6.4问答题
1.电力变压器的不正常工作状态和可能发生的故障有哪些？一般应装设哪些保护？ 答：变压器的故障分为内部故障与外部故障两种。变压器的内部故障是指变压器油箱里面发生的各种故障，其主要类型有：各相绕组之间发生的相间短路，单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路，单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接故障等。变压器外部故障系指变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，其主要类型有：绝缘套管闪络或破碎而发生的单相接地短路，引出线之间发生的相间短路故障等。 变压器的不正常工作状态主要包括：由于外部短路或过负荷引起的过电流、油箱漏油造成的油面降低、变压器中性点电压升高、由于外加电压过高或品率降低引起的过激磁等。 为了防止变压器在发生各种类型故障和不正常运行时造成不应有的损失，保证电力系统连续安全运行，变压器一般应装设如下继电保护装置：
①防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护； ②防御变压器绕组和引出线多相短路、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的差动保护或电流速断保护；
③防御变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护的后备的过电流保护； ④防御大电流接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护； ⑤防御变压器对称过负荷的过负荷保护； ⑥防御变压器过激磁的过激磁保护。
2.变压器差动保护在稳态情况下的不平衡电流产生的原因是什么？ 答：①由于变压器各侧电流互感型号不同，即各侧电流互感器的励磁电流不同而引起误差而产生的不平衡电流；
②由于实际的电流互感器变比和计算变比不同引起的不平衡电流； ③由于改变变压器调压分接头引起的不平衡电流； ④变压器本身的励磁电流造成的不平衡电流。
3.变压器差动保护在暂态情况下的不平衡电流产生的原因是什么？
答：由于短路电流的非周期分量，主要为电流互感器的励磁电流，使其铁芯饱和误差增大而引起不平衡电流。
4.变压器励磁涌流具有哪些特点？目前差动保护中防止励磁涌流影响的方法有哪些？
答：变压器励磁涌流特点是：①包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧。②包含有大量的高次谐波，并以二次谐波成分最大。③涌流波形之间存在间断角。④涌流在初始阶段数值最大，以后逐渐衰减。 防止励磁涌流影响的方法有：①采用具有速饱和铁芯的差动继电器。②采用间断角原理鉴别短路电流和励磁涌流波形的区别。③采用二次谐波制动原理。④利用波形对称原理的差动继电器。
5.变压器纵差保护主要反应何种故障，瓦斯保护主要反应何种故障和异常？
答：纵差保护主要反应变压器绕组、引线的相间短路及大接地电流系统侧的绕组、引出线的接地短路。
瓦斯保护主要反应变压器绕组匝间短路及油面降低、铁芯过热等本体内的任何故障。 6.为什么差动保护不能代替瓦斯保护？
答：瓦斯保护能反应变压器油箱内的任何故障，如铁芯过热烧伤、油面降低等，但差动保护对此无反应。又如变压器绕组发生少数线匝的匝间短路，虽然短路匝内短路电流很大会造成局部绕组严重过热产生强烈的油流向油枕方向冲击，但表现在相电流上其量值却不大，因此，差动保护没有反应，但瓦斯保护对此却能灵敏地加以反应，这就是差动保护不能代替瓦斯保护的原因。
7.1填空题
1.发电机差动保护是用来反映定子绕线机间短路故障的。
2.对于发电机~变压器组，对容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于定子绕组串联匝数90%的定子接地保护。
3.发电机纵差保护的作用是保护定子绕组及其引出线相间短路故障的。
4.利用3次谐波电压和基波零序电压的组合的组合，可构成100%的定子绕组接地保护。
5.对于发电机定子绕组的相间短路，要求容量在1MW以上的发电机，应装设纵差动保护。
6.相对于中、小型机组，大型发电机组参数的变化将对继电保护“四性”中的灵敏性不利。
7.发电机正常运行中时的3次谐波电压，机端量总是小于中性点量。
8.发电机定子绕组匝间短路时，将出现纵向负序电压，并产生相应的负序电流。、 9.发电机的失磁保护可通过延时躲过振荡的影响。
10.发电机失磁后发电机的转速大于同步转速，在转子及励磁回路中将产生一个差频电流。 7.3判断题
1.发电机纵差保护不反映定子绕组一相匝间短路。X
2.调相机在不同的运行方式下，既能发出无功功率，也能吸收无功功率。Y 3.对于中、小型汽轮发电机，一般都不装设过电压保护。Y 4.发电机励磁回路发生接地故障时，将会使发电机转子磁通发生较大的偏移，从而烧毁发电机转子。Y
5.发电机转子一点接地保护动作后，一般作用全停。X 6.发电机逆功率保护主要保护汽轮机。Y
7.对容量在100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护。Y 8.发电机中性点处发生单相接地时，机端的零序电压为零。Y 9.发电机定子单相绕组在中性点发生接地短路时，机端3次谐波电压大于中性点3次谐波电压。Y
10.发电机低频主要用于保护汽轮机，防止汽轮机叶片断裂事故。Y 7.4问答题
1.发电机常用的内部短路主保护有哪些？哪些判据可反应定子匝间故障？
大型发电机组与中、小型机组相比，在设计、结构及运行方面有许多特点，相应的对继电保护提出新的要求，具体有如下：
（1）大容量机组的体积不随容量成比例增大，直接影响了机组的惯性常数明显降低，使发电易于失步保护；其次，发电机热容量与铜损、铁损之比明显下降，使定子绕组及转子表面过负荷能力降低，为了确保大型发电机组在安全运行条件下充分发挥过负荷能力降低，为了确保大型发电机组在安全运行条件下充分发挥过负荷的能力，应装设具有反时限特性的过负荷保护及过电流保护
（2）电机参数Xk、Xk1，Xk2，增大
其后果是：1，短路电流水平降低，要求装设更灵敏的保护
2定子回路时间常数t显著增大，定子非周期分量电流衰减缓慢，使继电保护用的电流互感器的工作特性严重恶化，同时也加重了不对称短路时转子短路时转子表层的附加发热，使负序保护进一步复杂化
3发电机平均异步力矩大为降低，因此，失磁异步运行时滑差大，从系统吸收感性无功多，允许异步运行时负载小，时间短，所以大型机组更需要性能完善的失磁保护
4单机容量增大，汽轮机组轴向长度与直径之比明显增大，从而使机组振荡加剧，闸见绝缘磨损加快，有时候可能引起冷却系统故障，因此应当用灵敏的闸见短路和漏水保护
5大型水轮机组的转速低，直径大，气隙不均匀，将引起机组振荡加剧，因此，要装气隙不均保护。若定子绕组并联分支多且有中性点，应设计新的反应闸见短路的横差保护
6大型机组励磁系统复杂，故障几率也增多，发电机过电压、失磁的可能性加大，若采用自并励磁系统，还需考虑后备保护灵敏度问题
2.大型发电机组有哪些特点？对继电保护及其配置有哪些要求？
专用电压互感器PT一次侧中性点必须与发电机中性点直接相连而不能再直接接地。这时因为当电压互感器一次侧不接地时，当发生匝间短路或分支绕组开焊时，三相绕组的对称性遭到破坏，机端三相对发电机中性点出线纵向零序电压，此时PT有输出。而若PT一次侧接地，则将反应横向零序电压，即当发电机内部或外部发生单相接地故障时，PT中会有输出。
3.发电机转子两点接地有什么危害？
在电压互感器一相断线或两相断线及系统非对称性故障时，发电机的失磁保护可能要动作。为防止失磁保护在以下情况下误动，加装负序电压闭锁装置使之在发电机失磁的情况下，负序电压闭锁继电器不动作，反映失磁的继电器动作。 4.电机的正序阻抗与负序阻抗是否相等，为什么？
定子单相接地保护的3U0电压是机端三相对地零序电压；定子匝间短路保护的3U0电压是机端三相对中性点的零序电压。
5.定子单相接地保护和定子匝间短路保护均采用基波零序电压3Uo，这两种3Uo电压有何不同？
对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水（指水内冷的发电机)等原因，都可能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现，则一种种可能是进一步发展成匝间或相间短路；另一种可能是如果又在其他地方发生接地，则形成两点接地短路。这两种结果都会造成发电机严重损坏，因此，对大型发电机，组，特别是定子绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的接地保护。 6.大容量发电机为什么要采用100%定子接地保护？
为了减小死区，可采取如下措施来降低启动电压。 (1)加装三次谐波带阻过滤器。
(2)对于高压侧中性点直接接地电网，利用保护装置的延时来躲过高压侧的接地故障。 (3)在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧的零序电压将发电机接地保护闭锁或利用它对保护实现制动。 采取以上措施后，零序电压保护范围虽然有所提高，但在中性点附近接地时仍然有一定的死区。
7.定子接地保护装置为了减小死区，可采取哪些措施？ 7.相同点：
6.工作原理相同。按比较被保护对象始端与末端电流的大小和相位的原理工作的。 保护电流互感器二次侧的接线原则相同。都是采用“环流法”接线即将两组电流互感器二次侧的同名端(线路纵差动保护)或异名端(发电机和变压器纵差动保护)连接，差动继电器并联接入差动回路中。这样，在正常运行和外部短路时流入继电器的电流为零(理论值)保护不动作，内部短路时，流入继电器的电流为两侧电流互感器二次电流之和，保护动作。 不同点：
（1）电流互感的型号和变比不同。输电线路和发电机的纵差动保护，采用的是同型号同变比的电流互感器。而变压器纵差动保护的电流互感器分别安装在高、低压侧，因此，两组电流互感器的型号和变比都不相同。
（2）差动回路中不平衡电流大小不同。输电线路和发电机纵差动保护，由于保护的电流互感器是同型号、同变比的，故正常运行和外部短路时，流入差动回路的不平衡电流小；而变压器纵差动保护，由于影响不平衡电流增大的因素多，故不平衡电流大。在实施变压器纵差动保护的过程中，要采取相应的措施来消除或减小不平衡电流的影响。
（3）输电线路的纵差动保护二次连接线长(与线路等长)实现困难；发电机、变压器纵差动保护二次连接线，实现容易。
8.输电线路、发电机、变压器的纵差保护有何异同？
.当发电机进人异步运行时，将对电力系统和发电机产生以下影响：
（1）需要从电力系统中吸取大量的无功功率以建立发电机的磁场。在重负荷下失磁进人异步运行后，如不采取措施，发电机将因过电流使定子过热。
（2）由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统电压的下降，如果电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧母线电压或其他邻近设备的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能 因电压崩渍而使系统瓦解。
（3）失磁后发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生频率为fG--fs的交流电流，即差频电流。差频电流在转子回路中产生的损耗如果超出允许值将使转子过热。 （4）对于直接冷却的大型发电机组，其平均异步转矩的最大值较小，贯性常数也相对较低，转子在纵轴和横轴方向呈现较明显的不对称，使得在重负荷下失磁后，这种发电机的转矩、有功功率要发生周期性摆动。这种情况下，将有很大的电磁转矩周期性地作用在发电机轴系上，并通过定子传到机座上，引起机组振动，直接威胁着机组的安全。
（5）低励磁或失磁运行时，定子端部漏磁增加，将使端部和边部铁芯过热。 9.当发电机进入异步运行时，将对电力系统和发电机产生哪些影响？ 发电机失磁对系统和发电机本身都将造成不良影响。
对系统的主要影响是：发电机失磁后，从系统吸收无功功率，使无功功率缺额，引起系统电压降低。若系统的无功功率储备不足，将使邻近失磁发电机的部分系统电压低于允值，这将威胁负荷和电源间的稳定运行，甚至导致系统因电压崩溃而瓦解，这是发电机失磁引起的最严重后果。
对发电机本身的影响是：差频电流使转子损耗增大而造成转子局部过热；失磁后吸收大量无功功率，造成定子绕组过电流，定子过热；异步运行中，发电机的转矩发生周期性变化，使机组受到异常的机械冲击；失磁运行中，发电机端部漏磁增大，使定子端部的部件和边端铁芯过热。
10.发电机失磁对系统和发电机本身有什么影响？汽轮发电机允许失磁运行的条件是什么？ 在低频运行时，发电机如果过负荷，将会导致发电机的热损伤。只要在额定视在容量和额定电压的105%以内，并在汽轮机的允许超频率限值内运行，发电机就不会有热损伤的问题。 当发电机运行频率升高或降低到规定值时汽轮机的叶片将发生谐振，叶片承受很大的谐振应力，使材料疲劳，达到材料不允许的程度时，叶片或拉金就会断裂，造成严重事故。材料的疲劳是一个不可逆的积累过程，因此，汽轮机都给出在规定的频率下允许的累计运行时间。11.为什么说限制汽轮发电机低频运行的决定因素是汽轮机而不是发电机？ 当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下三相负荷不平衡时，在发电机定子绕组中将出现负序电流。此电流在发电机空气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为两倍的同步转速，因此，将在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁芯等部件上感应出100Hz的倍频电流，该电
流使得转子上电流密度很大的某些部位(如转子端部、护环内表面等)，可能出现局部灼伤，甚至可能使护环受热松脱，从而导致发电机的重大事故。此外，负序气隙旋转磁场与转子电流之间以及正序气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的100Hz交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定子机座上，从而引起100Hz的振动，威胁发电机安全。 负序电流造成电力系统三相电流不对称，因而系统中的三相变压器有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力(即变压器容量利用率下降)。另外，还会造成变压器的附加能量损失和变压器铁芯磁路中造成附加发热。
12.简述负序电流对发电机和变压器的影响有何不同。
发电机的完全差动保护引人发电机定子机端和中性点的全部相电流I1和I2在定子绕组发生同相匝间短路时两侧电流仍然相等，保护将不能够动作。变压器匝间短路时相当于增加了绕组的个数并改变了变压器的变比，此时变压器两侧电流不再相等，流入差动继电器的电流将不再为零，所以变压器纵差动保护能反应绕组的匝间短路故障。
13.发电机的完全差动保护为何不反应匝间短路故障，变压器差动保护能反应吗？
发电机纵差动保护是反应发电机内部相间短路的主保护，能快速而灵敏地切除保护范内部相间短路故障，同时又保证在正常运行及外部故障时动作的选择性和工作的可靠性。但完全纵差保护不能反应匝间短路故障。
横差动保护适用于具有多分支的定子绕组且有两个中性点引出端子的发电机，能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内组相间短路。
14.电机纵差动保护和横差动保护的范围如何，能否相互代替？
（1）水轮发电机一般只装设励磁回路一点接地保护，不装设两点接地保护；汽轮发电机除装设反应一点接地故障的定期检测装置外，还应设两点接地保护。 （2）水轮发电机不需要装设低频保护和逆功率保护(近年来，有的抽水蓄能发电机组也装设逆功率保护)；
（3）水轮发电机失磁后保护动作于解列，不允许异步运行；汽轮发电机失磁后如母线电压低于允许值时，保护带限时动作于解列，当失磁后母线电压不低于允许值时，保护动作于信号。
（4）考虑到水轮发电机的热容量较大，一般只装设定时限负序电流保护；大型汽轮发电机一般采用反时限特性的负序电流保护。
15.大型水轮发电机与大型汽轮发电机在继电保护配置上有哪些不同？ 发电机失磁后而异步运行时，将对电力系统和发电机产生以下影响。
（1）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。所需无功功率的大小主要取决于发电机的参数(X1、X2、Xad)以及实际运行时的转差率。失磁前带的有功功率越大、失磁后转差就越大，所吸收的无功功率也就越大，因此，在重负荷下失磁进入异步机运行后，如不采取措施，发电机将因过电流使定子过热。
(2)由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，如果电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压、或其他邻近的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解
(3)失磁后发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生频率为？的交流电流即差频电流。差频电流在转子回路中产生的损耗，如果超出允许值将使转子过热。特别是直接冷却的大型机组，其热容量的裕度相对降低，转子更易过热。而流过转子表层的差频电流，还可能使转子本体与槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热。 (4)对于直接冷却的大型汽轮发电机，其平均异步转矩的最大值较小，惯性常数也相对较低，转子在纵轴和横轴方面呈现较明显的不对称，由于这些原因，在重负荷下失磁后，这种发电