发电机低频保护的工作原理、作用，整定值计算

一、发电机低频保护工作原理

       发电机低频保护，也称为低频运行保护或频率异常保护，其核心原理是监测发电机出口或机端的系统频率，当频率低于预设的整定值并持续一定时间后，发出报警或跳闸指令。

其工作逻辑可以概括为：

       1.频率测量：发电机保护装置通过电压互感器（PT）实时监测发电机的端电压，并精确计算出系统的实时频率。

       2.逻辑判断：将测量到的频率 f 与预设的频率定值 f_set 进行比较。当 f < f_set 时，启动计时器。

       3.时间判别：只有当低频状态持续的时间超过预设的延时 t_set 后，保护装置才会动作。这个延时是为了躲过系统短暂的频率波动，如故障扰动后的瞬间，防止保护误动。

       4.出口动作：当满足“频率低于定值”且“持续时间超过延时”两个条件后，保护装置根据预设的逻辑发出信号（如报警）或直接执行跳闸，将发电机从电网中解列。

关键特性：

       反时限特性（可选）：更先进的保护通常采用反时限特性。即频率越低，对发电机的危害越大，允许的运行时间就越短。保护动作时间 t 与 (f_set - f) 的差值成反比关系。这提供了更好的匹配设备耐受能力与保护动作的特性。

二、发电机低频保护作用与危害

       低频保护的主要作用是防止发电机及其原动机（如汽轮机）在系统频率过低时受到损坏。

       系统频率过低会对发电机组本身造成多重危害：

1.汽轮机叶片损伤（最核心的原因）：

       汽轮机的叶片有一个固有的振动频率（临界转速）。当系统频率下降时，汽轮机转速同比例下降，其叶片的振动频率会接近或落入其固有频率的共振区内。

       长时间在共振区运行，会导致叶片因疲劳而断裂，造成极其严重的设备损坏。这是低频保护需要防范的首要目标。

2.厂用辅机工作异常：

       发电厂的厂用电动机（如给水泵、循环水泵、风机等）的转速与频率成正比。频率下降会导致这些辅机转速下降，出力降低，从而影响锅炉、汽轮机的正常运行，甚至可能导致整个机组停运。

3.发电机发热：

       为了维持端电压恒定，在频率降低时，需要增加励磁电流，这会导致发电机转子和定子绕组的温度升高，可能引发过热绝缘损坏。

4.加剧系统稳定性恶化：

       频率降低意味着系统有功功率缺额。如果发电机因为低频保护而陆续跳闸，会进一步减少系统中的电源，导致频率崩溃，引发大面积停电。

       因此，发电机低频保护不仅是保护发电机本体的重要防线，也是维护电力系统安全稳定运行的最后一道防线之一。

三、发电机低频保护整定值计算

       整定值的计算需要综合考虑发电机组（特别是汽轮机）的安全运行限值和电力系统的安全自动装置（如低频减载）的配合。其核心是确定频率定值（f_set） 和时间定值（t_set）。

1. 频率定值（f_set）的确定

       下限：通常不应低于电力系统安全运行允许的最低频率。一般系统允许的短时最低频率约为 48.0 - 48.5 Hz。为了保证机组安全，定值会设置得比这个值高。

       上限：需要与系统的低频减载（ULFR） 装置配合。

       原则：发电机的低频保护应作为低频减载的后备。即，当系统发生有功缺额时，应先由安装在负荷侧的低频减载装置切除部分负荷，以恢复系统频率。如果低频减载动作后频率仍无法恢复，说明功率缺额过大，此时才轮到发电机低频保护动作，将发电机解列以防止损坏。

       方法：发电机的低频保护定值通常设定在系统最后一级低频减载的频率定值之下。例如，如果系统最后一级低频减载定值为 48.5Hz，那么发电机低频保护可整定为 48.3Hz 或 48.2Hz。

       典型范围：通常在 48.0 - 48.8 Hz 之间，具体取决于汽轮机制造厂提供的耐受曲线和系统的低频减载方案。

2. 时间定值（t_set）的确定

       时间定值的确定必须依据汽轮机低频运行耐受曲线（或称限制曲线）。该曲线由制造厂提供，是整定的根本依据。

整定步骤：

       1）获取耐受曲线：从汽轮机厂家获取类似下表的数据或曲线。

       2）设定原则：保护的动作时间 t_set 必须 小于 汽轮机在该频率下的允许运行时间，并留有一定的安全裕度。

3）计算示例（分时段定时限整定）：

       这是一种简化的整定方式，将反时限曲线分段近似为定时限。

       段1：f_set1 = 48.5 Hz，查表允许时间为 30 秒。考虑裕度，整定动作时间 t_set1 = 30 * K（K为可靠系数，通常取 0.7 ~ 0.8），例如 t_set1 = 25 秒。

       段2：f_set2 = 48.0 Hz，查表允许时间为 15 秒。整定 t_set2 = 15 * 0.8 = 12 秒。

       段3：f_set3 = 47.5 Hz，查表允许时间为 5 秒。整定 t_set3 = 5 * 0.8 = 4 秒。

4）反时限整定：

       现代微机保护装置通常支持标准的反时限方程（如IEEE Std. C37.112中定义的反时限特性）。整定时需要将制造厂提供的耐受曲线转换为反时限方程中的参数（如 K, α, C 等），使保护的动作特性曲线位于制造厂曲线的下方。

整定计算总结要点：

       核心依据：汽轮机厂家提供的低频耐受曲线。

       配合原则：与系统低频减载（ULFR）方案配合，频率定值低于最后一级ULFR。

       安全裕度：动作时间必须小于允许时间，并乘以一个小于1的可靠系数（如0.7~0.8）。

       返回特性：保护装置通常有频率恢复后的返回逻辑，防止在频率边界处频繁动作。

最终整定示例：

       一台300MW汽轮发电机，根据其耐受曲线和系统ULFR方案，其低频保护可能整定为：

       第一段：f1 = 48.5 Hz, t1 = 25 s （报警或减出力）

       第二段：f2 = 48.0 Hz, t2 = 12 s （跳闸）

       第三段：f3 = 47.5 Hz, t3 = 4 s （跳闸）

       总之，发电机低频保护的整定是一项严谨的工作，需要电气保护工程师与汽轮机专业密切配合，并在电网调度部门的统一协调下完成，以确保既保护设备安全，又不危及电网稳定。

更我关于发电机保护原理介绍：
发电机定子接地保护：https://www.zhinengdianli.com/weijibaohu/jishu/555.html
发电机失磁保护：https://www.zhinengdianli.com/weijibaohu/jishu/521.html
发电机差动保护：https://www.zhinengdianli.com/weijibaohu/jishu/451.html
发电机逆功率保护：https://www.zhinengdianli.com/weijibaohu/jishu/425.html