù)荷。減出力，是指將原動機出力減到給定值。程序跳閘，對汽輪發(fā)電機來說，是指首先關(guān)閉主汽門，待逆功率繼電器動作后，再跳開發(fā)電機斷路器并滅磁。對水輪發(fā)電機，是指首先將導(dǎo)水翼關(guān)到空載位置，再跳開發(fā)電機斷路器滅磁。 5、非全相運行保護 發(fā)電機變壓器組的非全相運行故障，大多數(shù)發(fā)生在機組解列、并列的操作過程中，正確地進行機組解列或并列的操作是大幅度地減少因負(fù)序電流燒損發(fā)電機轉(zhuǎn)子的簡單而有效的措施。因此只要遵循保持發(fā)電機勵磁、穩(wěn)定機組轉(zhuǎn)速、減少機組出力、控制定子電流的原則，嚴(yán)格按照合理順序進行操作和調(diào)整，完全可以把負(fù)序電流控制在允許的范圍之內(nèi)。 由于現(xiàn)在大型發(fā)電機多采用三相分相操作主開關(guān)，非全相運行已成為發(fā)電廠電氣運行的重點防止對象。所以在下面的章節(jié)中我將重點分析發(fā)電機非全相運行及其相應(yīng)的保護措施。 非全相運行時，由于發(fā)電機組接線方式、主變接地方式、斷相形式、導(dǎo)致原因不同，非全相運行時的故障特征是不同的，所以對非全相運行進行合理有效的分類是分析研究的前提。非全相運行一般采用對稱分量法來分析計算。 對稱分量法是一種線性變換，利用它可將任意一組不對稱的三相電流(或電壓)分解成正序、負(fù)序和零序三組三相對稱的電流(或電壓)，這三組各自獨立的對稱電流(或電壓)就稱為不對稱電流(或電壓)的對稱分量，每組對稱分量的三相之間都有大小相等、彼此間相位差相等的關(guān)系。電流或電壓的相序、大小關(guān)系是機組非全相運行時的重要故障信息，這些量的提取與判斷，對于保護機組與系統(tǒng)的運行安全有著非常重要的意義。 經(jīng)過幾年的校際流傳，在Little的推動下，由Little、Moler、Steve Bangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市場。從那時起，MATLAB的核心采用C語言編寫，而且除原有的數(shù)值計算功能外，還新增了數(shù)據(jù)圖視功能。它集數(shù)值分析、矩陣計算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。 MATLAB的推出得到了各個領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注，其強大的擴展功能為各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。MATLAB系統(tǒng)的基本部分主要包括：工作環(huán)境、圖形處理系統(tǒng)、動態(tài)系統(tǒng)仿真環(huán)境Simulink、工具箱及模塊庫等?，F(xiàn)在，MATLAB不僅僅是一個“矩陣實驗室”，她已經(jīng)發(fā)展為適合多科學(xué)的、功能強大的大型軟件，成為高級課程的基本教學(xué)工具。如MATLAB可以做以下各種分析、運算:1、微積分：微分、積分、求時限、泰勒展開、級數(shù)求和。2、代數(shù)：求逆、特征值、行列式、代數(shù)方程解的簡化、數(shù)學(xué)表達式的指定精度求值。3、數(shù)值分析：插值與擬合、數(shù)值微分與積分、函數(shù)逼近、代數(shù)方程和微分方程的數(shù)值解和符號解。4、統(tǒng)計計算：均值、方差、概率、參數(shù)估計、假設(shè)檢驗、相關(guān)性和回歸分析、統(tǒng)計繪圖、隨機數(shù)產(chǎn)生器等。5、優(yōu)化問題的求解：線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等問題的求解。6、動態(tài)系統(tǒng)模擬仿真等。 它已成為工科大學(xué)生、碩士生和博士生所必須掌握的基本技能。同時，MATLAB也被研究單位和工業(yè)部門廣泛應(yīng)用，使科學(xué)研究和解決具體各種問題的效率大大提高。被稱為第四代計算機語言的MATLAB，之所以能如此迅速地普及，顯示出如此而旺盛的生命力，是由于他有著不同于其他語言的特點，它使人們無須直接對計算機硬件資源進行操作，利用其豐富的函數(shù)資源，將編程人員從煩瑣的程序代碼中解放出來。MATLAB最突出的特點就是簡潔，它用更直觀的、符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C語言和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。下面簡單介紹一下MATLAB的主要特點。 1、簡潔靈活的語言風(fēng)格 語言十分簡單，使用靈活方便，書寫形式自由，具有“草稿紙”功能。如果任務(wù)不是太多，那么可以在命令窗口中按照自己的思路直接寫入命令，并且可以即時看到結(jié)果。 2、方便的數(shù)值運算 在MATLAB環(huán)境中，有超過500種的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計、科學(xué)及工程方面的函數(shù)可使用，函數(shù)的標(biāo)識自然，使得問題和解答像計算機式子一般的簡單、明了，讓使用者可全力發(fā)揮在解題方面，而非浪費在計算機操作上。 簡述發(fā)電機非全相運行的起因 造成發(fā)電機組非全相運行事故的原因主要有高壓斷路器故障、未裝設(shè)發(fā)電機出口斷路器、非全相保護或失靈保護拒動、運行人員操作不當(dāng)?shù)龋韵戮途唧w情況進行闡述： 1、斷路器故障 斷路器故障包括操動機構(gòu)故障、斷路器本體故障和斷路器二次回路故障。我國220kV及以上電壓4 等級斷路器，由于產(chǎn)品自身問題，檢修工藝問題，發(fā)現(xiàn)、消除缺陷不及時等方面的原因，造成發(fā)電機組非全相運行事故經(jīng)常發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計在(1990～1999)年間，220kV電壓等級SF6斷路器設(shè)備中，因拒分、拒合、誤動等造成的事故共發(fā)生54起。 未裝設(shè)發(fā)電機出口斷路器 發(fā)電機裝設(shè)出口斷路器(GCB)，可使運行方式靈活，GCB與發(fā)變組高壓側(cè)斷路器相互配合可縮短事故時間，對發(fā)電機進行更為有效的保護。但由于目前國內(nèi)GCB在制造技術(shù)、工藝上的原因，尚不能實現(xiàn)與封閉母線安裝一體化，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時國外的GCB性能雖然比較穩(wěn)定，但價格很高，這就在技術(shù)和經(jīng)濟上限制了GCB在我國大容量機組上的普遍使用。由于很多電廠沒有裝設(shè)發(fā)電機出口斷路器，所以增加了因非全相運行時間過長而導(dǎo)致事故的機率。 失靈保護誤動或拒動 九十年代初，開始采用斷路器非全相啟動失靈保護裝置，即一旦出現(xiàn)發(fā)變組高壓側(cè)斷路器由于某種原因引起的非全相運行，首先跳開該斷路器的健全相，跳閘不成則啟動失靈保護，經(jīng)延時作用將位于同一母線上其它所有電源切斷，從而保證機組的安全。但是失靈保護動作正確率較低，所以我國發(fā)生過多起因失靈保護誤動或拒動而導(dǎo)致非全相事故擴大。 4、運行人員操作不當(dāng) 為防止機構(gòu)失靈，運行人員要對機構(gòu)內(nèi)傳動軸、鎖釘定期潤滑，以保證其傳動部分的靈活性。同時應(yīng)保證機構(gòu)箱門處于嚴(yán)密關(guān)閉狀態(tài)，防止線圈受潮，機構(gòu)靈件銹蝕。這就要求工作人員在正常巡回檢查時，留意空氣、SF6壓力和電力設(shè)備本身狀態(tài)情況，而且要加強對主開關(guān)的定期維護，壓縮空氣儲氣罐放水、加熱器投退等工作檢查，保證設(shè)備的正常進行。開關(guān)操作本體處應(yīng)該設(shè)專人監(jiān)控，如遇三相開關(guān)未全合上，則要通知遠(yuǎn)方將開關(guān)跳開，然后運行人員實施檢查。開關(guān)斷開后（包括手動跳開、保護跳開），應(yīng)對開關(guān)跳合閘線圈進行檢查，對機構(gòu)拉桿進行檢查。以上這些操作細(xì)節(jié)很大的決定了非全相發(fā)生的機率以及事故所造成的破壞程度。 參考文獻 1 王濤;肖建;李冀昆;;感應(yīng)電機非線性反饋補償控制[J];電機與控制學(xué)報;2013年05期 2 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在這篇畢業(yè)論文即將結(jié)束之際，首先我要感謝袁蓉教授，您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，視野廣闊，為我營造了一種良好的學(xué)習(xí)氛圍。置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了明確的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多待人接物與為人處事的道理。您嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，正是由于您在百忙之中多次審閱全文，對細(xì)節(jié)進行修改，并為本文的撰寫提供了許多寶貴的意見，本文才得以成型，這才讓我的大學(xué)生活畫上了圓滿的句號。 在本論文的寫作過程中，我的導(dǎo)師傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)、循循善誘。在此我表示衷心感謝。同時我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。 寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始。 從論文選題到搜集資料，從寫稿到反復(fù)修改，期間經(jīng)歷了喜悅、聒噪、痛苦和彷徨。在寫作論文的過程中心情是如此復(fù)雜。如今，伴隨著這篇畢業(yè)論文的最終成稿，復(fù)雜的心情煙消云散，自己甚至還有一點成就感。這篇畢業(yè)論文的就是我的舞臺，以下的言語便是有點成就感后在舞臺上發(fā)表的發(fā)自肺腑的誠摯謝意與感想： 我要感謝，非常感謝我的導(dǎo)師。老師為人隨和熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心。在閑聊中老師總是能像知心朋友一樣鼓勵你，在論文的寫作和措辭等方面老師也總會以“專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”嚴(yán)格要求你。從選題、定題開始，一直到最后論文的反復(fù)修改、潤色老師始終認(rèn)真負(fù)責(zé)地給予我深刻而細(xì)致地指導(dǎo)，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。正是老師的無私幫助與熱忱鼓勵，我的畢業(yè)論文才能夠得以順利完成。謝謝老師。 我要感謝，非常感謝我的學(xué)長。正在撰寫碩士研究生畢業(yè)論文的他，在百忙之中抽出時間幫助我搜集文獻資料，幫助我理清論文寫作思路，對我的論文提出了諸多寶貴的意見和建議。對學(xué)長的幫助表示真摯的感謝。 我要感謝，非常感謝我隔壁宿舍的舍友們。他們?yōu)槲姨峁┝藢懽髡撐牡闹匾ぞ摺娔X。甚至為了讓我方便進出他們的寢室專門為我配備了一把鑰匙，而且四臺電腦的密碼也都一一告知于我，任我選用，讓很非常感動。對舍友們的支持和幫助表示萬分感謝。