发电机低频保护

3保护原理

发电机在低频运行时，汽轮机将产生机械振动，汽轮机叶片损伤严重，对汽轮机危害很大，因此，在大型汽轮机上应装设低频保护。低频保护由低频测量元件和时间累积计算器组成。因为低频运行对汽轮机的危害是积累性的，与频率下降值和持续时间有关。发电机的低频范围段数由汽轮机的制造厂家提供。

3逻辑框图

低频保护设有五段五时限，并有累计时间显示。为防止发电机起停过程中低频保护误发信号，为此，设有电流电压闭锁元件。〔电流电压元件的定值分别为0.3A和20V〕。

Ⅰ段Ⅱ段低频检测元件&电流、电压低Ⅲ段Ⅳ段V段

图3-17-1 发电机低频保护逻辑框图

【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】 低频保护

大型汽轮发电机运行中允许其频率变化的范围为，低于48.5Hz时，累计运行时间和每次持续运行时间到达定值，保护动作于信号或跳闸

保护设定四段定值，其中Ⅰ、Ⅱ两段为累计运行低频保护，Ⅲ、Ⅳ段为持续运行低频保护，频率保护受断路器位置接点、无流标志闭锁 过频率保护

保护设两段定值，其中Ⅰ段为累计运行低频保护〔 ？〕。保护动作于信号或跳闸

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【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】

【南自：DGT801数字式发电机变压器保护装置技术说明书】 低频&过频保护

低〔过〕频保护主要用于保护汽轮机不受低频共振的影响。汽轮机各节叶片都有一共振频率，当系统频率接近或等于共振频率时，将引起叶片的共振而损坏汽轮机

低〔过〕频保护反应系统频率的降低〔升高〕，并受出口断路器辅助接点闭锁。即发电机退出运行时低〔过〕频保护也自动退出运行

电压取自发电机机端TV的某一线电压〔如UAB〕 出口方式：可发信或跳闸

频率检测元件f（<|>）断路器辅助接点&发信或跳闸t/0

图：发电机频率异常保护出口逻辑

注意：保护的整定计算

300MVA及以上的汽轮机提供以下整定值： 47.0Hz－每次运行时间不低于20秒 47.5Hz－每次运行时间不低于1分钟

50.5Hz～51.0 Hz－每次运行时间不低于3秒

频率积累保护

为了保护保护汽轮机不受低/过频共振的影响。汽轮机各节叶片都有一共振频率，当系统频率接近或等于共振频率时，将引起叶片的共振而损坏汽轮机

低/过频运行对于汽轮机而言时个疲劳过程，一般汽轮机低频运行了累计达一定时间，汽轮机将疲劳报废。因此低/过频运行是个积累过程。保护装置停运不影响积累值

频率积累保护反应系统频率的降低，并受出口断路器辅助接点闭锁。即发电机退出运行时低〔过〕频保护也自动退出运行

电压取自发电机机端TV的某一线电压〔如UAB〕 出口方式：可发信或跳闸

频率检测元件f（<|>）断路器辅助接点&时间积累发信或跳闸

可以有六个这样的频率积累段同时存在

图：发电机频率积累保护出口逻辑

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注意：保护的整定计算 频率上下限定值

fmax.1.dz,fmin.1.dz及其时间积累

fmax.2.dz,fmin.1.dz300MVA及以上的汽轮机提供以下整定值： 48.0Hz－累计运行时间不低于2小时 47.5Hz－累计运行时间不低于1小时

50.5Hz～51.0 Hz－累计运行时间不低于180分 51.0Hz～51.5 Hz－累计运行时间不低于30分

【南自：DGT801数字式发电机变压器保护装置技术说明书】

【NARI-SIMENS微机发电机成套保护系统】 频率保护〔ANSI 81〕

7UM511具有四段频率保护，每段可设置低频和低周保护，即使是电压严重畸变的情况下，复杂的算法亦能成功地根据基波分量来确定频率

技术数据： 频率保护 (ANSI 81) 段数 频率f1 ，f2 ，f3 ，f4 响应时间 低压闭锁 V< 闭锁返回系数 4 40到65Hz 约60ms＋测量时间 40到100V 重复测量数〔单转发测量3/f〕 2到10000 【NARI-SIMENS微机发电机成套保护系统】

【许继：WFB-100微机型发变组成套保护装置技术说明书】

方案与CSG300A类似

定值整定原则：300MW及以上的汽轮机，运行中允许其频率变化的范围为48.5～50.5Hz。低于48.5Hz或高于50.5Hz时，累计允许运行时间和每次允许的持续运行时间国内尚未正式的统一规定，应综合考虑发电机组和电力系统的要求，并根据制造厂家提供的技术参数确定。保护可动作于信号，并有累计时间显示

当低频累加保护需要动作于发电机解列时，其低频段的动作频率和延时应注意与电力系统的低频减载装置进行协调。一般情况下，应通过低频减载装置减负荷，使系统频率及时恢复，以保证机组的安全；仅在低频减载动作后频率仍没有恢复，从而微机机组安全时才进行机组的解列。因此要求在电力系统减载过程中不应解列发电机，防止出现频率连锁恶化的情况

【许继：WFB-100微机型发变组成套保护装置技术说明书】

3整定内容

（1）低频一段定值f1 （2）低频一段累计时间t1

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（3）低频二段定值f2 （4）低频二段累计时间t2 （5）低频三段定值f3 （6）低频三段累计时间t3 （7）低频四段定值f4 （8）低频四段累计时间t4 （9）低频五段定值f5 （10） 低频各段延时延时时间

3保护的整定计算

低频各段定值和累计时间应与发电机允许频率范围相一致。

3说明

大型汽轮发电机组对电力系统频率偏离值有严格的要求，在电力系统发生事故期间，系统频率必须在允许的范围内，以免损坏机组〔主要是汽轮机叶片〕。 带负载运行的300MW及以上的汽轮机，要求其频率允许的范围为48.5~50.5Hz。表3-17-1为大机组频率异常运行允许时间建议值。

表3-17-1 大机组频率异常运行允许时间建议表

频率Hz 允许运行时间 累计min 30 180 每次s 30 180 频率Hz 允许运行时间 累计min 300 60 10 每次s 300 60 10 连续运行 当频率异常保护需要动作于发电机解列时，其低频段的动作频率和延时应与电力系统的低频减载装置进行协调，原则是：其动作频率应低于低频减载装置的最低动作频率，以防止出现频率连锁恶化的情况。

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附录

【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】

当频率低于额定值时，发电机的输出功率应降低，功率降低一般与频率降低成一定比例，目前还没有规定发电机在低频下的功率降低标准。在低频运行时发电机如果发生过负荷，也会导致发电机的热损伤，但是汽轮发电机组低频运行的决定性因素是汽轮机而不是发电机。只要在额定视在功率〔KVA〕和额定电压105％以内、并在汽轮机的允许超频率限值内运行，发电机就没有热损伤问题

一般说来，水轮发电机组没有低频或高频的问题

频率异常用来保护汽轮机，防止汽轮机叶片及其拉金的断裂事故，对于极端低频工况，还将威胁厂用电的安全。叶片谐振应力，造成材料疲劳，材料疲劳是一个不可逆的的积累过程，所以需要给出汽轮机在规定频率下允许的累计运行时间

从对汽轮机叶片及其拉金影响的积累作用方面看，频率升高对汽轮机的安全也是有危险的，所以从这点出发，频率异常保护应当包括反应频率升高的部分。但是，一般汽轮机允许的超速范围比较小；在系统有功功率过剩时，通过各机组的调速系统或功频调节系统的调节作用，以及必要时切除部分机组等措施，可以迅速使频率恢复到额定值；而且频率升高大多是在轻负荷或空载时发生，此时汽轮机叶片和拉金所承受的应力，要比低频满载时小的多。一般，频率异常保护不设置反应频率升高的部分，只包括反应频率下降的部分，称为低频保护

作用汽轮发电机跳闸的低频保护，在低频状态下为保障汽轮机的安全，当处于某一低频下累积时间到达允许的极限值时，保护使汽轮机、发电机跳闸停机，不言而喻，此后系统频率将更为下降，为挽救系统必须采用按频率自动减负荷装置。因此在设计低频保护时应注意：

（1） 从制造厂家了解汽轮机的频率异常运行时间限值，据此设定低频保护的割断

动作频率和相应时限

（2） 低频保护必须根据所在系统频率响应特性，与按频率自动减负荷密切配合，

最大可能减少汽轮机、发电机的跳闸

（3） 一个低频继电器的失灵，不应造成机组不必要的跳闸

（4） 低频状态下，一个低频继电器拒动，不应危及整个保护系统

低频保护究竟选用几段？理想的情况是：所选段数应能保证在任何的持续低频方式下，汽轮机的疲劳应力应最低，保护延时应足够长，使发电机不发生不必要的跳闸。一般需要四段、五段或更多

【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】

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

频率异常

发电机运行在不正常频率下〔过频或者低频〕通常由于负荷全甩、部分甩掉、发电机过负荷。

负荷部分或者全部甩掉可能由清除系统故障或者在一个大的系统扰动下低频减载动作。减负荷可能导致发电机转子加速或者工作在超过正常工作频率的某一频率下。最终的稳态频率是所减负荷数以及调节器的下倾特性的函数。例如，调节器有一个5％的调节特性。减掉50％负荷将产生2.5％的频率上升。通常，过频状况不产生严重问题因为运行人员和/或控制系统会很快动作，迅速将发电机转速和频率恢复到正常值而不必要将发电机跳掉。

各种各样的系统扰动和/或运行情况都可能导致发电机过负荷。然而。主要考虑当有很

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大发电容量的发电机组跳掉后对系统造成的扰动，这种扰动可能会使系统解列并且使剩余机组严重过负荷。在这种情况下，系统频率将降低。并且发电机将不得不在低频下运行很长时间。即使在扰动期间设计了低频减载方案来反应频率降低和恢复系统频率到正常值，也可能发生减负荷不够。这可能会导致将频率恢复到正常值或者系统允许的低于正常频率值的一个最低频率值的过程非常缓慢。在任一情况，都存在在低频情况下运行很长时间，因而损坏汽轮机的可能性。一般而言，对于汽轮发电机，低频运行比过频运行要危险的多。因为运行人员在低频运行时，没有可供选择的控制方案，因而，对于汽轮机经常推荐装设各种低频保护。汽轮机不正常频率运行能力

发电机和汽轮机对于能够承受的不正常频率运行都有一个。

在低频下，发电机输出功率能力将减小。输出功率能力的减小与频率降低成比例。通常没有详细说明发电机在低频下的功率输出能力，但从发电机制造厂商那里通常可以得到相应信息。在系统扰动期间，发电机功率输出能力的减小以及随之而来的发电机可能过负荷如果超出了发电机短时过热能力，将导致发电机热损伤。应该意识到这种可能性，对此提供的相应保护在本标准的4.1中。

通常认为在低频下汽轮机比发电机更受。因为汽轮机叶片可能发生机械谐振。偏离额定转速将使激励频率接近一个或者多个叶片自振频率。因而会使振动应力增加。随着振动应力增加，损伤累积并且可能导致叶片结构的一些部分出现裂纹，最可能的是拉金和叶片罩。拉金和叶片罩出现裂纹并不是灾难性的故障。但是可能会改变叶片的振动行为因而会使其谐振频率接近正常频率。这可能会使叶片在正常运行时产生疲劳。

汽轮机制造厂商会提供在不正常频率下的时间。这些数据通常是以在特定频带下允许运行时间形式提供的。可能是对于带载发电机指明的一到六个频带中的任意位置。这决定于其设计和制造厂商。不正常频率运行的效果是累积的。因此，如果汽轮机在一个特定频带运行了50％的允许时间，在汽轮机剩余的运行寿命中，在相应频带里只剩下50％的剩余时间。

通常，这些应用于汽轮机。对于燃气轮机，其在低频下运行能力要比汽轮机大很多。然而，CTGS通常要受燃烧不稳定和/或当频率降低时，汽轮机输出功率的突然减少。对于每个CGT而言，其特定的低频可以从制造厂商那里获得。一般来说，对于水轮机，没有。

保护

对于汽轮机，其低频保护是通过电力系统的自动低频减载来实现的。这些低频减载方案应该被设计成在最大可能的过负荷条件下，切掉足够的负荷快速将系统频率恢复到正常值。

低频保护的后备保护通常是使用安装在每个发电机上的一些低频继电器和定时器来提供。

对于更加完整的汽轮机低频保护，可以参考IEEE Std C37.106.-1987。最为完整的保护方案是对应于每一个频带装设一个低频继电器，继电器整定为当频率进入相应频带动作。对应每个低频继电器有一个计数器；计数器整定为对于任何低频情况，仅仅在相应频带的总的允许运行时间消耗掉一部分动作。不很完全方案使用一个低频继电器反应各个频带。

对于CTGs，不使用多个低频继电器和定时器方案。CTG制造厂商通常会提供低频保护。这一保护通常仅仅包括一个单步低频跳闸。可以从制造厂商那里获得对应于跳闸的值。 【IEEE STD C37.102-1995：交流发电机保护的IEEE标准】

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